SIMULASI ANGIN LAUT TERHADAP PEMBENTUKAN AWAN KONVEKTIF DI PULAU BALI MENGGUNAKAN WRF-ARW (Studi Kasus 20 Februari 2015)

Transkripsi

1 SIMULASI ANGIN LAUT TERHADAP PEMBENTUKAN AWAN KONVEKTIF DI PULAU BALI MENGGUNAKAN WRF-ARW (Studi Kasus 20 Februari 2015) Rahma Fauzia Y *, Hariadi Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika * rahmayushar@gmail.com ABSTRAK Pada tanggal 21 Februari 2015, berdasarkan laporan BPBD Bali telah dilaporkan bahwa terjadi banjir di wilayah Denpasar. Pulau Bali merupakan pulau berbatasan langsung dengan laut. Hal ini mempengaruhi kondisi cuaca di Pulau Bali karena adanya sirkulasi diurnal angin laut dan angin darat karena adanya perbedaan panas antara lautan dan daratan yang mempengaruhi pertumbuhan awan hujan yang dapat menyebabkan banjir. Metode yang digunakan dalam tulisan ini adalah simulasi kejadian angin laut dan angin darat serta komparasi antara keluaran WRF dengan data observasi. Parameter yang dikeluarkan adalah RH, angin, CAPE, dan hujan. Hasil dari penelitian ini adalah bahwa sirkulasi angin laut dan angin darat tidak terlalu berpengaruh terhadap pembentukan awan konvektif di daerah Bali dilihat dari jam aktif angin laut dan masih perlu adanya uji parameterisasi lebih lanjut untuk daerah Bali. Kata Kunci: Angin Laut, WRF ABSTRACT At February 21, according to BPBD, flood has occurred at some locations at Bali. Bali is an island that directly connected to the sea. This condition affects weather conditions at Bali because there is a diurnal circulation that consisted of sea breeze and land breeze caused by heat difference between land and see that affects precipitation cloud forms which could cause flood. Methods are used in this research are simulation of sea breeze and land breeze and also comparations between WRF output and observational data. Parameters that are researched in this study are RH, wind, CAPE, and rain. The result shows that sea breeze and land breeze not really have effects as the result shows the active hours of the sea breeze. Further research is needed. Keywords: Sea Breeze, WRF 1. PENDAHULUAN Pada tanggal 21 Februari 2015, berdasarkan laporan BPBD Bali telah dilaporkan bahwa terjadi banjir di wilayah Denpasar. Laporan ini dilengkapi dengan pelaporan keadaan cuaca di mana terjadi hujan disertai angin kencang di wilayah Bali yang menyebabkan satu korban jiwa dan kerusakan bangunan. Pulau Bali merupakan pulau yang memiliki relief yang beragam dari mulai bentuk topografi yang landai dan berbatasan dengan laut. Di sebelah utara dan timur, Pulau Bali berbatasan dengan Laut Bali, di sebelah selatan berbatasan dengan Samudera Hindia, sedangkan di sebelah barat berbatasan dengan Selat Bali. Hal ini tentu saja mempengaruhi kondisi cuaca di Pulau Bali sendiri. Pengaruh keberadaan daerah pantai sendiri menurut Tjasyono (2007) dapat mempengaruhi monsoon karena pantai merupakan bentuk diskontinyu antara kapasitas panas dan kekasaran permukaan antara laut dan darat. 9

2 Di daerah pantai, sering terjadi sebuah sirkulasi angin lokal yang berupa angin darat dan angin laut. Sirkulasi angin laut dan angin darat ini terjadi secara diurnal (harian) dan disebabkan oleh adanya perbedaan panas antara daratan dan lautan yang dapat menyebabkan adanya sel konveksi yang mengalir ke salah satu bagian (bisa daratan maupun lautan, tergantung waktunya). Munculnya sel konveksi ini dapat menyebabkan adanya pembentukan awan. Dari hal-hal yang telah disebutkan di atas, muncul pertanyaan apakah ada keterkaitan antara sirkulasi angin laut dan pertumbuhan awan di daratan dan lautan yang bersifat diurnal di Pulau Bali. Maka penelitian ini bertujuan untuk mencari keterkaitan antara kedua hal tersebut dengan cara melakukan simulasi sirkulasi angin laut dengan menggunakan WRF (Weather Research and Forecasting) kemudian mencari keterkaitan antara kedua hal tersebut. 2. DATA DAN METODE 2.1 Data Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah data reanalysis FNL yang diperoleh dari situs rda.ucar.edu. Data FNL ini sendiri memiliki resolusi spasial 1 x 1 dan resolusi temporal 6 jam. Data reanalysis FNL digunakan sebagai data inisiasi dalam proses running data di WRF-ARW yang akan diolah melalui proses-proses dari pembuatan domain hingga mencapai proses postprocessing dan visualisasi data. Selain itu, digunakan pula data pengamatan udara permukaan (sinoptik) yang diperoleh dari Stasiun Meteorologi Klas I Ngurah Rai Denpasar tanggal 20 Februari 2015 untuk validasi kuantitatif. Sedangkan untuk validasi kuantitatifnya digunakan data satelit MTSAT kanal WV (Water Vapor) untuk tanggal 20 Februari Metode Penelitian Jenis penelitian yang digunakan dalam penulisan ini adalah simulasi dan korelasi. Metode penelitian simulasi dilaksanakan dengan mengolah data FNL menggunakan WRF-ARW. WRF-ARW merupakan bentuk prakiraan atau riset cuaca dalam bentuk model modern yang dikembangkan oleh NCAR dan NOAA di mana dalam proses pemodelannya, perhitungan matematis untuk menggambarkan keadaan di atmosfer dilakukan melalui parameterisasi. Parameterisasi merupakan cara untuk menghitung efek yang ditimbulkan oleh suatu proses tanpa memodelkan langsung proses tersebut. Domain yang digunakan dalam penelitian ini adalah Pulau Bali dengan pusat domain terletak di Bandara Ngurah Rai Denpasar (koordinat 115,1658 BT dan 8,746 LS). Waktu penelitian diambil pada tanggal 20 Februari 2015 (hari hujan sebelum pelaporan banjir). Pembuatan domain untuk penelitian ini menggunakan 3 domain yang semakin mengecil (downscaling) dari wilayah Indonesia (domain 1) hingga terpusat pada pulau Bali (domain 3). Setelah membuat domain, langkah selanjutnya adalah memasukkan data reanalysis FNL yang sudah diunduh sesuai dengan tanggal yang dibutuhkan ke dalam proses pembuatan data grid WRF-ARW untuk menghasilkan file berekstensi *.ctl dan *.dat. Gambar 2.1 Domain yang digunakan dalam simulasi WRF-ARW. Konfigurasi parameterisasi yang digunakan dalam simulasi ini ditampilkan dalam tabel berikut : 10

3 Tabel 2.1 Konfigurasi parameterisasi WRF Konfigurasi Domain 1 Domain 2 Domain 3 Resolusi grid 30 km 10 km 3,33 km horizontal Jumlah level vertikal Skema mikrofisik WSM6 WSM6 WSM6 Skema cumulus Grell- Devenyi Grell- Devenyi Kain- Fritsch Skema PBL MRF MRF MRF Konfigurasi yang digunakan seperti yang tertera pada tabel di atas merupakan konfigurasi yang digunakan oleh Listiaji (2009) untuk daerah Pulau Lombok. Sedangkan untuk penggunaan MRF pada skema PBL sendiri, Listiaji mendasarkan penggunaannya pada hasil penelitian Anzhar (2006) yang mengatakan bahwa skema MRF mampu menghasilkan ketinggian PBL yang lebih realistik pada daerah tropis. File keluaran WRF-ARW yang berbentul *.ctl dan *.dat tersebut akan diolah dengan menggunakan GrADS untuk menampilkan profil vertikal angin, kelembaban, dan CAPE secara spasial horizontal dan secara spasial vertikal. Spasial vertikal ditampilkan dengan menampilkan 2 jenis irisan yaitu irisan melintang dan irisan membujur yang dipusatkan di daerah Denpasar (tempat kejadian banjir) dengan koordinat 115,2167 BT dan 8,65 LS. Irisan melintang ditampilkan dengan menentukan satu titik koordinat bujur kemudian menampilkan data sepanjang koordinat lintang pada satu titik koordinat bujur tersebut, dalam tulisan ini satu koordinat bujur ditentukan di titik 115,2167 BT dan lintang diatur dari koordinat 7,9 LS-8,9 LS. Sebaliknya, irisan membujur ditentukan dengan menentukan satu titik koordinat lintang kemudian ditampilkan data sepanjang bujur pada satu titik koordinat lintang tersebut. Satu koordinat lintang yang dipakai adalah 8,65 LS dan bujur diatur dari koordinat 114,4 BT-116 BT. Untuk validasi dilakukan secara kualitatif dan kuantitatif. Validasi secara kualitatif dilakukan dengan menggunakan data hasil pengamatan udara permukaan (sinoptik) dengan menggunakan RMSE dan koefisien korelasi. Validasi secara kuantitatif dilakukan dengan menggunakan data satelit MTSAT untuk melihat keberadaan uap air di daerah yang telah ditentukan. Rumus RMSE dituliskan sebagai berikut : = Σ() (2.1) Keterangan : RMSE = Root Mean Square Error, nilai yang digunakan untuk menampilkan akurasi dari prakiraan (WMO, 2012). F = nilai data hasil forecast. O = nilai data hasil observasi. N = banyaknya data. Koefisien korelasi adalah ukuran untuk melihat seberapa baik suatu pola dari hasil prediksi sesuai dengan nilai observasinya. Nilai koefisien korelasi berkisar antara -1 dan +1, di mana apabila nilainya mendekati +1 maka korelasinya dianggap semakin baik. Koefisien korelasi dapat dirumuskan sebagai berikut : (,) =. Keterangan : r(x,y) = koefisien korelasi x = nilai observasi y = nilai perkiraan (2.2) Data satelit dibandingkan dengan keluaran WRF menggunakan FSS (Fraction Skill Score). Nilai FSS berkisar antara 0 sampai dengan 1, di mana nilai FSS semakin mendekati 1 berarti semakin baik. Perhitungan FSS menggunakan rumus sebagai berikut : = 1 ( ) Keterangan : P fcst = nilai perkiraan P obs = nilai observasi N = jumlah data (2.3) 11

4 Diagram alir penelitian untuk penelitian ini ditampilkan sebagai berikut : UTC, angin permukaan membentuk pumpunan di daerah Bali bagian utara dan RH di atas daerah tersebut juga mencapai 80%. Pada pukul UTC, daerah dengan kadar RH di atas 80% berpindah ke daerah laut di sebelah timur laut Pulau Bali dan pola arah angin permukaan di atas Pulau Bali mulai tidak beraturan. Pada pukul UTC, secara keseluruhan RH di atas pulau Bali rendah (di bawah 65%). Hal ini dapat diartikan bahwa di atas Pulau Bali sampai dengan lapisan 700 hpa terdeteksi ada potensi keberadaan awan yang terjadi pada sekitar pukul UTC sampai dengan UTC. Gambar 2.2 Diagram alir penelitian 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Proses running WRF yang dilakukan selama untuk tanggal 20 Februari 2015 (H-1 pelaporan kejadian banjir) menghasilkan data keluaran model yang ditampilkan secara spasial horizontal dan spasial vertikal Penampang spasial horizontal Pada gambar 3.1 dan 3.2 ditampilkan peta spasial RH dengan streamline angin untuk tanggal 20 Februari Kedua gambar tersebut menunjukkan bahwa pada pukul UTC, RH di lapisan 700 hpa mencapai 80% di daerah Bali bagian selatan. Hal ini berarti bahwa kandungan massa uap air di daerah Bali bagian selatan sampai dengan lapisan 700 hpa tergolong tinggi, sehngga kemungkinan keberadaan awan juga tinggi. Apabila RH mencapai lebih dari 60%, maka hal tersebut dapat diimplikasikan sebagai keberadaan tutupan awan di daerah tersebut (COMET, 2015) Arah angin permukaannya sendiri dominan datang dari arah barat daya. Pada pukul Gambar 3.1 Peta spasial horizontal RH lapisan 700 hpa di-overlay dengan streamline angin permukaan untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Gambar 3.2 Peta spasial horizontal RH lapisan 700 hpa di-overlay dengan streamline angin permukaan untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Pada gambar 3.3 dapat dilihat peta sebaran curah hujan untuk tanggal 20 Februari 2015 di Pulau Bali. Pada pukul UTC, model WRF gagal melakukan simulasi curah hujan di Pulau Bali sehingga nilai curah hujannya konstan di semua area (constant field). 12

5 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. 3 No.2, Juli 2016 Pada pukul UTC, sebaran curah hujan mulai disimulasikan terjadi di atas pulau Bali dengan curah hujan tertinggi terjadi di daerah laut (di sebelah tenggara Pulau Bali) yang mencapai 120 mm. Sebaran curah hujan yang terjadi semakin meningkat di atas Pulau Bali seiring dengan perubahan waktu. Pada pukul UTC, sebaran curah hujan mulai semakin merapat dan meningkat di bagian utara Pulau Bali. Nilai curah hujan mencapai angka 120 mm. Enam jam kemudian, hasil keluaran WRF mengeluarkan simulasi curah hujan yang tidak jauh berbeda dengan pukul UTC. Sebaran curah hujan masih terletak di bagian utara Pulau Bali dengan kisaran nilai tertinggi curah hujan yang terjadi mencapai 120 mm. a b c d Gambar 3.3 Peta spasial horizontal hujan untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC, pukul UTC, (c) pukul UTC, dan (d) pukul UTC. 13

6 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. 3 No.2, Juli Penampang spasial vertical Tampilan peta spasial vertikal yang ditampilkan berikut ini mengambil 2 (dua) irisan, yaitu irisan membujur dan irisan melintang Parameter yang ditampilkan dalam peta irisan vertikal ini adalah profil angin vertikal bersama dengan gambaran RH per lapisan serta parameter CAPE Gambar 3.4 Peta spasial vertikal irisan melintang RH di-overlay dengan streamline angin untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC Gambar 3.4 merupakan gambaran irisan melintang untuk parameter RH dan angin per lapisan untuk tanggal 20 Februari Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa dari pukul UTC, sudah terdapat lapisan RH tinggi yang cukup tebal yang terbentuk dari lapisan 1000 hpa sampai dengan 550 hpa. Arah anginnya sendiri didominasi dari arah pesisir selatan, namun pada pukul UTC, adanya pola angin dari arah pesisir utara dan selatan di kisaran ketinggian 1000 hpa yang datang dari arah pesisir kemudian berbalik ke arah laut pada ketinggian 950 hpa. Karena adanya sebuah halangan, angin yang datang dari arah pesisir utara dan selatan ini dipaksa naik sehingga terjadi gerakan massa udara yang naik. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa pada pukul UTC dapat dilihat adanya sirkulasi angin laut di daerah pesisir utara dan selatan Pulau Bali. Lapisan RH yang terbentuk pada tanggal ini cukup tebal (sampai dengan lapisan 550 hpa, yang dapat diartikan bahwa lapisan awannya cukup tebal juga. Gambar 3.5 Peta spasial vertikal irisan melintang RH di-overlay dengan streamline angin untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Sedangkan untuk pukul dan UTC, lapisan RH tinggi di Pulau Bali sendiri terpisah, hal ini dapat menjadi terbentuk dua lapisan awan di atas Pulau Bali dan tidak membentuk awan tinggi. Gambar 3.6 Peta spasial vertikal irisan membujur RH di-overlay dengan streamline angin untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Gambar 3.7 Peta spasial vertikal irisan membujur RH di-overlay dengan streamline angin untuk tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Sedangkan untuk Gambar 3.6 dan 3.7 di atas merupakan gambaran irisan membujur untuk parameter RH dan angin per lapisan untuk tanggal 20 Februari Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa dari pukul

7 UTC, sudah terdapat lapisan RH tinggi yang cukup tebal yang terbentuk dari lapisan 1000 hpa sampai dengan 500 hpa. Arah angin per lapisan sendiri secara umum berasal dari arah pesisir barat. Pola angin yang tidak beraturan mulai muncul pada pukul UTC. pulau Bali dibandingkan dengan di pesisir barat. Gambar 3.8 Penampang spasial vertikal irisan melintang untuk parameter CAPE tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Gambar 3.9 Penampang spasial vertikal irisan melintang untuk parameter CAPE tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC dan pukul UTC. Pada gambar 3.7, nilai CAPE yang terbentuk di daerah pesisir selatan lebih tinggi daripada nilai CAPE yang terbentuk di pesisir utara sehingga dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa potensi terjadinya proses konvektif lebih besar terjadi di daerah pesisir selatan pulau Bali dibandingkan dengan di pesisir utara. Jika dilihat dari arah anginnya, maka potensi kejadian angin laut pada tanggal 20 Februari 2015 terjadi mulai pukul UTC pada lapisan 1000 hpa 950 hpa. Pada gambar 3.8, nilai CAPE yang terbentuk di daerah pesisir timur lebih tinggi daripada nilai CAPE yang terbentuk di pesisir barat sehingga dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa potensi terjadinya proses konvektif lebih besar terjadi di daerah pesisir timur (c) (d) Gambar 3.8 Penampang spasial vertikal irisan membujur untuk parameter CAPE tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC, pukul UTC, (c) pukul UTC, dan (d) pukul UTC. Apabila diperbandingkan dengan keluaran parameter RH, maka dapat dilihat kedua keluaran ini saling mendukung dalam memprediksi potensi keberadaan awan, di mana karena nilai CAPE yang tinggi di pesisir barat menyebabkan adanya potensi energi konvektif yang besar sehingga kemungkinan pembentukan awan konvektif cukup besar. Sedangkan parameter RH menunjukkan ada potensi keberadaan awan karena kadar RH yang tinggi. Akan tetapi apabila dikaitkan dengan keberadaan sirkulasi angin laut, maka angin laut tidak begitu memiliki pengaruh yang besar terhadap keberadaan awan konvektif di mana ada faktor lain yang lebih mendukung pembentukan awan konvektif itu sendiri seperti nilai CAPE yang tinggi dan kelembapan yang berkisar di atas 70% Validasi Validasi dilakukan dengan menggunakan dua metode, yaitu validasi kualitatif dan kuantitatif. Validasi kualitatif dilakukan dengan menggunakan metode FSS yaitu 15

8 dengan membandingkan jumlah domain yang sama (dalam hal ini tutupan awan) antara citra satelit kanal WV dengan hasil keluaran WRF. Validasi kuantitatif dilakukan dengan menggunakan perhitungan RMSE dan koefisien korelasi. FSS sebesar 0,33 (42 domain sama dari 126 domain). Sedangkan nilai FSS terendah pada pukul UTC dengan nilai 0,03 (4 domain sama dari 126 domain. Hasil validasi kualitatif dengan menggunakan FSS menghasilkan nilai FSS tertinggi terdapat pada pukul UTC dengan nilai (c) (d) Gambar 3.9 Citra satelit MTSAT kanal WV tanggal 20 Februari 2015 pukul UTC, pukul UTC, (c) pukul UTC, dan (d) pukul UTC. 16

9 Hasil perbandingan antara keluaran WRF dengan citra satelit kanal WV adalah dapat dilihat bahwa simulasi kadar uap air yang direpresentasikan dengan parameter RH cukup mampu menggambarkan keadaan atmosfer sebenarnya dalam tampilan spasialnya. Dapat dilihat bahwa pada pukul UTC dan UTC terdapat kadar uap air yang cukup banyak di atmosfer baik dilihat dari satelit maupun WRF. Namun apabila dilihat kembali pada nilai FSS yang hanya mencapai nilai maksimal 0,33, maka dapat dikatakan bahwa keluaran model WRF belum mampu menggambarkan keadaan atmosfer sebenarnya. Kemampuan simulasi WRF juga dapat dilihat dari nilai RMSE dan koefisien korelasi yang dihasilkan. Nilai RMSE yang dihasilkan untuk parameter RH dan kecepatan angin masingmasing adalah 6,21 dan 6,54, sedangkan nilai koefisien korelasi yang dihasilkan masingmasing adalah 0,17 dan 0,33. Hasil keluaran model dinyatakan baik apabila nilai RMSE semakin kecil (mendekati nol) dan nilai koefisien korelasi mendekati +1 (menunjukkan adanya korelasi/hubungan kuat yang memiliki kesamaan pola). Dengan meninjau nilai RMSE dan koefisien korelasi yang masih tergolong rendah tersebut, maka dapat dikatakan bahwa keluaran model WRF masih belum mampu menggambarkan keadaan atmosfer sebenarnya. 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang dapat ditarik dari tulisan ini adalah sebagai berikut : 1. Dari hasil simulasi yang dilakukan WRF maka dapat dilihat bahwa terjadi pola angin laut terjadi di Pulau Bali pada kisaran pukul UTC (14.00 WITA) untuk lapisan 1000 hpa sampai dengan lapisan 950 hpa. 2. Terdapat potensi pembentukan awan konvektif yang tinggi melihat besaran nilai CAPE yang mencapai nilai di atas 2000 J/kg untuk tiap tanggal yang disimulasikan. 3. Pola pembentukan awan konvektif yang terlihat dalam simulasi tidak terlalu dipengaruhi oleh angin laut melihat jam aktif angin laut. 4. Perbandingan keluaran WRF dengan skema yang digunakan menghasilkan hasil yang cukup representatif terhadap keadaan atmosfer apabila dilihat secara spasial. Akan tetapi apabila dilihat secara time series, keluaran WRF belum mampu merepresentasikan keadaan atmosfer sebenarnya DAFTAR PUSTAKA Aldrian, E Meteorologi Laut Indonesia. Jakarta : Penerbit BMG. Fauziah, A Simulasi Kejadian Hujan Lebat di Bandara Internasional Lombok dengan Model WRF-ARW (Studi Kasus tanggal 4-5 Desember 2013). Diterbitkan di Megasains vol. 5 no. 1 April Holton, J. R An Introduction to Dynamic Meteorology. London : Elsevier Academic Press. Hong, S. Y., dan Lim The WRF Single- Moment 6-Class Microphysics Scheme (WSM6). Journal of the Korean Meteorological Society, 42, 2, halaman Inoue, T., dan H. Kamahori, Statistical Relationship between ISCCP Cloud Type and Vertical Relative Humidity Profile. Jepang : Meteorological Research Institute. Kain, J. S The Kain-Fritsch Convective Parameterization : An Update. Journal of Applied Meteorology. Listiaji, Eko Simulasi Curah Hujan di Atas Pulau Lombok Studi Kasus Bulan Januari Bandung : ITB. Mesoscale and Microscale Meteorology Division ARW Users Guide. National Center for Atmospheric Research. Skamarock, W.C., J. B. Klemp, dan J. Dudhia Prototypes for the WRF (Weather Research and Forecasting) Model. Colorado : National Center for Atmospheric Research. Skamarock, W. C., J. B. Klemp, J. Dudhia, D. O. Gill, D. M. Baker, W. Wang, dan J.G. Powers, A Description of The Advanced Research WRF version 2, NCAR Technical Note. Tjasyono, Bayong Meteorologi Indonesia II : Awan dan Hujan Monsoon. Jakarta : Penerbit BMG. Wirjohamidjojo, S Identifikasi dan Karakteristik Awan Kawasan Tropik Khatulistiwa. Jakarta : BMG. 17