STUDI IDENTIFIKASI POLA UTAMA DATA RADIOSONDE MELALUI ANALISIS KOMPONEN UTAMA DAN ANALISIS SPEKTRUM (STUDI KASUS BANDUNG) SATRIYANI DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
RINGKASAN SATRIYANI. Studi Identifikasi Pola Utama Data Radiosonde melalui Analisis Komponen Utama dan Analisis Spektrum (Studi Kasus Bandung). Dibimbing oleh AHMAD BEY dan SONNI SETIAWAN. Menyadari pentingnya atmosfer bagi aktifitas makhluk hidup di bumi, maka dilakukan kajian tentang unsur yang mempengaruhi atmosfer, yaitu suhu udara, tekanan udara, kelembaban udara, dan kecepatan angin. Unsur-unsur udara tersebut mempengaruhi karakteristik atmosfer sebagai pembentuk cuaca. Objek studi ini hanya melibatkan unsur medan angin mencakup komponen zonal dan meridional sebagai objek utama yang akan dikaji, serta suhu udara dan kelembaban sebagai objek penunjang. Data angin dalam komponen zonal (u) dan meridional (v) diolah dengan teknik eigen dan analisis spektrum sehingga didapatkan profil vertikal vektor eigen dan periode dinamika atmosfer. Hasil analisis data radiosonde Bandung pada waktu pengamatan 10 April-9 Mei 2004 dengan ketinggian 1 km sampai 30 km menunjukkan bahwa berdasarkan perbandingan nilai eigen untuk komponen angin zonal dan meridional, dinamika angin dalam komponen zonal lebih mendominasi daripada dinamika angin meridional. Hal ini dapat dijelaskan oleh fenomena yang utama saja yaitu nilai eigen komponen utama pertama, dinamika angin meridional hanya memberikan kontribusi sebesar 27,9% atau hampir sepertiga terhadap dinamika angin zonal. Berdasarkan keempat vektor eigen angin zonal dapat dikatakan bahwa pada lapisan troposfer-bawah (1-6 km) selama periode pengamatan yaitu peralihan angin monsun barat ke monsun timur, angin berhembus dengan skala sangat kecil, serta dari pola keempat vektor eigen tampak tidak adanya dinamika angin. Tropopause terdapat pada ketinggian 17-18 km. Pada lapisan troposfer-tengah zona angin timuran lebih mendominasi di ketinggian 10-16 km dengan intensitas tertinggi terjadi di ketinggian 14 km dan pada ketinggian 15-16 km terdapat osilasi angin zonal dengan periode 7,5 hari yang bergerak ke timur. Ketika memasuki troposfer-atas hingga tropopause osilasi angin zonal dengan periode 7,5 hari ini mengalami penguatan kemudian setelah ketinggian 18 km osilasi zonal berperiode 7,5 hari mengalami peredaman akibat adanya shear angin timuran. Distribusi vektor eigen pertama angin meridional yang memberikan kontribusi dinamika angin sebesar 15,8% dari keseluruhan pergerakan angin, dan terkonsentrasi di lapisan troposfer-tengah hingga troposfer-atas (7-17 km) dimana angin meridional bergerak ke arah selatan. Pergerakan angin meridional ke arah selatan merupakan manifestasi dari sel Hadley.
STUDI IDENTIFIKASI POLA UTAMA DATA RADIOSONDE MELALUI ANALISIS KOMPONEN UTAMA DAN ANALISIS SPEKTRUM (STUDI KASUS BANDUNG) SATRIYANI G 24102033 Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Geofisika dan Meteorologi DEPARTEMEN GEOFISIKA DAN METEOROLOGI FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2007
LEMBAR PENGESAHAN Judul : Studi Identifikasi Pola Utama Data Radiosonde melalui Analisis Komponen Utama dan Analisis Spektrum (Studi Kasus Bandung) Nama : Satriyani NRP : G 24102033 Menyetujui, Pembimbing I Pembimbing II Prof. Dr. Ahmad Bey NIP. 130543586 Sonni Setiawan, M.Si NIP. 132321569 Mengetahui, Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Prof. Dr. Ir. Yonny Koesmaryono, M. Sc NIP. 131473999 Tanggal Disetujui:
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 1 Desember 1984, merupakan anak keempat dari empat bersaudara, putri dari pasangan Bapak Yahya Suryadi dan Ibu Murniati. Tahun 2002 penulis lulus dari SMUN 47 Jakarta Selatan dan pada tahun yang sama melanjutkan kuliah ke Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur SPMB. Penulis diterima di Program Studi Meteorologi, Departemen Geofisika dan Meteorologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif di Himpunan Mahasiswa Agrometeorologi (HIMAGRETO) IPB sebagai anggota.
KATA PENGANTAR Syukur Alhamdulillah senantiasa penulis panjatkan ke hadirat Allah S.W.T, yang telah memberikan rahmat dan karunia-nya serta begitu banyak nikmat yang tak terhingga jumlahnya. Hanya dengan ridha dan kemudahan yang diberikan-nya sehingga karya ilmiah dengan topik Studi Identifikasi Pola Utama Data Radiosonde melalui Analisis Komponen Utama dan Analisis Spektrum (Studi Kasus Bandung) berhasil diselesaikan dengan baik. Sholawat dan salam terpanjat ke hadirat Nabi Muhammad S.A.W yang telah menunjukkan cahaya kebenaran. Semoga penelitian ini dapat memperkaya pengetahuan pada bidang meteorologi dinamik. Tidak lupa penulis turut mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Ahmad Bey selaku pembimbing pertama, yang telah memberikan bimbingan dan pengarahan dalam penyelesaian tugas akhir ini. 2. Bapak Sonni Setiawan, M.Si selaku pembimbing kedua, yang selalu dengan sabar memberikan bimbingan, pengarahan, dan ilmu kepada penulis sejak awal kegiatan tugas akhir hingga skripsi ini selesai. 3. Kedua orang tua (mama dan bapak) dan seluruh keluarga (mas Tisna, mas Weweng, mba Neng) yang telah memberikan dukungan penuh, doa, dan kasih sayang kepada penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan baik. 4. Bapak Sobri Effendy, M.Si selaku pembimbing akademik dan penguji dalam ujian tugas akhir. 5. Seluruh Staf Pengajar Departemen Geofisika dan Meteorologi, Institut Pertanian Bogor, atas bimbingan, semangat dan pengetahuan. 6. Staf Tata Usaha atas kerjasamanya dalam membantu kelancaran penulis selama masa studi. 7. RISH-Kyoto University dan Shimane University Jepang, yang telah menyediakan data radiosonde. 8. Teman-teman mahasiswa GFM angkatan 39 yang telah banyak membantu dan mendukung penulis dalam penyusunan skripsi ini. Penulis ucapkan banyak terima kasih atas masa-masa indah yang telah penulis rasakan selama menjalankan studi di IPB. 9. A Haries Satyawardhana, yang dengan sabar dan setia memberikan segala bantuan, doa, semangat dan kasih sayang kepada penulis sehingga skripsi ini dapat selesai dengan baik. Akhir kata, penulis hanya bisa menyampaikan bahwa tanpa pihak-pihak di atas, skripsi ini tidak akan selesai dengan baik, semoga Allah S.W.T membalas semua kebaikan pihak-pihak tersebut. Penulis menyadari tulisan karya ilmiah ini masih jauh dalam kesempurnaan, namun demikian penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberikan manfaat bagi yang membacanya. Bogor, Mei 2007 Penulis i
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... DAFTAR LAMPIRAN... I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang... 1.2. Tujuan... i ii ii iii iii 1 1 II. III. IV. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Struktur Lapisan Atmosfer... 2.2. Angin Gunung dan Angin Lembah... 2.3. Monsun... 2.4. Gelombang Stratosfer Ekuatorial... 2.5. QBO (Quasi-Biennial Oscillation)... METODOLOGI 3.1. Waktu dan Lokasi Penelitian... 3.2. Bahan dan Alat... 3.3. Metode... 3.3.1. Analisis Komponen Utama... 3.3.2. Analisis Spektrum/Spektral... 3.3.3. Analisis Fenomena Meteorologi Dinamik... HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Keadaan Geografis dan Status Klimatologis Data... 4.2. Karakteristik Variabel Atmosfer... 4.2.1. Troposfer-Bawah... 4.2.2. Troposfer-Atas dan Stratosfer-Bawah... 4.3. Analisis Komponen Utama... 4.3.1. Analisis Vektor Eigen 1 Angin Zonal... 4.3.2. Analisis Vektor Eigen 2 Angin Zonal... 4.3.3. Analisis Vektor Eigen 3 Angin Zonal... 4.3.4. Analisis Vektor Eigen 4 Angin Zonal... 4.3.5. Analisis Vektor Eigen 1 Angin Meridional... 1 1 2 2 2 3 3 3 3 5 5 6 7 7 8 9 10 10 11 11 11 V. KESIMPULAN DAN SARAN... DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN 13 DAFTAR GAMBAR Gambar Keterangan Hal. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Gambar Diagram Alur Penelitian... Gambar Peta Wilayah Penelitian... Gambar Time Height Section Komponen Angin Zonal Bandung Tanggal 10 April - 9 Mei 2004... Gambar Time Height Section Komponen Angin Meridional Bandung Tanggal 10 April - 9 Mei 2004... Gambar Time Height Section Kelembaban Bandung Tanggal 10 April - 9 Mei 2004... Gambar Time Height-Section Suhu Udara Bandung Tanggal 10 April - 9 Mei 2004... Gambar Distribusi Nilai Eigen (Screeplot) Angin Zonal... Gambar Distribusi Nilai Eigen (Screeplot) Angin Meridional... Gambar Distribusi Vektor Eigen Angin Zonal Bandung (10 April - 9 Mei 2004)... Gambar Distribusi Vektor Eigen 1 Angin Meridional Bandung (10 April - 9 Mei 2004)... 6 6 7 7 7 8 9 9 12 13 ii
DAFTAR TABEL Tabel Keterangan Hal. 1. Nilai Eigen 8 Komponen Utama Angin Zonal dan Meridional... 9 DAFTAR LAMPIRAN Lampiran Keterangan Hal. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 1 km... Analisis Spektrum Kelembaban pada Ketinggian 1 km... Analisis Spektrum Suhu Udara pada Ketinggian 1 km... Analisis Spektrum Suhu Udara pada Ketinggian 21 km... Analisis Spektrum Suhu Udara pada Ketinggian 22 km... Analisis Spektrum Suhu Udara pada Ketinggian 23 km... Analisis Spektrum Suhu Udara pada Ketinggian 24 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 15 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 16 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 17 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 18 km... Analisis Spektrum Angin Meridional pada Ketinggian 18 km... Analisis Spektrum Suhu Udara pada Ketinggian 18 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 21 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 22 km... Analisis Spektrum Angin Zonal pada Ketinggian 24 km... Analisis Spektrum Angin Meridional pada Ketinggian 13 km... Analisis Spektrum Angin Meridional pada Ketinggian 14 km... Analisis Spektrum Angin Meridional pada Ketinggian 15 km... Analisis Spektrum Angin Meridional pada Ketinggian 16 km... Analisis Spektrum Angin Zonal Komponen Utama 1... Analisis Spektrum Angin Zonal Komponen Utama 2... Analisis Spektrum Angin Zonal Komponen Utama 3... Analisis Spektrum Angin Zonal Komponen Utama 4... Analisis Spektral Angin Meridional Komponen Utama 1... Profil Vertikal Angin Zonal Bandung (Tanggal 10 April - 9 Mei 2004)... Profil Vertikal Angin Meridional Bandung (Tanggal 10 April - 9 Mei 2004)... Gambar Time Heigh Section Angin Zonal Bandung (10 April 9 Mei 2004)... Gambar Time Heigh Section Angin Meridional Bandung (10 April 9 Mei 2004)... Gambar Time Height Section Suhu Udara Bandung (10 April 9 Mei 2004)... Gambar Time Heigh Section Kelembaban Bandung (10 April 9 Mei 2004)... 15 15 15 15 16 16 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 19 19 19 19 20 20 20 20 21 21 21 22 23 24 25 iii
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia adalah negara tropis yang memiliki fenomena meteorologi yang menarik untuk diteliti, karena letak geografis Indonesia yang berada di antara dua samudera yaitu Samudera Hindia dan Pasifik, serta dua benua yaitu Benua Asia dan Australia. Indonesia dipengaruhi berbagai fenomena atmosfer baik fenomena lokal maupun fenomena global seperti Monsun, ENSO, dan QBO (Quasi-Biennial Oscillation), serta karakteristik meteorologi daerah tropis berdampak pada pola cuaca di wilayah Indonesia. Atmosfer sangat penting bagi kehidupan makhluk hidup, karena tanpa atmosfer makhluk hidup tidak akan dapat bertahan hidup. Atmosfer juga berperan sebagai pelindung kehidupan di bumi dari radiasi matahari yang kuat pada siang hari dan mencegah hilangnya panas ke ruang angkasa pada malam hari. Oleh karena itu meteorologi menarik untuk dikaji karena salah satu lapisan atmosfer yaitu troposfer merupakan tempat dari sebagian besar gejala-gejala cuaca terjadi. Menyadari pentingnya atmosfer bagi aktifitas makhluk hidup di bumi, maka dilakukan kajian tentang unsur-unsur yang mempengaruhi atmosfer, yaitu suhu udara, tekanan udara, kelembaban udara, dan kecepatan angin. Unsur-unsur udara tersebut mempengaruhi karakteristik atmosfer sebagai pembentuk cuaca. Objek studi ini hanya melibatkan unsur medan angin mencakup komponen zonal dan meridional sebagai objek utama yang akan dikaji, serta suhu udara dan kelembaban sebagai objek penunjang. 1.2 Tujuan Tujuan dilakukannya penelitian tentang Studi Identifikasi Pola Utama Data Radiosonde melalui Analisis Komponen Utama dan Analisis Spektrum (Studi Kasus Bandung), adalah sebagai berikut: 1. Menentukan pola data radiosonde daerah Bandung pada berbagai ketinggian dengan menggunakan teknik analisis komponen utama dan analisis spektrum. 2. Mengetahui dinamika atmosfer yang terjadi pada beberapa ketinggian. II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Struktur Lapisan Atmosfer Atmosfer adalah lapisan gas yang menyelimuti bumi dan penting bagi proses kehidupan makhluk hidup di bumi. Struktur vertikal atmosfer dapat dibedakan berdasarkan parameter suhu udara, komposisi udara, sifat-sifat radioelektrik dan sifat-sifat kimia. Lapisan atmosfer terbawah disebut lapisan troposfer dengan ketinggian sekitar 8-16 km. Pada lapisan troposfer struktur vertikal suhu udara berkurang terhadap ketinggian dengan besaran lapse rate yang hampir konstan sebesar 6,5 C/km. Fenomena meteorologi seperti pembentukkan awan konvektif dan hujan terjadi pada lapisan troposfer. Lapisan di atas troposfer adalah stratosfer dengan ketinggian 16-50 km, dimana profil vertikal suhu udaranya adalah inversi, yang berarti suhu udara meningkat dengan bertambahnya ketinggian. Stratosfer merupakan lapisan atmosfer utama yang mengandung gas ozon, dengan konsentrasi maksimum terdapat pada ketinggian 22 km di atas permukaaan bumi (Prawirowardoyo, 1996). Lapisan atmosfer selanjutnya adalah mesosfer dengan ketinggian mencapai 50-80 km. Profil vertikal suhu udara pada mesosfer adalah lapse rate dengan suhu udara sekitar -5 C pada dasar lapisan hingga -95 C pada puncaknya. Lapisan mesosfer merupakan daerah penguraian O 2 menjadi atom O. Lapisan atmosfer yang paling atas adalah termosfer dengan ketinggian mulai dari 80 km dari permukaan bumi, dimana profil vertikal suhu udaranya adalah inversi. Pada termosfer terjadi proses ionisasi gas N 2 dan O 2. 2.2 Angin Gunung dan Angin Lembah Angin gunung dan angin lembah terjadi karena keadaan topografi. Kedua angin ini merupakan hasil dari perbedaan suhu udara antara lembah dan puncak gunung. Pada siang hari, puncak gunung menerima energi radiasi matahari lebih banyak daripada lembah yang terlindungi di bawahnya. Udara di atas permukaan gunung mengembang dan naik ke atas. Hal ini menimbulkan gradien tekanan antara udara lembah yang dingin dan bertekanan tinggi dengan udara puncak gunung yang lebih hangat dengan tekanan rendah. Karena terjadinya gradien tekanan, udara lembah naik ke puncak gunung dan udara dari sisi 1
gunung yang terbuka masuk ke lembah menggantikan udara yang ke atas tadi. Angin ini disebut angin lembah yang terjadi pada siang hari. Sedangkan pada malam hari, proses pemanasan berhenti dan udara di dekat permukaan puncak gunung mengalami pendinginan lebih cepat karena lebih banyak energi yang hilang melalui pancaran radiasi gelombang panjang. Udara yang dingin ini turun ke dasar lembah, menumpuk, dan mendorong udara di lembah keluar menuju ke sisi yang terbuka. Angin yang bergerak ke bawah dan ke sisi gunung ini disebut angin gunung. 2.3 Monsun Secara umum angin monsun merupakan angin laut atau darat dalam skala besar. Angin ini tidak berbatas pada jalur garis pantai yang sempit, tetapi berhembus bolak-balik melintasi daerah lautan dan daratan yang luas. Angin monsun terikat pada daur musim panas dan dingin. Daratan menjadi lebih panas pada musim panas dan menjadi dingin pada musim dingin, sedangkan suhu permukaan laut di sekitarnya relatif tetap akibatnya arus naik konveksi besar-besaran terjadi di atas daratan pada musim panas dan udara dari lautan mengalir ke darat untuk menggantikannya. Maka terbentuklah angin monsun musim panas yang sarat dengan kelembaban (uap air). Selama musim dingin pada waktu daratan lebih dingin daripada samudera, prosesnya pun berkebalikan dari musim panas. 2.4 Gelombang Stratosfer Ekuatorial Telah cukup lama diketahui bahwa terdapat beberapa bentuk gelombang di atmosfer tengah yang menjalar dalam arah zonal (timur-barat) dan vertikal sepanjang daerah ekuator. Gelombang-gelombang tersebut mempunyai periode beberapa hari dan berskala planeter (panjang gelombang antara 10000-40000 km) dalam arah zonal, tetapi terperangkap di antara 15 LU dan 15 LS (Kato, 1998). Gelombang Kelvin atmosfer dan gelombang Rossby-graviti merupakan dua jenis gelombang planeter atmosfer terpenting di zona ekuatorial yang dapat dideteksi. Gelombang Rossby-graviti dapat dianggap sebagai kombinasi gelombang gravitasi yang menjalar ke arah barat dan timur dengan gelombang Rossby yang hanya menjalar dalam arah barat saja. Sedangkan gelombang Kelvin adalah gelombang yang menjalar secara zonal ke arah timur. Menurut penelitian yang dilakukan oleh Yanai dan Murakami (1970) ketika mempelajari gangguan medan angin di lapisan troposfer-atas Pasifik Barat dekat Indonesia, bahwa ada dua tipe gangguan yang merambat ke barat dengan periode 4-7 hari. Periode gelombang Kelvin adalah ± 12 hari. Menurut Kato (1998), sumber utama pembangkit gelombang atmosfer belum dapat diketahui dengan baik, sumber pembangkit yang mungkin adalah angin kencang baratan, hambatan topografi, dan konveksi kuat pada pembentukan awan di daerah tropis. 2.5 QBO (Quasi-Biennial Oscillation) Menurut Kato (1998), QBO (Quasi- Biennial Oscillation) ditemukan oleh Reed di Amerika Serikat dan oleh Veryard dan Ebdon di Inggris pada tahun 1961. QBO adalah fenomena hasil interaksi antara aliran dasar di stratosfer-bawah dengan dua gelombang planeter ekuatorial yaitu gelombang Rossby-graviti dan gelombang Kelvin. Baik gelombang Kelvin maupun gelombang Rossby-graviti, keduanya dipicu oleh osilasi pola pemanasan konvektif berskala besar pada lapisan troposfer di ekuatorial. Gerak osilasi QBO yang terdapat di lapisan stratosfer ekuator mempunyai sifatsifat sebagai berikut: Medan angin yang simetris dalam arah zonal, berganti arah secara hampir teratur dengan periode bervariasi antara 24 sampai 30 bulan (sekitar 2,5 tahun). Daerah angin tersebut pertama kali muncul di ketinggian 30 km, kemudian menjalar turun dengan kecepatan 1 km per bulan. Pada waktu menjalar turun, amplitudonya tidak banyak berubah sampai ketinggian 23 km, tetapi di bawah ketinggian tersebut amplitudo berkurang dengan cepat. Dalam arah meridional, osilasi medan angin tersebut simetrik terhadap ekuator dengan amplitudo maksimum sekitar 20 m/detik. 2