BAB I PENDAHULUAN Pada bagian pendahuluan ini diuraikan beberapa hal seperti: latar belakang, perumusan masalah, tujuan penelitian, dan keaslian penelitian yang akan membedakan dengan hasil penelitian para peneliti terdahulu, serta kegunaan atau manfaat dari penelitian ini. 1.1. Latar Belakang Bencana banjir merupakan salah satu kejadian hidrologi ekstrem yang telah menjadi perhatian penting mengingat banyaknya korban jiwa dan kehilangan harta benda yang ditimbulkan oleh bencana banjir. Banjir biasanya disebabkan oleh tiga hal yaitu pertama, kegiatan manusia yang menyebabkan terjadinya perubahan tata ruang dan berdampak pada perubahan alam. Kedua, peristiwa alam seperti curah hujan yang sangat tinggi, kenaikan permukaan air laut, badai dan sebagainya. Ketiga, degradasi lingkungan seperti hilangnya tumbuhan penutup tanah pada cathment area, pendangkalan sungai akibat sedimentasi, penyempitan alur sungai dan sebagainya. Indonesia sebagai salah satu negara yang beriklim tropis, merupakan wilayah dengan curah hujan yang tinggi, sekitar 2.000-3.000 milimeter pertahun (BMG, 2008), sehingga rentan terhadap kejadian banjir dan longsor. Banjir di Indonesia dari tahun 1979 sampai dengan 2009 tercatat sebanyak 2.509 kejadian, dengan rasio terbesar terdapat di Jawa Tengah sebanyak 337 kejadian diikuti oleh Jawa Timur dan Jawa Barat yaitu 278 dan 248 kejadian banjir (BNPB, 2010). Peristiwa banjir, tanah longsor, kekeringan, kebakaran hutan, kenaikan muka air laut, siklon, dan angin puting beliung yang terjadi pada beberapa daerah di Indonesia diduga merupakan dampak dari fenomena cuaca ekstrem. Cuaca ekstrem merupakan keadaan atau fenomena atmosfer di suatu tempat pada waktu tertentu dan berskala jangka pendek. Suhu udara yang tinggi, intensitas curah hujan yang tinggi dan sebaliknya yaitu intensitas hujan yang sangat rendah. Pengamatan cuaca ekstrem khususnya yang melibatkan unsur hujan sangat penting dilakukan karena banyak membawa pengaruh terhadap kehidupan manusia seperti banjir, kekeringan dan produksi pangan. 1
Pengamatan cuaca ekstrem diawali dengan pengamatan intensitas dan pola curah hujan. Pengamatan ini dapat dilakukan secara langsung (konvensional) dan tidak langsung. Pengamatan langsung dilakukan dengan cara mencatat dan mengukur langsung curah hujan di lapangan menggunakan instrumen seperti penakar hujan baik penakar manual maupun otomatis, sedangkan pengamatan tidak langsung dapat dilakukan dengan menggunakan instrumen radar maupun satelit cuaca. Pengamatan langsung dengan menggunakan alat penakar curah hujan sangat bergantung pada aspek topografi, lokasi, angin dan desain alat penakar hujan yang digunakan. Berbagai kendala yang dihadapi pengukuran curah hujan secara langsung yaitu aksesibilitas pada lokasi penakar hujan yang diinginkan, ketersediaan sumber daya manusia yang mampu membaca dan merawat alat penakar hujan, kesesuaian sumber daya pada berbagai jenis penakar hujan sehingga mampu mencatat atau merekam secara terus menerus, keamanan stasiun pengamatan hujan dari risiko pengrusakan dan kerusakan oleh sebab lain, akses jaringan komunikasi data yang mampu mengirimkan data secara cepat ke kantor pusat untuk dilakukan pemrosesan dan penyimpanan, kesalahan transkrip dan transmisi pada saat pelaporan data hujan (Barret dan Martin, 1981). Pengamatan curah hujan ekstrem menggunakan sistem teknologi penginderaan jauh seperti satelit cuaca dan radar cuaca mempunyai berbagai kelebihan dibandingkan dengan pengamatan secara konvensional (pengamatan langsung). Kelebihan tersebut meliputi kelebihan secara spasial maupun secara temporal terutama dalam hal pengumpulan dan kualitas data. Kelebihan lain diantaranya satelit dan radar cuaca mampu memberikan data secara lengkap dengan cakupan secara luas (global) sehingga dapat memperluas wilayah pemantauan kita terhadap lingkungan atmosfer ke daerah terpencil yang sulit dijangkau. Sistem pencitraan satelit dan radar menghasilkan data spasial secara terus menerus, sangat berbeda dengan jaringan pengamatan cuaca permukaan. Satelit dan radar mampu mengamati penyebaran objek yang dipilih jauh lebih homogen dibanding jaringan pengamatan konvensional yang memerlukan penyebaran paket instrumen dalam jumlah besar. Satelit dan radar cuaca memberikan pandangan baru tentang atmosfer, mengamati dari atas bukan dari dalam sehingga sistem observasi 2
satelit tidak seperti dalam sistem pengamatan konvensional, tidak mengubah parameter yang sedang diukur dan integrasi parameter (misalnya fluks radiasi) di sepanjang garis, di daerah atau melalui volume atmosfer dapat lebih mudah diperoleh daripada di stasiun pengamatan permukaan. Dengan demikian informasi cuaca ekstrem dalam cakupan daerah yang luas secara waktunyata atau mendekati waktunyata (realtime) dan memiliki arti fisis yang berbeda dari data pengamatan konvensional dapat diperoleh dengan menggunakan satelit dan radar cuaca. 1.2. Perumusan Masalah Perubahan drastis cuaca dan iklim dari kondisi normalnya membawa dampak pada kehidupan manusia baik secara langsung maupun tidak langsung. Unsur paling penting yang mengalami perubahan ekstrem dan membawa banyak dampak adalah unsur curah hujan dan temperatur. Unsur curah hujan dipengaruhi oleh fenomena El- Nino, La Nina, Dipole mode (positif dan negatif) yang berpengaruh pada peningkatan dan penurunan curah hujan, sedangkan perubahan drastis unsur temperatur dipengaruhi oleh fenomena pemanasan global. Dampak perubahan cuaca secara ekstrem dapat berupa kejadian bencana alam seperti banjir, tanah longsor, kekeringan dan badai. Pengkajian prediksi cuaca ekstrem sangat penting dalam menghadapi risiko akibat cuaca dan iklim ektrem. Identifikasi lebih dini dilakukan untuk menghindari kerugian material dan immaterial yang lebih besar. Identifikasi prediksi curah hujan ekstrem dapat dilakukan dengan metode statistik berdasarkan data hasil observasi permukaan (konvensional) maupun dengan metode penginderaan jauh. Metode statistik dengan data konvensional menghadapi banyak kendala baik dalam sistem perolehan data maupun kualitas datanya. Hal ini terkait erat dengan jumlah dan sebaran dan sistem pengamatan hujan yang masih sangat terbatas. Pengamatan konvensional dengan penakar hujan memberikan ketepatan dalam hal intensitas, sedangkan pengamatan menggunakan radar dan satelit mampu memberikan cakupan spasial yang luas. Namun radar dan satelit terkendala kualitas resolusi dan kualitas akurasi data. Kendala ini menyebabkan teknik penginderaan jauh tidak bisa digunakan secara langsung untuk pengamatan cuaca dan iklim yang 3
lebih spesifik. Kendala kualitas resolusi data penginderaan jauh yaitu apabila resolusi temporal tinggi maka resolusi spasialnya rendah dan begitu sebaliknya. Kendala kualitas akurasi data disebabkan oleh faktor fisik radar dan model Z-R yang digunakan, sedangkan pada satelit cuaca dipengaruhi oleh faktor sensor, model nilai suhu kecerahan dan suhu puncak awan. Kondisi ini sangat bertentangan dengan paradigma peringatan dini yang membutuhkan kualitas resolusi spasio-temporal dan tingkat akurasi yang tinggi. Kualitas resolusi dan akurasi yang tinggi dapat dihasilkan dengan cara mengembangkan metode pemetaan hujan berdasarkan integrasi data radar dan suhu puncak awan dengan validasi faktor geografis dan pengamatan hujan permukaan. Radar cuaca mempunyai tingkat resolusi temporal yang sangat tinggi yaitu 10 menit namun hanya mampu menjangkau radius ideal 150 km dengan resolusi spasial 1 km. Citra satelit cuaca seperti MTSAT dengan sensor IR1 mempunyai resolusi temporal 1 jam dengan jangkauan jauh lebih luas dan memiliki resolusi spasial 1 km. Faktor geografis dapat dijadikan sebagai faktor koreksi dan validasi pada model interpretasi radar dan satelit cuaca mengingat setiap daerah mempunyai karakteristik pola cuaca dan iklim yang berbeda. Berdasarkan uraian permasalahan tersebut maka perlu dilakukan kajian model integrasi data radar dan citra satelit cuaca untuk prediksi curah hujan ekstrem dengan pertanyaan penelitian sebagai berikut : 1) Bagaimana signifikansi pengaruh parameter data meteorologi pada prediksi curah hujan ekstrem di Jawa Timur. 2) Bagaimana indeks curah hujan ekstrem untuk mengetahui nilai dan sebaran curah hujan ekstrem pada satuan morfografi di Jawa Timur. 3) Bagaimana hubungan reflektivitas radar dan curah hujan untuk memperoleh nilai reflektivitas radar terkoreksi sebagai indikator mengenali curah hujan ekstrem di Jawa Timur. 4) Bagaimana integrasi data radar dan satelit cuaca dapat digunakan untuk prediksi curah hujan ekstrem di Jawa Timur. 4
Berdasarkan uraian latar belakang dan permasalahan di atas maka penulis tertarik untuk melakukan penelitian dengan judul: Prediksi Curah Hujan Ekstrem Berdasarkan Integrasi Data Radar dan Citra Satelit Cuaca di Jawa Timur. 1.3. Tujuan dan Kegunaan Penelitian Berdasarkan latar belakan dan rumusan masalah yang telah diuraikan di atas, maka penelitian ini bertujuan sebagai berikut: 1) Identifikasi signifikansi pengaruh parameter data meteorologi untuk prediksi curah hujan ekstrem di Jawa Timur. 2) Identifikasi indeks curah hujan ekstrem dengan mempertimbangkan aspek morfografi untuk mengetahui nilai dan sebaran curah hujan ekstrem pada berbagai wilayah di Jawa Timur. 3) Analisis reflektivitas radar dan curah hujan berdasarkan aspek morfografi untuk memperoleh nilai reflektivitas radar sebagai indikator untuk mengenali curah hujan ekstrem di Jawa Timur. 4) Pemodelan integrasi data radar dan satelit cuaca menggunakan metode multivariate adaptive regression splines (MARS) untuk prediksi curah hujan ekstrem di Jawa Timur. Hasil penelitian diharapkan memberikan manfaat dalam bidang keilmuan dan memberikan masukan pada pemerintah dalam hal: (1) sebagai model untuk mempelajari dan mengenali curah hujan ekstrem, (2) meningkatkan akurasi interpretasi produk radar cuaca melalui pengembangan model berbasis morfografi untuk mendukung penyiapan data hidrometeorologi dengan resolusi spasiotemporal yang tinggi, (3) mendukung program pemerintah dalam bidang informasi meteorologi, klimatologi, ketahanan pangan, perencanaan sumber daya alam, infrastruktur, lingkungan, dan penanggulangan bencana khususnya dalam penyiapan sistem peringatan dini bencana yang dipicu oleh faktor curah hujan ekstrem (banjir dan longsor). 5
1.4. Keaslian Penelitian Beberapa penelitian yang berkaitan dengan cuaca ekstrem terutama yang menyangkut curah hujan ekstrem telah dilakukan oleh para peneliti terdahulu yaitu Semmler dan Jacob (2004); Li et al. (2005); Joshi dan Rajevaan (2006); Peralta- Hernandez et al. (2009); Neppel et al. (2011); dan Supari (2012). Namun demikian pada penelitian ini banyak terdapat perbedaan dengan penelitian terdahulu baik dari segi waktu, lokasi, pendekatan dan teknik penelitian yang digunakan, dan hasil penelitian. Semmler dan Jacob (2004) menggunakan simulasi dengan model atmosfer iklim regional REMO, pendekatan suhu permukaan laut (SST), distribusi es laut (ISD) dan simulasi efek gas rumah kaca untuk meneliti pengaruh perubahan iklim dimasa yang akan datang terkait dengan frekuensi dan intensitas curah hujan ekstrem. Teknik analisis yang digunakan adalah Had1SST1 untuk pemodelan data SST dan SID, HadAM3H untuk pengontrol simulasi, SRES-A2 untuk simulasi emisi, HadCM3 untuk simulasi SST dan SID, dan membandingkan hasil simulasi yaitu SST dan SID tahun 2070-2010 dengan tahun 1960-1990. Hasil pemodelan REMO memperkirakan terjadi perubahan kenaikan sebesar 100% pada laut Baltic dan 50% pada sebagian besar Eropa. Li et al. (2005) menggunakan analisis statistik dengan pendekatan Generalized Pareto Distribution (GPD) untuk analisis series curah hujan dan Mann- Whitney-Pittitt Test untuk mendeteksi perubahan titik curah hujan ekstrem harian. Probability Ratio Test dilakukan untuk menunjukan bahwa ada perbedaan signifikan pada tingkat signifikansi 1% antara dua distribusi yaitu curah hujan sebelum musim dingin (1930-1965) dan setelah perubahan (1966-2001). Periode ulang diperkirakan berdasarkan tail distribution untuk tahun 1930-1965 dibandingkan dengan curah hujan pada musim dingin setelah mengalami perubahan (1966-2001). Joshi dan Rajeevan (2006) menentukan indeks ekstrem untuk curah hujan di India. Indeks ekstrem sensitif terhadap perubahan lokasi stasiun, sebaran peralatan dan kegiatan pengamatan. Indeks curah hujan ekstrem digunakan untuk analisis curah hujan ekstrem pada perhitungan masing-masing tahun dan stasiun pengamatan. Kecenderungan indeks curah hujan dihitung menggunakan model 6
regresi linier untuk mendapatkan kecenderungan magnitude. Uji Kendall-Tau digunakan untuk menguji signifikansi dari kecenderungan. Kecenderungan disebut sebagai signifikan jika melampaui batas kepercayaan 95% atau 99% pada uji Kendall-Tau dan data yang hilang tidak dimasukan saat menghitung indeks dan kecenderungan. Peralta-Hernandez et al. (2009) menggunakan variasi univariate dan multivariate prosedur statistik untuk mengungkap kecenderungan yang mendasari signifikansi terjadinya peristiwa ekstrem. Indikator hujan ekstrem dibagi menjadi tiga kategori yaitu indikator frekuensi, indikator intensitas, dan presentase ekstremnya. Indikator frekuensi didasarkan pada perhitungan jumlah hari dengan hujan di atas 0.1, 1.0, 2.0, 10.0, 25.4, dan 100 mm setiap tahun pada masing-masing stasiun. Indikator prosentase ekstrem mensyaratkan 5% dari total kejadian hujan tahunan. Neppel et al. (2011) menggunakan metode statistik multivariate regional test untuk mendeteksi kecenderungan curah hujan ekstrem di daerah Mediterania Perancis. Teknik analisis yang digunakan yaitu dengan cara mendefinisikan model untuk rata-rata maksimum curah hujan harian menggunakan Generalized Extreme Value (GEV), mendefinisikan model tetap dan kecenderungan, membuat parameter estimasi berdasarkan fungsi maksimum likelihood, menyeleksi model terbaik antara model tetap dan kecenderungan, dan mengaplikasikan model untuk data seri curah hujan. Penelitian ini menghasilkan informasi kenaikan kecenderungan curah hujan ekstrem seperti yang pernah terjadi pada 56 tahun yang lalu yaitu sekitar 5-10%. Prediksi kecenderungan curah hujan ini sangat dibutuhkan untuk memahami apakah kecenderungan ini berhubungan dengan perubahan iklim atau sekedar variabilitas alam iklim di Mediterania. Supari (2012) menggunakan pendekatan statistik dengan menggunakan data curah hujan dari pengamatan stasiun untuk mengetahui karakteristik dari hujan ekstrem di Pulau Jawa khususnya di Provinsi Jawa Timur. Mann-Kendal Test digunakan untuk menganalisis kecenderungan series data curah hujan, sedangkan untuk mengidentifikasi indikator ekstrem digunakan fix threshold dan site specific dengan cirri-ciri perubahan frekuensi dan intensitas hujannya. Penelitian ini 7
menghasilkan sebaran perubahan indeks hujan ekstrem di Provinsi Jawa Timur yang dikenali dengan ciri-ciri perubahan frekuensi dan intensitas hujannya. Kesamaan dan perbedaan antara peneliti dengan beberapa penelitian terdahulu secara ringkas dapat dilihat pada Tabel 1.1. 8
Tabel 1.1. Perbandingan dengan penelitian terdahulu Judul, Tahun, No. Lokasi Penelitian, Nama Peneliti 1. Modeling extreme precipitation events a climate change simulation for Europe ; 2004 ; European region; Tido Semmler dan Jacob, D. Tujuan Penelitian Meneliti pengaruh perubahan iklim dimasa yang akan datang terkait dengan frekuensi dan intensitas kejadian curah hujan ekstrem Metode Penelitian dan Pendekatan Simulasi dengan Model atmosfer iklim regional REMO SST, Sea ice distribution (SID), simulasi efek gas rumah kaca Teknik Analisis dan Bahan Penelitian Had1SST1 (data SST dan SID), HadAM3H (pengontrol simulasi), SRES-A2 (simulasi emisi), HadCM3 (simulasi SST dan SID), membandingkan hasil simulasi SST dan SID periode tahun 2070-2100 dengan tahun 1960-1990 Hasil Penelitian Terjadi kenaikan 100% pada laut Baltic dan 50% pada sebagian besar Eropa dimasa mendatang berdasarkan hasil pemodelan REMO. 2 Statistical modeling of extreme rainfall in Southwest Western Australia; 2004; Southwest Western Australia; Y. Li, W.Cai, E.P. Campbell Model statistik untuk mengamati perubahan curah hujan ekstrem The Mann-Whitney-Pittit Test Menggunakan pendekatan statistic yaitu Generalized Pareto distribution (GPD) Deteksi peristiwa hujan menggunakan pendekatan Mann- Whitney-Pittitt test, data curah hujan tahun 1930-1965 dan 1966-2001 dianalisis dengan menggunakan pendekatan statistik GPD. Kecenderungans pada indeks The antarctic oscillation (AAO) sebagai kajian perubahan curah hujan pada musim dingin. 3. Trend in Precipitation Extremes Over India 2006 India Joshi, U.R., dan Rajevaan, M 4. Comparative analysis of indices of extreme rainfall events : variation and kecenderungans from southern Mexico; 2009; Southern Mexico; A.R. Peralta Hernandez, Balling, R.C., Barba-Martinez, L.R. Menentukan indeks ekstrem untuk curah hujan di India Pendekatan prosedur statistik regresi linier Analisis kecenderungan curah hujan menggunakan regresilinier Pengujian signifikasnsi kecenderungan dengan uji Kendall- Tau Indeks ekstrem untuk curah hujan di India Mengkaji kecenderungan jangka panjang pada kejadian curah hujan ekstrem Prosedur statistik multivariate Elnino-Southern Oscilation (ENSO), Pacific decadal oscillation (PDO) Pembagian kategori indikator curah hujan berdasarkan frekuensi, intensitas dan presentasi kejadian dengan menggunakan data curah hujan harian tahun 1960-2004 dari 142 stasiun Variasi kejadian cuaca berkaitan erat dengan ENSO dan PDO 9
Judul, Tahun, No. Lokasi Penelitian, Nama Peneliti 5. A multivariate regional test for kecenderungan detection in extreme rainfall : the case of extreme daily rainfall in the French Mediterranean area; 2011; Sebagian Perancis selatan L. Neppel, N. Pujol, R. Sabatier Tujuan Penelitian Mendeteksi kecenderungans curah hujan ektrim Metode Penelitian dan Pendekatan Multivariate regional test Teknik Analisis dan Bahan Penelitian Hasil Penelitian Difinisi model untuk rata-rata Kenaikan kecenderungan curah maksimum curah hujan harian hujan ektrem yaitu sekitar 5%- berdasarkan generalized extreme 10% sebagaimana pernah terjadi value (GEV), definisi model tetap pada 56 tahun lalu yang (M0) dan dengan kecenderungan Prediksi kecenderungan curah (M1), membuat parameter estimasi hujan ini dibutuhkan untuk berdasarkan fungsi maximum memahami apakah kecenderungan likelihood, menyeleksi model terbaik ini berhubungan dengan antara M 0 dan M 1, aplikasi model perubahan iklim global atau untuk data series curah hujan. sekedar varibilitas alam iklim mediterania. 6. Spatiotemporal Characteristics of Extreeme Rainfall Event Over Java Island, Indonesia (Case : East Java Province) 2012 Provinsi Jawa Timur Supari Mengetahui karakteristik dari hujan ekstrem di Pulau Jawa, khususnya di Provinsi Jawa Timur. Pendekatan Spasial dan; Pendekatan statistik dengan menggunakan data curah hujan dari pengamatan stasiun Analisis kecenderungan menggunakan Mann-Kendall Test identifikasi indikator ekstrem dengan menggunakan fix threshold dan site specific threshold Sebaran perubahan indeks hujan ekstrem di Provinsi Jawa Timur yang dikenali dengan ciri-ciri perubahan frekuensi dan intensitas hujannya. 10
No. Judul, Tahun, Lokasi Penelitian, Nama Peneliti 7. Prediksi curah hujan ekstrem berdasarkan integrasi data radar dan satelit cuaca di Jawa Timur 2009; Jawa Timur -Indonesia; Munawar Tujuan Penelitian Identifikasi signifikansi parameter data meteorologi untuk prediksi curah hujan ekstrem di Jawa Timur Identifikasi indeks curah hujan ekstrem dengan mempertimbangkan aspek morfografi untuk mengetahui nilai dan sebaran curah hujan ekstrem pada berbagai wilayah di Jawa Timur Analisis reflektivitas radar dan curah hujan berdasarkan aspek morfografi untuk memperoleh nilai reflektivitas radar sebagai indikator untuk mengenali curah hujan ekstrem di Jawa Timur Pemodelan integrasi data radar dan satelit cuaca menggunakan metode MARS untuk prediksi curah hujan ekstrem di Jawa Timur Metode Penelitian dan Pendekatan Pendekatan statistik Pendekatan spasial berdasarkan satuan morfografi Pemodelan berbasis fungsi menggunakan metode Regresi adaptive MARS Teknik Analisis dan Bahan Penelitian Hasil Penelitian Kecenderungan dan uji sebaran data Signifikansi parameter data meteorologi meteorologi untuk prediksi curah Model hubungan Z-R, hujan ekstrem Model integrasi berbasis fungsi Indeks curah hujan ekstrem pada dengan metode regresi MARS untuk satuan morfografi prediksi curah hujan ekstrem Model reflektivitas radar dan Citra satelit cuaca (MTSAT, SRTM); curah hujan dan nilai reflektivitas data radar cuaca; data curah hujan radar untuk mengenali curah observasi hujan ekstrem Model integrasi data radar dan satelit cuaca untuk prediksi curah hujan ekstrem 11