KAJIAN KORELASI RAIN-RATES DAN TEMPERATUR PUNCAK AWAN DALAM ESTIMASI CURAH HUJAN DENGAN MENGGUNAKAN DATA SATELIT GEOSTASIONER DAN TRMM (TROPICAL RAINFALL MEASURING MISSION) TUGAS AKHIR Disusun untuk Memenuhi Syarat Kurikuler Program Sarjana di Program Studi Meteorologi oleh : M. RIDHO SYAHPUTRA (10801006) PROGRAM STUDI METEOROLOGI FAKULTAS ILMU DAN TEKNOLOGI KEBUMIAN INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2 0 0 8
LEMBAR PENGESAHAN Bandung, Juni 2008 Telah diperiksa dan disetujui oleh : Pembimbing Dr. Tri Wahyu Hadi NIP. 13204567
Tidakkah kamu melihat bahwa Allah mengarak awan, kemudian mengumpulkan antara (bagian-bagian) nya, kemudian menjadikannya bertindih-tindih, maka kelihatanlah olehmu hujan keluar dari celah-celahnya dan Allah (juga) menurunkan (butiran-butiran) es dari langit, (yaitu) dari (gumpalan-gumpalan awan seperti) gunung-gunung, maka ditimpakan-nya (butiran-butiran) es itu kepada siapa yang dikehendaki-nya dan dipalingkan-nya dari siapa yang dikehendaki-nya. Kilauan kilat awan itu hampir-hampir menghilangkan penglihatan. Sura An-Nur [24:43-43] Teriring rasa syukur kepada-mu ya Allah, Kupersembahkan karya ini untuk Ayah dan Bunda, Adik dan Kakakku, dan si kecil Ayyash... Dan semua sahabat-sahabatku... Semoga dapat bermanfaat dalam kehidupan yang akan datang
KAJIAN KORELASI RAIN-RATES DAN TEMPERATUR PUNCAK AWAN DALAM ESTIMASI CURAH HUJAN DENGAN MENGGUNAKAN DATA SATELIT GEOSTASIONER DAN TRMM (TROPICAL RAINFALL MEASURING MISSION) ABSTRAK Kajian ini terutama bertujuan untuk merancang sistem monitoring curah hujan secara near real time dengan menggunakan metode estimasi curah hujan memanfaatkan data satelit MTSAT kanal IR1. Metode estimasi yang digunakan adalah metode CST (Convective Stratiform Technique). Dari beberapa literature, diperoleh informasi bahwa terdapat perbedaan dalam penentuan rain rate untuk metode CST. Maka dari itu, kajian ini pertama akan mencoba mengevaluasi beberapa persamaan rain rate yang telah digunakan. Perbandingan dengan data curah hujan pengamatan menunjukkan bahwa estimasi dengan mengggunakan persamaan rain rate Vicente memberikan korelasi yang paling baik, sebesar 0,21 untuk estimasi harian dan 0,57 untuk estimasi lima harian. Selanjutnya dilakukan kajian untuk menemukan persamaan rain rate yang lebih tepat untuk wilayah Indonesia dengan memanfaatkan pasangan data temperature puncak awan (T BB ) dari MTSAT IR1 dan rain rate dari TRMM PR (Tropical Rainfall Monitoring Mission Precipitation Radar). Berdasarkan metoda Vicente, persamaan rain rate dapat diperoleh dari korelasi antara T BB dan rain rate. Akan tetapi, hasil plotting kedua pasangan data tersebut ternyata tidak dapat menunjukkan pola yang diharapkan, sehingga persamaan yang dicari tidak dapat ditentukan. Akhirnya diputuskan untuk menggunakan persamaan rain rate Vicente di dalam metode CST untuk monitoring curah hujan di wilayah Indonesia. Hasil studi beberapa kasus ekstrim membuktikan bahwa estimasi curah hujan dengan metode CST menggunakan persamaan rain rate Vicente, ternyata mampu menunjukkan kejadian hujan ekstrim secara kualitatif dengan cukup tepat. Kata Kunci: estimasi curah hujan, CST, MTSAT, TRMM, PR, rain rate, sistem monitoring, temperatur puncak awan i
RAIN RATES AND CLOUD TOP TEMPERATURE RELATION ON RAINFALL ESTIMATION USING GEOSTATIONARY AND TRMM (TROPICAL RAINFALL MEASURING MISSION) SATELLITE DATA ABSTRACT This study primary aim is to design a near real-time rainfall monitoring system in Indonesian region based on CST (Convective Stratiform Technique) rainfall estimation technique, by using satellite infrared (IR) data from MTSAT IR-1 channel. Other studies had shown some differences in their methods of defining rain rate. So, first we evaluate those methods by comparing their estimation result with a ground-truth rainfall data during December 2006 to February 2007. It shows that rainfall estimation using Vicente equation has better correlations, which are 0.21 for daily accumulated rainfall, and 0.57 for five-day accumulated rainfall. Next, this study focuses on finding a new equation based on Vicente method by using a pair of cloud top temperature (T BB ) data derived from MTSAT IR-1 and rain rate data from TRMM-PR (Tropical Rainfall Monitoring Mission Precipitation Radar) under December 2006 to December 2007 time interval. Unfortunately, the pattern found by plotting those data is not adequately suitable by statistical standard to form a regression equation. In the end, it is decided to use Vicente equation for rainfall estimation in Indonesia. Some extreme rainfall cases analysis also presented in this paper proves that rainfall estimation based on CST technique shows qualitatively sophisticated rainfall estimation during extreme rainfall cases in Indonesian region, in a grade that the technique can be applied on an operational rainfall monitoring system. Keywords: rainfall estimation, CST, MTSAT, TRMM-PR, rain rate, cloud top temperature ii
KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena berkat bimbingan dan perlindungan-nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan tepat waktu. Tugas Akhir dengan judul Kajian Korelasi Rain-Rates dan Temperatur Puncak Awan Dalam Estimasi Curah Hujan Dengan Menggunakan Data Satelit Geostasioner dan Trmm (Tropical Rainfall Measuring Mission) ini disusun untuk memenuhi syarat kurikuler Program Sarjana Program Studi Meteorologi, Institut Teknologi Bandung. Banyak kendala yang terjadi dalam proses pengerjaan tugas akhir ini namun semuanya dapat terselesaikan dengan baik pada akhirnya. Setiap kendala pasti ada jalan keluarnya dan di setiap kendala juga terdapat pelajaran berharga yang berarti. Banyak bantuan, bimbingan, kritik dan saran yang telah diterima penulis selama penyusunan Tugas Akhir ini. Pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Dr. Tri Wahyu Hadi selaku pembimbing yang telah meluangkan waktu untuk memberikan bimbingan serta saran ditengah-tengah kesibukannya selama penulis menyelesaikan tugas akhir ini. 2. Staf dosen Program Studi Meteorologi yang telah memberikan tambahan ilmu selama penulis menempuh pendidikan Program Sarjana. 3. Seluruh karyawan ex-departemen GM atas bantuan administrasi yang diberikan. 4. Keluarga tercinta, Ayah dan Bunda yang selalu berdoa dan memberikan perhatian dengan kasih sayangnya yang tak terbatas. Kakak dan adikku, yang selalu memberikan semangat untuk menyelesaikan Program Sarjana ini. 5. Semua pihak yang telah membantu penulis selama ini. iii
Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam tugas akhir ini. Oleh karena itu penulis selalu terbuka pada saran-saran yang dapat menyempurnakan penulisan tugas akhir ini. Terakhir kali penulis berharap agar tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Bandung, Juni 2008 Penulis (M. Ridho Syahputra) iv
DAFTAR ISI ABSTRAK... I ABSTRACT... II KATA PENGANTAR... III DAFTAR ISI. V DAFTAR GAMBAR VII DAFTAR TABEL. IX DAFTAR SINGKATAN... X BAB I PENDAHULUAN. 1-1 1.1 Latar Belakang 1-1 1.2 Pernyataan Masalah 1-2 1.3 Tujuan. 1-2 1.4 Batasan Masalah... 1-2 1.5 Sistematika Pembahasan... 1-3 BAB II TEORI DASAR... 2-1 2.1 Awan Konvektif.... 2-1 2.2 Satelit Meteorologi. 2-3 2.2.1 Instrumen remote sensing satelit meteorologi... 2-5 2.2.2 Multi-Functional Transport Satellite (MTSAT) 2-5 2.2.3 Satelit TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission). 2-7 2.3 Estimasi Curah Hujan Dengan Metode CST (Convective Stratiform Technique).. 2-8 BAB III DATA DAN METODOLOGI. 3-1 3.1 Data. 3-1 3.2 Pengolahan Data. 3-1 3.2.1 Evaluasi persamaan rain rate 3-1 3.2.1.1 Konversi data IR menjadi temperatur puncak awan. 3-2 3.2.1.2 Metode Convective Stratiform Technique (CST).. 3-2 3.2.2 Mencari persamaan rain rate sebagai fungsi dari T BB (RR=f(T BB )) untuk wilayah Indonesia. 3-4 3.2.2.1 Cropping data TRMM dan downsampling data MTSAT.. 3-6 v
3.2.2.2 Identifikasi inti konvektif. 3-7 3.3 Diagram Alir... 3-7 BAB IV HASIL DAN ANALISA. 4-1 4.1 Evaluasi Persamaan Rain Rate 4-1 4.1.1 Hasil... 4-1 4.1.2 Analisa 4-5 4.2 Persamaan Rain Rate Sebagai Fungsi Dari TBB (RR=F(TBB)) Untuk Wilayah Indonesia... 4-6 4.2.1 Hasil 4-6 4.2.2 Analisa 4-7 4.3 Studi Kasus Ekstrim 4-9 4.4 Implementasi Monitoring Curah Hujan Secara Near-Real Time...4-16 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5-1 5.1 Kesimpulan 5-1 5.2 Saran 5-1 DAFTAR PUSTAKA.. DP-1 vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Model konseptual dari struktur awan cumulonimbus 2-1 (sumber: Houze, 1993) Gambar 2.2 Bagan model sel awan guruh menurut Byers-Braham 2-2 (sumber: Mulyanto, 2005) Gambar 2.3 Dua jenis orbit satelit meteorologi 2-4 (sumber: http://cimss.ssec.wisc.edu/satmet/modules/) Gambar 2.4 Satelit TRMM dan instrumen yang dibawanya 2-8 (sumber: http://daac.gsfc.nasa.gov/precipitation/) Gambar 3.1 Temperatur puncak awan (warna biru menunjukkan 3-3 temperatur rendah) dan posisi inti konvektif (warna putih) Gambar 3.2 Garis persamaan rain rate a) Adler dan Negri (1988) dan 3-4 b) Vicente et. al (1998) Gambar 3.3 a) Cropping data TRMM dengan software Orbit dan b) 3-6 disimpan dalam format gridded (resolusi 11 km x 11 km) Gambar 3.4 Downsampling data T BB dari resolusi a) 5,5 km x 5,5 km 3-7 menjadi b) 11 km x 11 km Gambar 3.5 Diagram alir bagian 1: evaluasi persamaan rain rate 3-8 Gambar 3.6 Diagram alir metode CST 3-8 Gambar 3.7 Diagram alir bagian 2: mencari persamaan rain rate 3-9 sebagai fungsi dari T BB (RR=F(T BB )) untuk wilayah Indonesia Gambar 4.1 Perbandingan antara CH pengamatan harian dan CH 4-1 estimasi (Adler-Negri) harian: a) plot time series dan b) scatter-plot Gambar 4.2 Perbandingan antara CH pengamatan akumulasi 5 harian dan CH estimasi (Adler-Negri) akumulasi 5 harian: a) plot time series dan b) scatter-plot 4-2 vii
Gambar 4.3 Perbandingan antara CH pengamatan harian dan CH 4-3 estimasi (Islam) harian: a)plot time series dan b) scatterplot Gambar 4.4 Perbandingan antara CH pengamatan akumulasi 5 harian 4-3 dan CH estimasi (Islam) akumulasi 5 harian: a) plot time series dan b) scatter-plot Gambar 4.5 Perbandingan antara CH pengamatan harian dan CH 4-4 estimasi (Vicente) harian: a) plot time series dan b) scatter-plot Gambar 4.6 Perbandingan antara CH pengamatan akumulasi 5 harian 4-4 dan CH estimasi (Vicente) akumulasi 5 harian: a) plot time series dan b) scatter-plot Gambar 4.7 Scatter plot T BB inti konvektif (T min ) vs rain rate 4-6 Gambar 4.8 a) Temperatur puncak awan, dan b) rain rate 4-7 Gambar 4.9 Scatter plot T BB inti konvektif (T min ) vs rain rate (setelah 4-8 dilakukan filtering) Gambar 4.10 Peta Jawa Barat, inset Kabupaten Karawang 4-10 (sumber: http://www.lapanrs.com/smba/) Gambar 4.11 Estimasi curah hujan daerah Karawang Tgl. 4 Feb. 2008 4-11 Gambar 4.12 Estimasi curah hujan daerah Karawang Tgl. 5 Feb. 2008 4-11 Gambar 4.13 Estimasi curah hujan daerah Karawang Tgl. 6 Feb. 2008 4-12 Gambar 4.14 Estimasi curah hujan daerah Karawang Tgl. 7 Feb. 2008 4-12 Gambar 4.15 Estimasi curah hujan daerah Karawang Tgl. 8 Feb. 2008 4-13 Gambar 4.16 Peta daerah rawan banjir di Kabupaten Karawang 4-13 (sumber: http://gis.deptan.go.id/gis/banjir/banjir/jabar/) Gambar 4.17 Observasi radar Tgl. 6 Februari 2008 pkl. 23.06 4-14 (sumber: http://www.rewarestore.jp/jakarta/) Gambar 4.18 Observasi radar Tgl. 6 Februari 2008 pkl. 23.42 4-15 (sumber: http://www.rewarestore.jp/jakarta/) Gambar 4.19 Observasi radar Tgl. 7 Februari 2008 pkl. 02.42 4-15 (sumber: http://www.rewarestore.jp/jakarta/) Gambar 4.20 Contoh hasil estimasi curah hujan (Indonesia dan P.Jawa) 4-16 viii
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Pasangan data MTSAT dan TRMM yang digunakan 3-5 Tabel 4.1 Korelasi untuk masing masing estimasi 4-5 ix
DAFTAR SINGKATAN Singkatan CST CH IR mm/h MTSAT T BB Tmin TRMM PGM Nama Convective Stratiform Technique Curah Hujan Infrared Milimeter/hour Multi-Functional Transport Satellite Temperature Black Body Temperatur Minimum Tropical Rainfall Measuring Mission Portable Gray Map x