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
Skema mikrofisika awan Se mua mua p a ra meteri meterisa si ini sa nga nga t se d e rhana ha na d ib a ndi nd ingkan ngka n de d e nga nga n proses atmosfer sesungguhnya yang menentukan tutupan awan
Disinilah ketidakpastian utama dari sensitivitas iklim timbul
Skema Radiasi: Awan • Ske ma a wal wa l me nggun ngg una a ka n si sinar na r unt untuk g e lo mb a ng p e nde nd e k d a n p e rkira a n e misivita s untu ntuk g e lo mb a ng p a nja ng – Sifa t ra d ia tif a wan wa n di d ite ntuka n – Tid a k me mp e rhi hittung ung ka n ae a e ro so l
• Ske ma mo d e rn me me ng g una ka n “t “two stre a m e q uat ua tio ns ns” ” unt untuk me mp e rhi hittung ung ka n pa p a ntul ntula an d a n jug juga a p e rhi hittung ung a n si sifa t ra d ia tif d a ri a wan wa n da da n aerosol – Penga Pengarruh ukur ukura a n pa p a rtike l, fa fa sa (ai (a ir a ta u es e s) da d a n be b e ntuk ntuk (kr (krista l e s) da d a p a t di d ip a ra met mete risa sika n. – Pent Pe ntiing untuk untuk menel mene liti e fek tid a k la ngs ngsung da d a ri a e ro so l d if t d i tif
•
•
• •
∂T ~ = Qrad c p Konveksi ∂t Deng De nga a n ke ke se timba mb a nga ng a n ra ra d ia si murni murni,, strukt uktur te rmal ma l tid a k sta b il te rhad ha d a p p e rg e ra ka n ver vertika l udara. Peny Penye e ra p a n ra ra d ia si SW d i p e rmuka uka a n d a n e misi ra d ia si LW di d i te nga ng a h tro tro p o sfer ferment mentiid a ksta b ilka n atmosfer. Dal Da la m ko ndi nd isi ini ni,, p e rg e ra ka n ke ke c il d ikuat ua tkka n o le h bu b uo ya nc y hing g a b e rke mb a ng Be rsa ma p e nyimp a na n ua ua p a ir, p e mb a lika n ko nve nve ktif me me nj nja a g a tro p o sfe r ra ta -ra -ra ta g lo b a l mend mende e ka ti sta b ilita s b a sa h net ne tra l.
Mengapa parameteriasi konveksi penting? • Ko nve nve ksi d a p a t me mp e nga nga ruhi uhi sta b ilita s ver vertika l d a n po p o la a lira n sk ska la b e sa r me la lui – Re d istrib us usii p a nas na s, uap ua p a ir d a n mo mo me ntum ntum – M e ng ha silka n tutup a n a wan wa n ya ya ng memp mempe e nga ng a ruhi suhu p e rmuk muka a n
Apakah Parameterisasi Konveksi Itu? • Ske ma p a ra met mete risa si kumul umulus a ta u ko nvek nveksi a d a la h p prro se d ur untuk untuk memp mempe e rhi hittungk ung ka n pe p e nga ng a ruh ko ko le ktif d a ri p ro se s ko nvek nvektif sk ska la ke c il te rhad ha d a p va ria b le ska la b e sa r d a ri mo d e l. • M o d e l iklim d e nga nga n uk ukura ura n gr g rid le b ih be b e sa r d a rip a d a ko nve nve ksi har ha rus memp mempa a ra met mete risa sika n efe e fek k d a ri ko nvek nveksi te rha d a p va ria b e l mo d e l p a d a se tia p ko ta k g rid .
Formulasi Parameterisasi Konveksi • Te ntuk ntuka a n ke ja d ia n/ lo ka lisa si d a ri ko nvek nveksi (trig g e r): Ba g a ima na p o la -p o la c ua c a ska la b e sa r me nent nentuk uka a n pe p e mic uan, ua n, lo ka si d a n inte intens nsiita s d a ri ko nvek nve ksi • Te ntuk ntuka a n di d istrib us usii ver vertika l d a ri p e ruba ub a han ha n p e ma na sa n, ua p a ir d a n mo mo me ntum (cl (c lo ud mo d e l): Ba g a ima na sifa t-sifa t a wan wa n ya ng d ip a ra met mete risa sika n • Te ntuk ntuka a n juml jumla a h to to ta l d a ri ko nver nversi e ner ne rg i, p re sip ita siu ko ko nvek nvektif=p e le p a sa n pa p a nas na s (cl (c lo sure ure ): Ba Ba g a ima na ko nve nve ksi me mp e nga nga ruhi uhi lingk ngkung ung a n
Skema Konveksi Ske ma ko nvek nveksi ya ya ng p e rtama ta ma meny menye e suai ua ika n pr p ro fil fil suhu: suhu: Sk e m a p e n ye y e su a ia n a d ia b a t ik ik b a sa h (M a na be 1965) Ketika d a ri mode mod e l mele mele b ihi crit d a ri mo d e l disesuaikan kembali menjadi c rit Prosedur penyesuaian bertindak mendinginkan p e rmuka uka a n d a n me nghanga ngha ngattka n tr tro p o sfer a ta s Penyesuaian dapat dilihat se b a g a i p ro se s ya ng me nca nc a mp urk urka n udar uda ra hanga ha ngatt d e ka t p e rmuka uka a n ke ke a ta s mel mela lui a tmo tmo sfer fer
Skema Konveksi Ske ma-s ma -sk ke ma b e rikutny utnya a b e rb a sis nera nera c a uap ua p a ir d a n me me mco mc o b a mengg meng g a mba rka n ke ke nda nd a li ska la b e sa r (mi (misa lnya nya Kuo 1974)
M q
=−
1 g
ps
∫
ρ
∇ ⋅ vqdp + E s
ptrop
Konvergensi uap air ke dal dalam kolom kolom mode modell
Dalam skema Kuo presipitasi konvektif diasumsikan terj terja d i meng mengiikuti uti ko nver nverg e ns nsii uap ua p a ir ska la mod mod e l. Sebagian b dari M q ters terse d ia untuk untuk memb memba a sa hi a tmo tmo sfer fer, se mentar menta ra sisa nya nya , (1(1- b ) berkondensasi dan menjadi hujan.
Skema Konveksi • Ske ma ko nve nve ksi sa a t ini ke b a nya nya ka n menggunakan pendekatan fluks mas ma ssa . Se b a g a i contoh: – Ara Ara ka wa a nd Sc huber be rt (1974) – G regor eg ory y a nd Ro Ro wnt wntree (1990) – Tie d tke (19 (1989) – Ka in and a nd Fritsc h (19 (1990)
Proses-Proses Lapisan Batas PBL a d a la h la PBL la p isa n dek de ka t permukaan di mana transport vertikal melalui turbulensi b e rp e ra n d o minan na n d a la m nera era c a pan pa na s da n ua p a ir
A d a b erb erb a g a i je ni nis s la p isa n ba b a ta s dalam lingkungan ya ng b ber erbe bed da PBL dikendalikan oleh permukaan di bawahnya.
Evolusi PBL dan interaksinya dengan atmosfer bebas sa nga nga t ko mpl mple ks
Transport Lapisan Batas C a ra ya ng pa p a ling se se d e rhana ha na unt untuk menghi meng hittung ung tra ns nsp p o rt turb urb ul ule e n di d i la p isa n ba b a ta s a d a la h mengg meng g una una ka n “K-t “K-the heo o ry”, d e nga nga n ana a nallo g i d ifus usii molekuler.
∂U u' w' ≈ −K ∂ z ∂u' w' ∂ ⎛ ∂U ⎞ ∂2 ≈ ⎜− K ⎟ ≈ K 2 U ∂ z ∂ z ⎝ ∂ z ⎠ ∂ z
Koefisien difusi adalah fungsi dari stabilitas dsb b e rd a sa rka n te te o ri simil mila rita s M o ni nin-O n-Ob b ukho ukhov v
Proses-Proses Permukaan Men Mengapa proses-proses permukaa kaan penting untuk atmosfer? Per Permuka uka a n pl p la net ad a d a la h ko ko ndi ndisi b a ta s b a wah wa h unt untuk sirk irkulas ula si atmo a tmos sfer fe r. Fluks uks p a nas na s se ns nsiib e l d a n la la te n pa pa d a p e rmuk muka a n a d a la h ko ko ndi nd isi b a ta s b a wah wa h unt untuk uk e nta nta lp i (ener (energ gi inte nte rnal na l + e ner nerg i ka re na e ksp a ns nsii) da d a n pe pe rsa maa ma a n uap ua p a ir d i d a la m at a tmos mosfer. fer. G ra d ie n ve ve rtika l ya ng p a ling ta ja m te te rja d i d i d e ka t permukaan Kita hi hid d up d i a ta snya nya !
Proses-Proses Permukaan Ske ma p e rmuk muka a n di d ip e rluka uka n untuk: 1. M enghi enghitung fl fluks pan pa na s, ua p a ir d a n mo mo mentum mentum a nta nta ra p e rmuk muka a n da d a n at a tmosfer mosfer.. 2. M enghi enghitung su suhu per pe rmuka a n d a n va va ria b e l la in
Kini model memiliki representasi detil dari evaporasi, intersepsi d a n tra tra ns nsfer fer ve ve rtik tika l d a ri p a nas na s d a n ua ua p a ir d i ta nah
Isu kunc kunc i d a la m pa p a ra meter meteriisa si p e rmuk muka a n ad a d a la h: i) pe p e ra n ve ve g e ta si d a la m meng mengend enda a lika n e vap va p o tra tra ns nsp p ira si d a n iinter nters se p si huja huja n; (ii (ii) d de e skrip si ya ng c ukup ukup menge meng e nai na i tra ns nsfer fer p a nas na s d a n ai a ir d i ta nah; na h; d a n (ii (iii) untuk la titude titude ting tingg gi d a n d dii a tas ta s g unung de d e skrip si ya ng tepa tep a t mengenai pertukaran energi/air untuk kreosfer.
AGC M memb membut utuhka uhkan n time se series ies dari flu fluks ks radias iasi, panas sensibel dan laten, dan momentum, antara atmosfer-daratan sebagai kondisi batas.
Dapat dispesifikasi perhitungan yang melibatkan parameter per permukaa kaan dar dari albedo albedo,, roughn oughness, dan dan kete ketersediaa ediaan n kelemba kelembaba ban n ta tanah
Kesetimbangan Radiasi Permukaan SW d
SW u
LW d
LW u
Rn = SW d − SW u + LW d − LW u SW u
= α SW d
LW u
= ε σ T
Dalam ba ban nyak GC GC M, albed lbedo o dit dite entuka kan n
4
∴ Rn = (1 − α )SW d + LW d − εσ T
4 =1
Proses-Proses Permukaan
Rn
= H + LE + G + P
Fluks panas sensibel (konduksi ke atmosfer) [ W.m-2 ]
Fluk uks s p a na nas s la te ten n (dipelapskan ke a tm tmo o sfe ferr me mella lui evaporasi) [ W.m-2 ]
Fluks panas ke tanah [ W.m-2 ]
Ene nerrg i ya ng d ig una unak ka n untuk untuk fotosintesa [ W.m-2 ]
H d a n LE umum umumny nya a menentuk menentuka n R nila i ra sio p e le p a sa n pa p a nas na s n d a n nil se ns nsiib e l d a n lla a ten ke ke a tmo tmo sfer menent mene ntuk uka a n iik klim lo ka l d a n re re g io nal na l
Surface Energy Balance + Storage in the ground S o u r c e : a d a p t e d f r o m
( Given by the AGCM )
SW d d n a l a s m u r o e e n h t e o g s o i , l i m o o h s y r D
LW d SW u
H a r t m
LW u
T=T(t)
D
G T d
CCs s Td Td
a n n , 1 9 9 4
==albedo albedo ==emissivity emissivity -1 -3) ==heat heatcapacity capacity(J.K (J.K-.1m .m-3) ==tempe tem peratura ratura so loloprofund pro fundo oo(K) tem tem peratura pe raturado dosolo solo so profu profund ndo (K)
Rn = (1 − α )SW d + LW d − εσ T
4
C s D
dT dt
= Rn − G [ W.m-2 ] DD epen ep ends dson onthe the volum vo lume eefrac fractions tionsof epen ep ends dson onthe thevo volum lume fraction frac tions sofof soil, so il,il,org rga anicicmatter ter r anddair.ir. tterwate te
Fluks uks Turb urbule ulensi Flux = −
Potential
Difference
Resistance
Rn LE
H
f 2
fórmula geral T
D
F 1→2
=−
f 2 − f 1 r 12
r 12
F1 2 →
f 1
G
F1 2 →
evapor oraç ação ão (kg (kg m-2 s-1) E = evap fluxo xo de cal calo or laten atente te (W m-2) LE = flu lux xo de cal calor sen sensív sível (W m-2) H = fflu = fluxo fluxo de momen momentum tum (kg (kg m-1 s-2)
f 1
= fluxo turbulento de 1 a 2
e f 2 = con conc centr entraç ação ão em 1 e 2
r 12
= res resis istê tênc ncia ia entr entre e1e2
Fluks Momentum no slip
(dado) ur
= (ur , vr )
Rn r a ur
T
=0
zr
= (τ x, τ y) z0 D
G
nívell de ref refer erên ênci ciaa (m) (m) zr = níve comprim imen ento to de rugo rugosi sida dade de (m) (m) z0 = compr resist stên ênci ciaa aero aerodi dinâ nâmi mica ca (s m-1) r a = resi
τ
ρ
=−
0
−u r a
∴τ = ρ
ur
r a
τ x = ρ
u r
τ y = ρ
vr
r a r a
r
Fluks Panas Sensibel [ H ] ( Given by the AGCM )
T r
zr
Rn r a
H
G
ρc p
=−
T r − T r a
∴ H = ρc p
T
T
H
D
C s D
dT dt
T − T r r a
= Rn − G − H
[W m-2]
Fluks Panas Laten [ H ] (dado)
er
zr
Rn H
r a
LE w
ρ
=−
LE w
es(T )
T
E w
D
qr − qs (T )
= ρc p
r a Lε es (T ) − er c p p
ρc p ∴ LE w = γ
r a
es (T ) − er r a
&
γ=
c p p Lε
G
C s D pressã são o (hPa (hPa)) p = pres L = 2,5 x 10 6 J kg-1 ε = 0,622
dT dt
= Rn − G − H − LE w
[W m-2]
Pemodelan Permukaan Tanah dan Heterogenitas Rainfall
H2O CO2
Canopy evaporation
Transpiration Interception
Throughfall Surface runoff
Darcian flow Root uptake
Stomatal conductance Soil evaporation
Canopy height ( Leaf area index (
Root depth
Root fractions
z0)
α)
Pemodelan Permukaan Tanah dan Heterogenitas er SW d
LW d
LE s + LE c
er r a
r a es(T )
T r LE i es(T )
r c
r a
ur
H r a
T u
SW u LW u r soil
qs(T )
zr
=0
T
z0 + d
D
T G T d
C
dT dt
LE s
= Rn − G − H − L( E s + E c + E i )
ρc p = γ
hes (T ) − er r + r
& G=
C
τ
(T − T d )
Pred Predic icte ted d u, T, T, q
PBL PBL and and Surfa Surface ce
A Stable Conde ondens nsati ation on
No Condensation
Convec onvectitive ve Conde ondensa nsatition on
Cloud loud Fraction raction Stable table
Zero Cloud Cloud Fracti raction on
Cloud loud Fraction raction Conv onv
B
Radiation
Spectral Blocking Dissip Dissipati ation on Terms Terms
Gravity Wave Drag
Lautan • La uta uta n me rupa up a ka n flui uid d a inko nko mp re sib e l d ike nda nd a lika n se se c a ra te rma l d a n me me ka ni nis s te ruta ma p a d a p e rmuka a n • Dip a na ska n o le h ra d ia si ma ta har ha ri d a n d id ingi ng inka nka n ol o le h ev e va p o ra si d a n em e misi te rma l d a ri p e rmuka uka a n. • Tid a k a d a p e ma na sa n in inte rna l, te ta p i sa lini nitta s memp mempe e nga ng a ruhi d e ns nsiita s d a n sirku irkula las si.
Sifat-Sifat Dasar Lautan • Densi ensita s: – Pad Pa d a p e rmuka uka a n la la uta uta n ~ 1000x le b ih ra ra p a t d a rip a d a a tmo sfe r
• Ka pas pa sita s Pa na s: – Ka p a sitas ta s p a nas na s sp e sifik fik ~1200x a tmo tmo sfer fer – 2.5 .5m m la la uta uta n memil memiliki ka p a sita s ya ng sa ma d e nga n se se luruh uruh atmosfer – Ko nduk nd ukttivi vitta s turb urb ul ule e ns nsii (Di (Dib a ndi nd ingkan ngka n d diifus fusi d i d a ra ta n
• Ke cepat cepatan an::
A d ve ktif
G e lo mb a ng Ro ssb y inte nte rnal na l lilinta nta ng tenga teng a h
A tmo s.
~10 m/ s
~10 m/ s
La ut
~1-10 c m/ s
~1c m/ s
• La uta uta n be b e rg e ra k d a n meny menye e suai ua ika n di d iri ~1000x le b ih la mba mba t d a rip a d a a tmo sfe r – sumb umb e r memor memo ri d a la m si siste m iklim
Rata-Rata Global Siklus Hidrologi
107-71=36 107-71=36
More prp than evap
More evap than prp
Penamp Penampung ung uap uap air air yang yang besar besar !
Interaksi Lautan Atmosfer • La uta uta n da d a n at a tmo sfer fer b e rinte nte ra ksi te rus menerus. • Fluks uks p a nas na s, a ir ta wa r d a n mo mo me ntum ntum (+Be rb a g a i sp e sie s kimia mia ). Presipitasi
Stress angin
Qnet panas
Evaporasi
Lapisan batas permukaan
Pemodelan Interaksi Atmosfer-Lautan • Ko p ling d inam na mis d e nga nga n at a tmo sfe r, e s, d a n aliran permukaan. • Suhu p e rmuka a n la ut d a p a t b e rub a h mer mere sp o n at a tmos mosfer fer, da d a n at a tmo sfer fer d ip e nga ng a ruhi o le h suhu suhu p e rmuka uka a n lla a ut. ut. • O G C M har ha rus me miliki ke nda nd a li a ng in, p a na s d a n ai a ir, g e o me tri d o ma in ge ge o g ra fis ya ng b e na r, d a n p e rsa ma a n ke a d a a n untuk laut.
Model Rawa
S + F - F - H – LE = 0
• SST d ihi hittung ung hany ha nya a d a ri ke se timba mba nga nga n ener energ gi permukaan. • Tid a k a d a p e nyimp a na n p a na s, tid a k a d a a rus la ut.
• Eksp e rimen men se se ns nsiitivi vitta s (var (va ria si ko ns nstta nta nta mat ma ta har ha ri a ta u C O 2 d i d a la m at a tmo sfe r) • Ha nya ke nd a li ra ta -ra ta ta huna n d a ri
Model lautan lapisan campuran
S + F - F - H – LE = c ph T t
50 hingga 100m air
• M e ngi ngijinka nka n si siklus musiman • Ke se timb a ng a n e nerg erg i p erm ermuka a n “dit “dita mb a h” p enyi enyimp a na n p a na s • Tid a k a d a a rus la ut, tid a k a d a upwelling • Eksp e rimen men se se ns nsiitivi vitta s (var (va ria si ko ns nstta ntt ntta mat ma ta har ha ri a ta u C O 2 d i d a la m at a tmosf mosfe r) • Ko re ksi fluks uks (s (sum umb b e r p a nas na s) unt untuk meng mengk ko mpe mpe ns nsa a si a rus la ut d a n upw up we lling
La ngka ngka h ya ng pa p a ling ko mpl mp le ks d a la m hir hira rki mo d el gl glo oba l
Kesetimbangan energi p e rmuka a n + p e nyimp a na n p a na s + a rus la ut + upw up we lling + p ro se s p e rc a mpur mp ura a n sk ska la sub-grid
Apakah kah Downsc aling itu (at (atau Pemodelan Iklim Regional)? • Do wns wnsc a ling a d a la h me to d e untuk memp mempe e ro le h info inforrmas ma si iklim at a ta u p e ruba ub a han ha n ik iklim re re so lus usii tingg ng g i d a ri mod mo d e l iklim g lo b a l (GC (G C M ) ya ya ng ka sa r. • Te kni nik k Dow Do wns nsc c a ling me ni ning ngk ka tka n at a ta u me mb e rika n ni nilla i ta mb a h me nge nge nai na i info nfo rma si re g io nal na l ya ng d ise d ia ka n GC GC M
J enis-J enis Downsc aling • Dina mik: – M o d e l iklim nest neste d re g io nal na l (at (a ta u wil wila ya h terbatas) – Eksp e rime n GC G C M re so lus usii tingg ngg i d a n va va ria b e l.
• M e to d e sta tistik me ngg ngg unak na ka n hub unga nga n e mp iris a nta nta ra o utp utp ut G C M d a n s stta tistik iklim lokal. – A na lisa ko mp o nen ut uta ma – A nal na lisa re g re si – M eto eto d e ja ring a n sa ra f
Dyna ynamic Downsc aling: Model Iklim Regional (atau Area Terbatas) • Tuj uju ua n: M e mb e rika n “nil “nila i ta mb a h” meng menge e nai na i infor nformas ma si re g io nal na l ya ng d ise d ia ka n da d a ri re a nal na lisis g lo b a ll a ta u GCM • M o d el d ina mis b e rb a sis p e rsa maa ma a n primitif dengan formulasi hidrostatik (c o nto h RegC eg C M 3) d a n non-hidrostatik (co (c o nto nto h: M M 5 RA M S)
http://www.meted.ucar.edu/mesoprim/models/print.htm
Kita Hidup di Dunia Resolusi Tinggi • Ka re na re so lusi ya ng ka ka sa r, G C M tid a k d a p a t memp mempe e rlihat ha tka n efe efek k-efe -efek k d a ri fi fittur re g io nal na l
Perbedaan daratan-lautan Air di daratan Topografi Tata guna lahan
Mengapa Downscaling? • B nya , GC G C M memi memilliki re so lus usii le b ih ka ka sa r d a ri 2° . ia sa nya latitude-longitude. • G C M me nye nye d ia ka n re sp o n sirkula si g lo b a l te rhad ha d a p ke nda nd a li ska la b e sa r. • M o d e l re g io na l me nye d ia ka n resp esp o n te rha d a p ke nd a li lo ka l, bi bia sa nya nya p ro se s-p -prro se s sub-g ub -grrid d i d a la m GC G C M. • A kib a t la ngsun ngsung g re so lus usii sp a sia l ya ng kura ura ng d a ri G C M a d a la h ke ke tid a kc o c o ka n sk ska la sp a sia l a nta nta ra p re d iksi iklim ya ng te te rse d ia d a n sk ska la ya ng di d ib utuh utuhk ka n ol ole h pe pe nggun ngg una a prediksi iklim. • Be b e ra p a a p lika si juga uga me mbut mbutuh uhk ka n pr p re d iksi iklim d e nga nga n re re so lus usii wa ktu ya ya ng le b ih ti tingg ngg i. Ke Ke b a nya nya ka n mo d e l tumb umb uha uha n me me mb utuh utuhk ka n input input c uac ua c a har ha ria n. Pre Pre sip ita si har ha ria n G C M memp mempe e rlihat ha tka n var va ria b ilita s har ha ria n ya ng kura ng da d a n p e nyi nyimp a ng a n d ib a ndingk ndingka an t n (M t l 1990).
Nilai Tambah • Wila ya h d enga engan n topog op ogrra fi ya ng ko mp le ks d a n/a n/ a ta u ta ta g una la ha n. • Sirkul ula a si a tmos mosfer re g io nal na l d a n lo lo ka l (mis (misa lnya nya je t, sistem konveksi skalameso, sirkulasi angin daratla ut, ut, aw a wa n huj huja n tr tro p is) • Pro Pro se s-p ro se s d e ng a n skala waktu frekuensi ting tingg g i (mis (misa lnya fre fre kuens ue nsii huja huja n da d a n di d istri trib us usii intensitas, onset monsun dan waktu transisi)
300 km
60 km
Dua J enis Kondisi isi Ba Batas: Kondisi Awal and Lateral • Ko ndi nd isi a wal wa l: te rra in, je je ni nis s p e rmuk muka a n, suh suhu u pe p e rmuk muka a n la la ut, ut, kelemba elembab b a n ta na h • Late ate ral: al: – Sumber umbe r: re a nal na lisis (mis (misa lnya nya NC EP-NC A R Re a nal na lysis a tau ta u ER ERA -4 -40 0) ata a tau u GC M – Var Va ria b el ya ng di d ip e rluka uka n: teka eka nan na n per pe rmuka uka a n, suhu, uhu, kelemba elemba b a n, a ngin ngin hori horizo nta nta l (bi (b ia sa nya nya d a ta 6 ja man) ma n)
Kondisi Batas Lateral Horisontal
Marba arbaix ix et al. al. (2 (2003)
Puncak
Vertikal
Lebih banyak nudging
Kendali skala besar pada bagian dalam domain
level
σ
Permukaan
Lebih sedikit nudging
Nudging term
Isu Isu dalam RC M • Ko nd isi b a ta s la te ra l – te ta p – b uka n iin nte ra ksi d ua a ra h (a (a na lo g i d e nga ng a n s siiste m pe p e mod mod e la n s sa a tu ttiingk ng ka t vs d ua tingkat) – A d a nya nya e rro r siste ma tis – Pi Pilliha n d o ma in
• RC M – Sp in-up – Fisika d a la m mo d e l
ATMOSFER Dinamika Skala-Meso Awan & Presipitasi AOGCM atau Analisis
i s a t i p i s e r P
i s a i d a R
Aerosol & Kimia
Radiasi
n a a Lapisan Batas k u m r e P s k u l PERMUKAAN DARATAN/LAUTAN F
Biosfer & & Tanah
Pertanian
Hidrologi & Danau
Fluks Lautan
Runoff Sungai
o d e b l A
Salju & Laut-Es
Ekosistem
Ringkasan • A tmo sfer a d a la h fluid a d i a ta s p la net ya ng ber b erp p uta r: – Dra g di d i p erm ermuka a n d a n d a la m a tmosf osfer mempen empe ngar ga ruhi nera era c a momentum – Ua p a ir me nguap ngua p d a ri p erm ermuka uka a n, b e rko ndens nde nsa a si me mb entuk entuk a wa n d da a n mema memana nas si a tmos mosfer ke tika menja menja d i p re sip ita si. – Pemana Pema nas sa n da ri ra d ia si ma ta har ha ri d a n pendi pe ndingi ngina nan n da ri ra d ia si termal. • Dengan enga n dem de mikia n mod model el meli elip uti p ers ersa ma a n; – A ngi ng in 3 ko mpo mpo nen nen (ata (a tau u vor vortis tisitas ta s & di d iver verg e ns nsii), te te rmas ma suk ko rio lis da n dra dra g – Pers ersa ma a n kea keada da a n dan da n kek kekek eka a la n air air – Te rmo d inam na mika , tte e rmas ma suk p e ma nas na sa n ol o le h ko ko ndens nde nsa a si d a n ra ra d ia si • La uta uta n juga me rupa ka n flui uid d a te ta p i inko nko mp re sib e l. Ia d ip a nas na si o le h ra d ia si mat ma ta har ha ri d a n d diid ingi nginka nka n mel mela lui e vap va p o ra si d a n emi e mis si te rmal ma l d a ri p e rmuk muka a n. Tid a k a d a p e mana ma nas sa n int inte e rnal na l, te te ta p i sa lini nitta s memp me mpe e nga ng a ruhi de de ns nsiitas ta s d a n si sirkul ula a si. • M o d el ta mb a ha n tel tela a h d ib a ngun untu ntuk meli elip uti p erm ermuka a n, kreosferm kimia dan aerosol atmosfr, siklus karbon dsb. • Pro Pro se s-p -prro se s p a d a ska la sub-gr ub-griif d diimode mod e lka n mela mela lui p a ra meteri meterisa si.
Referensi • Se b a g ia n be b e sa r info nfo rma si d a la m pr p re se nta nta si ini mer merupa up a ka n te te rje maha ma han n da d a ri p re se nta nta si tio n , “Tra in in g C o u rse o n C lim a te In f o rm a tio A p p ro a c h e s a n d To o ls f o r A sse ssin g a n d M a n a g ing C lim a te Risk s” , o le h C hri hristo p her he r tro d e Pre v isão d e C unni unning ngha ham m d a ri C e n tro Te m p o e Est u d o s C lim át ic o s, In st it u t o Na c io n a l d e Pe sq u isa s Esp a c ia is .
Terima kasih !
[email protected]