ANALISIS VERTICAL WIND SHEAR DAN BUOYANCY TERHADAP PERTUMBUHAN AWAN CUMULONIMBUS DI STASIUN METEOROLOGI JUANDA SURABAYA

Transkripsi

1 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17 ANALISIS VERTICAL WIND SHEAR DAN BUOYANCY TERHADAP PERTUMBUHAN AWAN CUMULONIMBUS DI STASIUN METEOROLOGI JUANDA SURABAYA Achmad Zakir, Oky Sukma Hakim Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta * ABSTRAK Vertical wind shear dan buoyancy adalah faktor ilmiah meteorologi yang terkait dengan pertumbuhan awan konvektif seperti awan cumulonimbus, jenis awan ini umumnya membahayakan khususnya bagi keselamatanpenerbangan. Vertical wind shear diidentifikasi pada lapisan atas dan lapisan bawah yang dikorelasikan dengan pertumbuhan awan Cumulonimbus kemudian disimulasikan dengan dengan menggunakan data hasil olahan citra radar. Untuk menggetahui keterkaitan antara vertical wind shear dan buoyancy terhadap pertumbuhan awan Cumulonimbus dilakukan penelitian pada tahun 1 di stasiun meterorologi Juanda Surabaya.. Hasil penelitian ini menunjukan hubungan vertical wind shear dan buoyancy terhadap pertumbuhan awan Cumulonimbus adalah linear positif. Hasil kombinasi vertical wind shear dan buoyancy memberikan hubungan yang lebih baik terhadap pertumbuhan awan Cumulonimbus. Identifikasi secara spasial menunjukan vertical wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus terbentuk pada lokasi yang presisi, dengan kenaikan intensitas yang sebanding. Kata kunci :Vertical Wind Shear, Buoyancy, Cumulonimbus ABSTRACT Vertical wind shear and buoyancy is meteorological factor related closely with convective cloud development, i.e. Cumulonimbus, which is in general, dangerous for flight safety. Vertical wind shear identified on upper and lower level atmosphere correlated with Cumulonimbus development and simulated using radar data. To understand the connection between vertical wind shear and buoyancy to Cumulonimbus development, study on Juanda, Surabaya for 1 has been carried out. The study find out that there is a positively linear correlation between combination of vertical wind shear and bouyancy to Cb development. Spatial identification shows a presition location of vertical wind shear and the location Cb development, with proportional intensity escalation. Keywords :Vertical Wind Shear, Buoyancy, Cumulonimbus 1. PENDAHULUAN Vertical wind shear merupakan factor cuaca yang perubahan kecepatan angin secara vertical. Vertical wind shear tersebut dapat membahayakan bagi keselatan penerbangan karena dapat terjadi kapan saja baik saat cuaca cerah maupun cuaca buruk. Vertical wind sherini juga merupakan sebagai variasi lokal dari vektor angin atau komponen dalam arah tertentu (Glickman, ). Vertical wind shear cenderung menekan perkembangan konveksi di bidang sejajar angin vertikal (Asai, 19). Konsep vertical shear dari angin horizontal memberikan kontribusi terhadap masa hidup dan intensitas badai (Cotton, 11). Jadi semakin besar nilai vertical wind shear maka semakin kuat intensitas badai dari pertumbuhan awan Cumulonimbus. Chaudhari, dkk. (1) mendefinisikan arti Low Level Vertical Wind Shear (LLWS) per km sebagai rata-rata angin geser vertikal di semua lapisan antara permukaan dan 7 hpa. Sedangkan Upper Level wind Shear (ULWS) per km sebagai rata-rata angin geser vertikal di semua lapisan antara 5 dan hpa. Buoyancy merupakan penjumlahan dari CAPE dan CIN, dimana Convective Available Potential Energy (CAPE) menggambarkan potensi ketersediaan buoyancy untuk menaikan parsel udara ideal dan merupakan tanda ketidakstabilan troposfer (Blanchard, 1

2 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret ). Sementara itu, Convective Inhibition (CIN) menggambarkan faktor penghambat, yang mana dapat menghalangi konveksi walaupun nilai CAPE sangat tinggi (Riemann- Campe, dkk., 9). Weisman dan Klemp (191) menyimpulkan untuk sejumlah buoyancy yang ditetapkan, shear lemah menghasilkan short-lived single cell. Kemudian, low to moderate shear menghasilkan perkembangan yang mirip terhadap multicell. Sementara itu, moderate to high shear menghasilkan badai yang ekuivalen terhadap supercell. Pada Leftmoving supercells umumnya menunjukkan belokan vektor shear yang kurang dan kelengkungan kecil dibandingkan dengan right-moving supercells yang lebih dominan (Bunkers, 1). Analisis radar Triple-Doppler oleh Robert E. Peterson, Jr. (19) untuk badai konvektif multicell, menunjukan vertical wind shear lapisan rendah sampai lapisan tengah yang searah, mendukung untuk lingkungan pertumbuhan badai. Sementara itu, investigasi radar Dual-Doppler terhadap transisi dari multicell ke Supercell oleh Peter S. Ray (195) memperlihatkankan mekanisme umpan balik badai dengan lingkungan. Interaksi updraft-downdraft dalam hubungannya dengan meningkatnya lingkungan vertical wind shear dan buoyancy, dianggap sebagai faktor terhadap peningkatan ukuran dan intensitas sel, serta arus naik. jika hanya leftmoving supercells yang terjadi, vertikal wind shear lapisan tebal relatif lebih lemah dibandingkan lingkungan right-moving supercell, dan vektor shear lapisan rendah menunjukkan beberapa kelengkungan berlawanan jarum jam (Bunkers, 1).. DATA DAN METODE Data yang digunakan dalam penelitian ini yaitu data hasil pengamatan radiosonde, jenis awan rendah dari pelaporan METAR, serta data citra radar, pada data citra radar dipergunakan untuk memastikan adanya pertumbuhan dari awan Cumulonimbus. Daerah yang menjadi penelitian yaitu kota Surabaya, dimana titik penelitian yang diambil adalah Stasiun Meteorologi Klas I Juanda Surabaya. Adapun pemilihan waktu yang akan diteliti adalah sepanjang tahun 1. Gambar 1. Titik Pelepasan Radiosonde dan Pengamatan Udara Permukaan Pengolahan data pengamatan udara atas dilakukan untuk memperoleh nilai vertical wind shear dan indeks labilitas. Nilai vertical wind shear diperoleh dari pengolahan data arah dan kecepatan angin lapisan udara atas, menggunakan persamaan berikut : Keterangan : (.1) = vertical wind shear antara lapisan yang lebih rendah (1) dan lapisan yang lebih tinggi () dan = komponen angin zonal pada lapisan (1) dan () dan = komponen angin meridional pada lapisan (1) dan () dan = ketinggian lapisan (1) dan () Sementara itu, buoyancy diperoleh dari penjumlahan CAPE dan CIN dari pengolahan data radiosonde menggunakan aplikasi RAOB. Selanjutnya dari data pengamatan udara pemukaan diperoleh masa pertumbuhan awan Cumulonimbus. Data citra radar yang diolah menggunakan aplikasi Rainbow digunakan untuk melihat secara spasial nilai vertical wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus. Setelah pengolahan data, dilakukan analisis pola dan korelasi nilai vertical wind shear terhadap masa pertumbuhan awan Cumulonimbus. Kemudian pada nilai vertical wind shear yang tinggi, dilakukan simulasi

3 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17 perkembangan pertumbuhan awan Cumulonimbus dengan menggunakan aplikasi Rainbow. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Analisis Vertical Wind Shear Gambar. Pola Vertical Wind Shear Sepanjang Tahun 1 pada Jam UTC dan Jam UTC Berdasarkan analisis dari gambar, rata-rata nilai vertical wind shear baik pada lapisan bawah maupun lapisan atas relatif berintensitas lemah. Nilai maksimum vertical wind shear saat jam UTC dan UTC baik pada lapisan bawah maupun lapisan atas berada pada kategori high shear. Umumnya nilai maksimum berada pada range.5 sampai., kecuali nilai maksimum low level wind shear pada jam UTC, yang mencapai.9. Sementara itu, nilai minimum vertical wind shear pada jam UTC dan UTC baik pada lapisan bawah maupun lapisan atas, terdapat satu kejadian tanpa adanya shear sama sekali atau yang bernilai, kecuali upper level wind shear pada jam UTC yang selalu memiliki nilai shear sepanjang 1. Pola gambar grafik vertical wind shear sepanjang tahun 1 terlihat membentuk pola sinusoidal. Pola ini memiliki dua fase puncak maksimum dan satu atau dua fase puncak minimum. Fase puncak maksimum pertama pada bulan Januari sampai Februari dan fase puncak maksimum kedua pada bulan Agustus untuk lapisan atas, sedangkan bulan Oktober untuk lapisan bawah. Lapisan bawah hanya memiliki satu fase puncak minimum pada bulan Mei, sedangkan lapisan atas memiliki dua fase puncak minimum pada bulan April dan November. Pola pertumbuhan awan Cumulonimbus pada bulan awal tahun 1 pertumbuhan awan Cumulonimbus sudah mulai intens, khususnya diantara jam sampai UTC. Kemudian, pada bulan Februari sampai Mei pertumbuhan awan Cumulonimbus menjadi sangat intens baik diantara jam sampai UTC dan diantara jam sampai UTC. Sementara itu, pada bulan Juni menjadi masa transisi dimana intensitas pertumbuhan awan Cumulonimbus berkurang. Selanjutnya, pada bulan Juli sampai Oktober pertumbuhan awan Cumulonimbus menjadi sangat kurang intens, khususnya pada bulan September yang tidak ada pertumbuhan awan Cumulonimbus sama sekali. Akhir tahun 1 pada bulan November dan Desember, pertumbuhan awan Cumulonimbus kembali meningkat. Nilai vertical wind shear yang terletak pada nilai negatif dari gambar 3 dan, menunjukan jenis vertical wind shear yang adalah vertical wind shear dengan nilai kecepatan angin pada lapisan atas lebih besar. Sebaliknya, nilai vertical wind shear yang positif, menunjukan kecepatan angin di lapisan bawah lebih besar daripada lapisan atas. Pada jam UTC, Low level wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus memiliki nilai korelasi yang positif, yaitu.. Kemudian, untuk Upper level wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus memiliki nilai korelasi yang positif namun sangat kecil, sebesar.. Sementara itu pada jam UTC, Low level wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus juga memiliki nilai korelasi yang positif, yaitu.9. Selanjutnya, Upper level wind shear dan pertumbuhan awan 3

4 Pertumbuhan Cumulonimbus (jam) Pertumbuhan Cumulonimbus (jam) Pertumbuhan Cumulonimbus (jam) Pertumbuhan Cumulonimbus (jam) Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17 Cumulonimbus memiliki nilai korelasi yang positif namun juga kecil, yaitu Hubungan LLWS dan Pertumbuhan Cumulonimbus Jam UTC LLWS (per secon).. Hubungan ULWS dan Pertumbuhan Cumulonimbus Jam UTC. Dari analisis gambar 3 dan gambar disimpulkan antara kertakaitan hubungan vertical wind shear terhadap pertumbuhan awan Cumulonimbus. Pertama, nilai vertical wind shear saat pertumbuhan awan Cumulonimbus lebih berkosentrasi pada lapisan bawah yang negatif dengan kategori low. Kedua, nilai vertical wind shear memiliki hubungan yang linear positif dengan pertumbuhan awan Cumulonimbus. Ketiga, hubungan antara low level wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus lebih kuat daripada hubungan antara upper level wind shear dan pertumbuhan awan Cumulonimbus yang sangat lemah. Keempat, nilai low level wind shear positif juga memiliki hubungan yang linear positif dengan pertumbuhan awan Cumulonimbus. Jadi, semakin besar ke arah positif untuk nilai vertical wind shear khususnya pada lapisan bawah, maka semakin besar pertumbuhan awan Cumulonimbus ULWS (per secon) Gambar 3. Hubungan Vertical Wind Shear dan Pertumbuhan Awan Cumulonimbus pada jam UTC di Lapisan Bawah Lapisan Atas LLWS (per secon).5 Hubungan LLWS dan Pertumbuhan Cumulonimbus Jam UTC Analisis Buoyancy Berdasarkan analisis dari gambar 5, terlihat pola grafik buoyancy sepanjang tahun 1 membentuk pola sinusoidal. Pola ini memiliki dua fase puncak maksimum dan satu fase puncak minimum baik pada jam UTC maupun jam UTC. Fase puncak maksimum pertama pada antara bulan April sampai Mei dan fase puncak maksimum kedua pada bulan Desember. Sementara itu, fase puncak minimum terjadi pada bulan September. Pola buoyancy ini selaras dengan pertumbuhan awan Cumulonimbus. Semakin besar nilai buoyancy, maka semakin lama masa pertumbuhan awan Cumulonimbus. Hubungan ULWS dan Pertumbuhan Cumulonimbus Jam UTC ULWS (per secon) Gambar. Hubungan Vertical Wind Shear dan Pertumbuhan Awan Cumulonimbus pada jam UTC di Lapisan Bawah Lapisan Atas..

5 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17 Hubungan LLWS dan Buoyancy terhadap Pertumbuhan CB Jam UTC Pertumbuhan CB (jam) Gambar 5. Pola Buoyancy Sepanjang Tahun 1 pada Jam UTC dan Jam UTC LLWS (per secon). 3 1 Buoyancy (J/kg) Pada bulan Januari sampai bulan Mei, nilai buoyancy relatif berada pada kisaran nilai 1 5 J/kg, yang mengindikasikan konvektif sedang. Pada rentang tersebut pertumbuhan awan Cumulonimbus sangat intens. Selanjutnya, pada bulan Juni intensitasnya melemah. Kemudian pada bulan Juli sampai bulan Oktober, nilai buoyancy relative berada pada kisaran nilai < 1 J/kg, yang mengindikasikan konvektif lemah. Pada rentang bulan tersebut pertumbuhan awan Cumulonimbus sangat jarang terjadi. Setelah itu, pada bulan November nilai buoyancy menguat dan pada bulan Desember kembali berada pada kisaran nilai 1 5 J/kg, serta pertumbuhan awan Cumulonimbus kembali intens. 3.3 Analisis Vertical Wind Shear dan Buoyancy terhadap Pertumbuhan Awan Cumulonimbus Berdasarkan Gambar, diambil nilai ambang batas baik di jam UTC maupun di jam UTC, pertumbuhan awan Cumulonimbus terjadi pada nilai vertical wind shear -. dan buoyancy 5 J/kg. Namun, nilai buoyancy lebih mendominasi daripada nilai low level wind shear tetapi keduanya samasama saling mendukung terhadap pertumbuhan awan Cumulonimbus. Jadi, semakin besar kombinasi nilai vertical wind shear dan buoyancy semakin besar pula nilai pertumbuhan awan Cumulonimbus. Pertumbuhan CB (jam) LLWS (per secon). Hubungan LLWS dan Buoyancy terhadap Pertumbuhan CB Jam UTC Gambar. Hubungan Low Level Wind Shear dan Bouyancy Terhadap Pertumbuhan Awan Cumulonimbus Jam UTC Jam UTC Dari analisis gambar dapat disimpulkan dalam bentuk tabel 1. Nilai ambang batas low level wind shear negatif semakin kecil, maka buoyancy yang dibutuhkan juga semakin kecil untuk masa pertumbuhan awan Cumulonimbus yang panjang. Sebaliknya untuk low level wind shear positif, semakin besar nilai ambang batasnya, maka semakin kecil buoyancy yang dibutuhkan untuk masa pertumbuhan awan Cumulonimbus yang panjang..3 1 Buoyancy (J/kg) 5

6 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17 Tabel 1. Kombinasi Nilai Ambang Batas antara Low Level Wind Shear dan Buoyancy terhadap Pertumbuhan Awan Cumulonimbus > 9 Jam LLWS (-) ( ) Buoyancy (J/kg) LLWS (+) ( ) Buoyancy (J/kg) < -.3 > s/d.1 >1 -.3 s/d -. >7.1 s/d. >13 -. s/d -.1 >. s/d.3 >9 -.1 s/d 5 3. Analisis Citra Radar terhadap Pertumbuhan Awan Cumulonimbus Pada studi kasus tanggal April 1 antara jam sampai UTC, dari analisis radar terlihat pertumbuhan sel awan dan vertical wind shear terbentuk pada lokasi yang presisi dan intensitas yang sebanding. Pada analisis kedua belas pertumbuhan sel badai diatas, yang terangkum dalam table, terlihat bahwa pada tahap awal pertumbuhun atau cumulus, nilai vertical wind shear berada pada range 1. sampai 3.5 m/s/km. Kemudian puncak tahap matang sel badai mencapai nilai reflektivitas maksimum 53.5 dbz dan nilai vertical wind shear maksimum berada pada range 3 sampai 3.5 m/s/km. Nilai reflektivitas tertinggi terdapat pada sel badai ketiga dengan nilai reflektivitas maksimum mencapai dbz. Range tertinggi nilai vertical wind shear maksimum baik pada tahap cumulus dan puncak tahap matang dengan nilai 3.3 sampai 3.5 m/s/km terdapat pada sel awan badai keduabelas. Masa hidup badai terlama terdapat pada sel awan badai kelima dengan lama masa hidup jam 5 menit. Pada studi kasus tanggal 1 Januari 1 antara jam sampai UTC, dari analisis radar terlihat pertumbuhan sel awan dan vertical wind shear terbentuk pada lokasi yang presisi, serta intensitas yang sebanding. Pada analisis kelima pertumbuhan sel badai diatas terlihat bahwa pada tahap awal pertumbuhun atau cumulus, nilai vertical wind shear berada pada range sampai 3.3 m/s/km. Kemudian puncak tahap matang sel badai mencapai nilai reflektivitas maksimum 5 dbz dan nilai vertical wind shear maksimum berada pada range.5 sampai 3.5 m/s/km. Nilai reflektivitas tertinggi terdapat pada sel badai ketiga dan keempat dengan nilai reflektivitas maksimum mencapai 57 dbz. Range tertinggi nilai vertical wind shear maksimum pada puncak tahap matang dengan nilai 3.3 sampai 3.5 m/s/km terdapat pada sel awan badai kelima. Masa hidup badai terlama terdapat pada sel awan badai keempat dengan lama masa hidup 3 jam 3 menit. Tabel. Ringkasan Pertumbuhan Sel Badai dari Pantauan Citra Radar Cuaca Surabaya pada April 1 jam sampai UTC Vertical Waktu Masa Reflektifitas Puncak Sel Posisi dari Jumlah Wind Tumbuh Hidup Maksimum Awan Badai Radar (km) Sel Max Shear Max (WIB) (Jam) (dbz) (km) (m/s/km) U TL. 3 5 > U TL > S > TG > B > BD > T > S 9. > > U > BD 1.5 > >

7 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17 Tabel 3. Ringkasan Pertumbuhan Sel Badai dari Pantauan Citra Radar Cuaca Surabaya pada 1 Januari 1 jam sampai UTC Vertical Waktu Masa Reflektifitas Puncak Sel Posisi dari Jumlah Wind Tumbuh Hidup Maksimum Awan Badai Radar (km) Sel Max Shear Max (WIB) (Jam) (dbz) (km) (m/s/km) BD B U BD > BD > KESIMPULAN Berdasarkan hasil dan pembahasan penelitian ini diperoleh beberapa kesimpulan bahwa : 1. Pola vertical wind shear pada tahun 1 pada lapisan rendah memiliki dua puncak nilai maksimum (Januari dan Oktober) dan satu puncak nilai minimum (Mei), sedangkan pada lapisan tinggi memiliki dua puncak nilai maksimum (Januari dan Agustus) dan dua puncak nilai minimum (April dan November).. Hubungan vertical wind shear pada lapisan rendah dan buoyancy terhadap pertumbuhan awan Cumulonimbus memiliki hubungan yang linear positif, serta kombinasi vertical wind shear dan buoyancy memberikan hubungan yang lebih baik. 3. Analisis secara spasial menunjukan pertumbuhan sel awan badai dan lingkungan vertical wind shear terbentuk pada lokasi yang presisi, dengan kenaikan intensitas yang sebanding. DAFTAR PUSTAKA Asai, T. 19. Cumulus Convection in the Atmosphere with Vertical Wind Shear: Numerical Experiment. Journal of the Meteorological Society Vol.. Meteorological Research Institute, Japan. Blanchard, D. O Assessing the Vertical Distribution of Convective Available Potential Energy. Journal of Weather and Forecasting Vol. 13. NOAA/National Severe Storms Laboratory, Boulder. Bunkers, M. J. 1. Vertical Wind Shear Associated with Left-Moving Supercells. Journal of Weather and Forecasting Vol. 17. NOAA/NWS Weather Forecast Office, Rapid City. Chaudhari, H. S., Sawaisarje, G. K., Ranalkar, M. R., dan P. N. Sen. 1. Thunderstorms over a Tropical Indian Station, Minicoy: Role of Vertical Wind Shear. Journal of Earth System Science Vol Indian Academy of Sciences, India. Cotton, W. R., Bryan, G. dan S. van den Heever. 11. Storm and Cloud Dynamics. Edisi Kedua. Elsevier, San Diego. Glickman, T. S.. Glossary of Meteorology. Edisi Kedua. American Meteorological Society, Washington, DC. Peterson, R. E. 19. A Triple-Doppler Radar Analysis of a Discretely Propagating Multicell Convective Storm. Journal of The Atmospheric Sciences Vol. 1. University of Chicago, Chicago. Ray, P. S An Investigation of the Transition from Multicell to Supercell Storms. Journal of Climate and Applied Meteorology Vol. 5. Florida State University, Tallahasee. Riemann-Campe, K., Fraedrich, K., dan F. Lunkeit.. Global Climatology of Convective Available Potential Energy (CAPE) and Convective Inhibition (CIN) in ERA- reanalysis. Journal of Atmospheric Research Vol. 93. Universität Hamburg, Hamburg. Weisman, M. L., dan Klemp, J. B. 19. The Dependence of Numerically Simulated Convective Storms on Vertical Wind Shear and Buoyancy. Journal of The Atmospheric Sciences Vol. 11. National Center of Atmospheric Research, Boulder. 7

8 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. No.1, Maret 17