Mengenal Model Dinamika Atmosfer

Mengenal Model Dinamika Atmosfer Didi Satiadi Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

Diseminasi Bidang Pemodelan Iklim Bandung, 21 April 2009

Apakah model itu? • M o d e l me rup a ka n re re p re se nta nta si (bi (bia sa nya nya le b ih se d e rhana ha na)) da d a ri suat ua tu ob o b ye k a ta u pr p ro se s ya ng a d a a ta u te te rja d i d i a la m ya ng se sung ung g uhny uhnya a. • A d a d ua jeni enis mo d el: el: – M o d e l fisik me re p re se nta nta sika n al a la m da da la m sua suattu b e ntuk ntuk fis fisik ya ng le b ih se se d e rhana ha na,, le le b ih ke ke c il, at a ta u lebih besar. – M o d e l ma te ma tik/ num nume rik me re p re se nta nta sika n al a la m d a la m sua suattu be b e ntuk ntuk p e rsa ma a nn-p p e rsa ma a n ma te ma tika ya ng me ngga ngg a mb a rka n pe p e rila ku da d a ri a la m ya ng se sungguhn ungg uhny ya .

• M o d e l d a p a t b e rb e ntuk se b a g a i o b ye k fisik, g a mb a r, g ra fik, p e rsa ma a n ma te ma tika , a ta upun upun p e ra ngka ngka t luna una k ya ng d ija la nka nka n d e ng a n ba b a ntua n ko ko mp ute r.

Mengapa gapa menggu ggunakan model del? • Fe no me na a la m ya ng ak a ka n d ika ji me rup a ka n suat ua tu s siistem tem yang ya ng sa nga ng a t ko ko mpl mp le ks se hi hing ngg g a sul uliit untuk dianalisa. • Bia ya ya ng d ib utuhk uhka n u unt ntuk uk me la kuka n p e rc o b a a n te te rha d a p a la m ya ng se sung g uhnya menj menja a d i te rla lu ma ma hal ha l. • Re siko d a ri me la kuka n p e rc o b a a n te rha d a p a la m ya ng se sungg ungg uhny uhnya menj menja a d i te rla lu berbahaya. • M ela ela kuka n p erc erc oba ob a a n terh erha d a p a la m ya ng se sungg ung g uhnya uhnya se c a ra te kni nis s tid a k memungkinkan.

Manfaat pemodelan • M eru erup a ka n pen pe nd eka eka ta n ya ya ng lebi eb ih mu mura h, lebi eb ih am a ma n, d a n le le b ih mu mud a h. • Dap Da p a t me la kuka n sua suattu si simul ula a si d a n di d ia g no sa d ima na b e b e ra p a ko mp o ne n d a ri mo d e l d a p a t d ihid up ka n, d imat ma tika n a ta u d iuba ub a h unt untuk menge meng e ta hui hui d a n mema memaha hami mi a kib a t-ak -a kib a t ya ng di d itimbul mbulk ka n. Ha l ini sa ng a t b e rg una d a la m me me mp e la ja ri c a ra ke rja a ta u mek meka ni nis sma d a ri se b uah ua h si siste m yang ya ng ko mpl mp le ks. • Dap Da p a t me la kuka n pr p re d iksi ke d e p a n me me ngen nge na i ko ndis ndisi sistem tem di d i mas ma sa mend menda a ta ng. ng . Ha Ha l ini tid a k mungk mungkin d ila kuka n hany ha nya a d e ng a n me ng a nd a lka n ke g ia ta n o b se rvas va si ya ng hany ha nya a b e rla ngs ngsung hi hing ngg g a sa a t ini ni.. • Se b e lum d a p a t d ig una una ka n se b a g a i a la t unt untuk simul ula a si maup ma upun un pr p re d iksi, se se b uah ua h mod mod e l har ha rus te rle b ih da d a hulu hulu melalui proses uji verifikasi dan validasi untuk meyakinkan b a hwa se b uah ua h mode mod e l me rupa upa ka n re re p re se nta nta si ya ng c ukup ukup b a ik d a ri a la m ya ya ng se sung ung g uhny uhnya a.

Model atmosfer • M o d e l a tmo sfe r me rup a ka n ku kump ula n da d a ri p e rsa ma a np e rsa ma a n ma ma te ma tika ya ng me ngga ngg a mb a rka n at a tmo sfe r ya ng se sungguhn ungg uhny ya . • A d a d ua je ni nis s mo d e l a tmo sfe r, ya itu mo mo d e l sta tistika d a n model dinamika. – Dal Da la m mo mo d e l sta tistika , ko ko ndi nd isi a tmosfer mosfer p a d a suat ua tu sa sa a t dihi dihittung ung b e rd a sa rka n pe p e rila ku da d a ri d a ta -d -da a ta se b e lumny umnya a (s (se e ja ra h). Dengan demikian, model-model statistika sangat bergantung dari ke te rse d ia a n da d a ta se ja ra h da d a n kur kura a ng da d a p a t me ngga ngg a mb a rka n hub hub ung ung a n rua ruang-wa ng-wa ktu ant a nta a ra var va ria b e l-v -va a ria b e l a tmosfer mosfer.. – Dal Da la m mo d e l d inami na mik ka , se juml umla h per pe rsa ma a n fi fisika ya ng me ngga ngg a mb a rka n ke ke a d a a n d da an p prro se s-pro -pro se s d a la m at a tmo sfer d ise le sa ika n d a la m g rid rua ruang ng da d a n wak wa ktu. M o d e l-mo -mo d e l se p e rti ini d a p a t me ngga ngg a mbar mba rka n di d inam na mika a tmo sfer, fer, te te ta p i b e rg a ntun ntung g p a d a p enyed enyeder erh ha na a n-p enyed enyeder erh ha na a n, ko ko nd isi a wal wa l d a n a simil mila si d a ta untuk meng menga a tas ta si sistem tem atm a tmo o sfer fer yang ya ng b e rsifat fa t chaotic.

Model odel c uac a dan dan iklim • M o d e l c ua c a me ng hitung ko nd isi a tmo sfe r ya ng d ig a mb a rka n o le h va ria b e l-v -va a ria b e l a tmo sfe r p a d a suat ua tu s sa a a t d i suat ua tu wil wila ya h mi misa lnya nya sebu eb ua h ko ta . M o d e l c ua c a sa ng a t b erg erg a ntung d a ri input np ut ko ndi nd isi a wa l, ko ndi nd isi ska la g lo b a l, d a n membutuhkan resolusi grid yang tinggi untuk me nghi nghittung ung ko ndi nd isi c uac ua c a se c a ra a kura ura t. • M o d e l iklim me nghi nghittung ung ko ndi nd isi ra ta -ra -ra ta a tmos mosfer fer d a la m sua suattu wil wila ya h ya ya ng le b ih lua luas s d a n unt untu uk ja ngk ngka wak wa ktu ya ya ng le b ih pa p a nj nja a ng. ng.

Sistem Iklim • Siste m ik iklim mer merupa up a ka n si siste m ya ya ng sa ling b e rka ita n da d a n nonno n-llinea nea r. • Ko mp o nennen-k ko mp o nen nen da d a ri siste m ik iklim mer merupa up a ka n sub sub-s -siiste m ya ng te rb uka uka d a n tidak terisolasi. • Ko mp o nen-k nen-ko mp o ne n it itu sa ling b e rinte nte ra ksi p a d a ska la ruang ua ng d a n wak wa ktu ya ng le b a r, d a ri mikro hi hing ngg g a me so d a n ska la p la net net.

Variasi harian, dalam-musim, musiman, antar-tahun, dekadal Variasi cuaca “ j  jan ang gka pendek ”

 J am am-j -jam aman an;; Aw Awan an hujan an,, tornad ado o, squal alll line, front, …. Siklus diurnal; Konveksi terorganisasi Siklon, Gelombang Timuran, Depresi, ….

Variasi cuaca “ j  jan ang gka menengah”

Bloc locking; king; Pe Pertumbuha umbuhan, n, pelur peluruha uhan n dar dari gangg ganggua uan n tr tropo pos sfer tropis

Variasi dalammusim

Madden Madde n J uli lia an Osc il illat lation ion (MJ (MJO O), Va Varias iasii dalamdalam-mu mus sim monsun, Variasi Pasifik Amerika Utara (PNA), Annular modes

Varia Var ias si ra rata-rata musim

Kekeringan panjang; Banjir; Hari “panas” dan “dingin” yang persisten; “Anomali” j  ju umlah dan track siklon

Varia Var ias si ant antarmusim

ENSO, QBO, TBO, NAO, NAM, SAM

Variasi dekadal

PDO, Sirkulasi Thermohaline, Kekeringan Sahel, ENSO dekadal

Peruba ubaha han n iklim

Mataha Mat har ri, Gun Gunun ung g Be Berapi, Ga Gas Rum uma ah Kac a, Peruba ubaha han n Tataguna Lahan

Model iklim: Definisi Ilmiah • M o d e l iklim ad a d a la h re re p re se nta nta si nume nume rik d a ri p e rsa ma a nn-p p e rsa ma a n da d a sa r ya ng meng mengg g a mba mb a rka n pe p e rila ku si siste m ik iklim da da n inte nte ra ksi a nta nta ra a ngg ng g o ta nya nya : a tmo sfe r, hidrosfer, kreosfer, biosfer, dan lithosfer.

Sejarah Singkat Pemodelan Iklim (I) • 1922: Le wis Fry Ric har ha rd so n – Pers Persa ma a n das da sa r d a n met meto o d o lo gi p redi ed iksi c ua c a numeri erik

• 1950: C har ha rney ney, Fjø rto ft a nd von von Neum Neuma a nn (19 (1950) – Pred Prediiksi c ua c a numeri erik ya ng p ert erta ma (mo (mo d el p ers ersa ma a n vor vo rtis tisitas ta s b a ro tro tro p is)

• 1956: Nor No rman ma n Phi Phillip s – Eksp e rimen si sirkul ula a si umum umum ya ng pe p e rta ma (dua (d ua la p is, mo mo d e l hemi he mis sfer fe r ge ge o stro tro p is)

• 1963: Sma g o rins nsk ky, M a nab na b e d a n ka ka wanwa n-k ka wan wa n di di G FDL, DL, USA – M o d e l p e rsa ma a n pri primitif 9 tingka ngka t.

• 1960s d a n 19 1970s: Ke lo mpo mp o k la in da d a n pe p e ner nerus usny nya a mula mula i bekerja – Uni niv ve rsity o f Ca C a liforni fornia a Lo s A ngel nge le s (UC (UC LA ), Nat Na tio nal na l C e nte nte r for A tmosp mosp heri heric Re se a rc h (NC (NC A R, Bo ul uld d e r, C o lo ra d o ) da d a n UK UK M eteo eteorrolo olo gi gic c a l O ffic e

Sejarah Singkat Pemodelan Iklim (II) • 1980: Simul mula si mod mod e l ko p e l ya ng p e rta ma • 1990 d a n se se te rus usny nya a : M o d e l p e rb a ndi nd inga nga n Er Era – A M IP, C M IP, SM IP, ENSI NSIP, PMI PM IP……

• 2000 d a n se se ter terus usnya nya:: Sistem tem pr p re d iksi musi musim e ns nse e mbe mbe l mul multi-mo -mo d e l – DEM ETER

• 2004: EU ENSE NSEM BLES Pro Pro je c t – G a b ung ung a n es e se mbe mbe l mul multi-mo -mo d e l mus usiim hi hing ngg g a d e ka d a l d a n p e ruba ub a han ha n ik iklim • 2007: IPC C Fo urt urth As A sse ssment ment Re p o rt – Pro Pro ye ksi iklim ta ta hun 21 2100 d a ri 18 mod mo d e l ko p e l la ututatmosfer-es.

Pohon Keluarga GCM

Ref: http://www.aip.org

Pengemban mbangan Mod Model Sist istem Iklim Iklim// Bumi

Model-model ini merupakan sintesa dan ukuran dari pengetahuan kita mengenai sistem kopel

Pemodelan Ikl Iklim: Untuk Ap Apa?

Masalahnya bukan apakah iklim akan berubah, tetapi menuju arah mana dan apa penyebabnya

Apakah model iklim itu? • M o d e l iklim a d a la h p ro g ra m ko mp ute r ya ng b e sa r b e rb a sis p e rsa ma a nn-p p e rsa maa ma a n ma te ma tika d a sa r me nge nge nai na i g e ra k, te rmod mod inami na mik ka d a n tr tra ns nsfe ferr ra d ia si • M o d e l iklim me rup a ka n p engem enge mb a ng a n d a ri mo d e l p re d iksi c ua c a • Pers Persa ma a nn-p p e rsa ma a n iini ni me ng a tur: – A lira n ud ud a ra d a n ai a ir – a ng in di d i a tmo sfe r, a rus d i la uta uta n. – Per Pertuka uka ra n p a nas na s, a ir d a n mo me ntum ntum a nta nta ra a tmo sfe r d a n p e rmuka a n b umi – Pel Pe le p a sa n p a nas na s la te n me la lui ko nde nde ns nsa a si se la ma p emben embe ntuka n a wan wa n d a n huja n – Peny Penye e ra p a n si sinar na r ma ta har ha ri d a n em emisi ra d ia si p a nas na s (infr (infra a mer mera h)

Persamaan-persamaan model iklim (atmosfer) Kekekalan momentum

Kekeka kekala lan n En Energi

Kekekalan massa Kekeka ekekallan air (atau zat kimia) Persamaan keadaan

Teknik Numerik  • Untuk ntuk me nye le sa ika n p e rsa maa ma a n ini ini,, bumi bumi d ire p re se nta nta sika n ol o le h ko ta k g rid d e nga n p a nj nja a ng 150 km at a ta u le le b ih kecil. • A tmosf osfer d a n la uta n d ib a g i d a la m la la p isa n vert vertika l d e nga nga n keda ed a la ma n ya ng bervariasi. • Ini memb emb eri erika n gam ga mb a ra n 3 dimensi dari sirkulasi a tmos mosfe r d a n la la uta uta n.

Diskretisasi Horisontal • Grid: – – – –

regu eg ula r gri grid s stretc etc hed gri grid s rota ota ted gr g rids reduc educ ed gri grids

• Formulasi numerik: – Finite d iffere ere nc e – spec pe c tra l meth ethods od s – finite el e lements ements

Diskretisasi horisontal • M etod etode e spe spek ktra l menggambarkan variasi sp a sia l d a la m be b e ntuk ntuk fini finitte series dari fungsi o rthog ho g o nal na l ya ng di d ise b ut b a sis funct func tio n • Untuk ntuk g e o metri metri ka rte sia n, b a sis funct func tio n ya ya ng se suai ua i a d a la h d o uble uble four fo uriie r se rie s d a la m x d a n y • Untuk b umi ya ng b ula t, b a sis funct func tio n ya ya ng se suai ua i a d a la h s sp p heri heric a l harmonics.

Diskretisasi Vertikal Koordinat Sigma:

σ  

=

 p  ps ( x, y, t )

• Koor oo rd ina t sigma gma mengikuti permukaan. • Tidak da k memot emoton ong g permukaan.

Diskretisasi Vertikal  p =  A +  Bps Puncak atmosfer 

200 hPa

400 hPa

Di permukaan: koordinat σ (A=0) Di puncak atmosfer: koordinat p (B=0)

600 hPa

800 hPa

Permukaan

Parameterisasi Fisis di dalam Model Atmosfer • A d a tig a je ni nis s p a ra me te risa si: – Pro Pro se s ya ng te rja d i p a d a ska la le b ih ke c il d a rip a d a ska la g rid , ya ng tid tid a k d ire p re se ntas nta sika n se se c a ra e ksp lisit; • Ko nve nve ksi, G e se ka n da da n tur turb b ul ule e ns nsii la p isa n ba ba ta s, g ra vi vitty wave wa ve drag • Se mua mua meli melib a tka n tr tra ns nsp p o rt vert vertika l momentu momentum m da n pa pa nas na s, ai a ir d a n za za t ki kimia mia se rta a e ro so l.

– Pro Pro se s-p -prro se s ya ng be b e rko ntr ntrib us usii p a d a p e mana ma nas sa n inte nte rnal na l (non(no n-a a d ia b a tik) • Tra ns nsfe ferr ra d ia si da da n pr p re sip itas ta si • Ke d uany ua nya a me mb utuh utuhk ka n p re d iksi tutupa utupan n a wan wa n

– Pro Pro se s-pro -pro se s ya ng me lib a tka n va va ria b e l ta mb a han ha n da d a ri va ria b e l d a sa r mo d e l • M isa lnya p ro se s-p -prro se s p e rmuka muka a n, si siklus ka rb o n, ki kimia mia ,

Parameterisasi Fisis dalam Model Atmosfer • Pro Pro se s-p -prro se s ya ng tid a k se c a ra e ksp lisit di dire p re se nta nta sika n ol o le h var va ria b e l d inami na mik ka d a n te te rmo d inam na mika d a sa r d a la m per pe rsa ma a nn-p p e rsa ma a n da d a sa r (di (d inami na mik ka , ko ko nti ntinuit nuita s, te te rmodi mod inami na mik ka , per pe rsa maa ma a n ke ke a d a a n) pad pa d a g rid mod mod e l har ha rus d imas ma sukk ukka n mel me la lui p pa a ra mete meterrisa si.

O3, H20, CO2, CH4, N2O

Radiasi merupakan penggerak dari sirkulasi atmosfer

Radiasi • A G C M memb emb utuhka n ju jumla h (u (up war wa rd , d o wnwa wnwa rd ) fluks uks ra d ia si p a d a : – Punc Punca a k a tmo sfe r, unt untuk me nentuk nentuka a n nera nera c a energ nerg i sistem permukaan-atmosfer. – Per Pe rmuk muka a n unt untuk menent mene ntuk uka a n suhu uhu p e rmuka uka a n – Pro Pro fil p emana ma nas sa n ra ra d ia si d ip e rluka uka n unt untuk p e rhi hittung ung a n termodinamika

⎛ κ   T ∂ T  ⎞ ρ ∂ T  ⎟⎟ + = − v ⋅ ∇ T + ω  ⎜⎜ − ∂ t  ∂ p  ⎠ ⎝   p

~ Q rad  c p

+

~ Q con c p

+  D H 

Radiasi ~ Q rad 

Qs

=

~ Qs c p

=

=

~ Qs

+

~ Ql

net  s

g dF 

c p dp I

[ K.s-1 ]

and  Ql

=

~ Ql c p

net 

=

g dF  l

c p dp

II

 Tuj  Tujua uan n d a ri p a ra me te risa si tra nsfe r ra d ia si a d a la h unt untuk meng menghi hitu tung ng b a g ia n I d a n II II untuk untuk ko ndi nd isi b e rsih dan da n/ a ta u bera bera wan

Skema Radiasi • Pro Pro se s ya ng p e rlu di d ip a ra met mete risa sika n te rja d i p a d a ska la mo le kul ule e r untuk untuk p e nye nye ra p a n ol o le h ga g a s d a n sk ska la mikro untuk untuk p a ntul ntula a n ol o le h pa p a rtike l • M e misa hka n a nta nta ra so la r re g io n d a n te rmal ma l re g io n • Dal Da la m se tia p re g io n, sp e ktrum d ip isa hka hka n ke d a la m b e b e ra p a p ita sp e ktra l (umumnya 5-10) • Efe k d a ri p a tula n Ra yle ig h, p e nye nye ra p a n g a s, a wan wa n d a n a e ro so l d ip a ra me te risa sika n da d a la m se tia p p ita

Partikel awan b e rinterk nterka si kuat ua t de de nga ng a n ra d ia si g e lo mbang mba ng pan pa nja ng da d a n pen pe ndek de k

Memantulkan visibel dan menyerap infra merah

G C M ti tidak da k dapa da patt menghit menghitung ung a wan, wa n, te ta p i p enget enge ta hua hua n mengenai enge nai  jum  jumlla hny hnya da d a n sifa tnya nya menentukan untuk menghi meng hittung ra d ia si d a n presipitasi

 J uml umla h a wan wa n unt untuk wil wila ya h gri grid b e rka itan ta n de d e nga nga n var va ria b e l p re d iksi iklim yang ya ng la in Ba nyak nya k ske ma d a ri ta ta hun 19 1970-an -a n menghi meng hittung tutup tutupa a n awa a wan n be b e rb a sis ke le mba mba b a n re re la tif tif (RH (RH)

cloudy= q

 Ac

⎧1 =⎨ ⎩0  Ac

q

 RH  > RH crit   RH  < RH crit 

= a + b( RH  − RH crit  ) Smag ma g o rinsky, insky, 196 1960 0

qs RH=1

RH<1

RH  itica a l re lati la tive ve humid humidity ity c rit  rit = c ritic a t whic whic h cl c lo ud a ssumed umed to form form (func (func tio tio n of height, typ typ ic a l value va lue is 60 60-80% -80%))

x