mengenal model dinamika atmosfer

Upload: achmad-ivo

Post on 11-Feb-2018

246 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    1/76

    Mengenal Model Dinamika AtmosferMengenal Model Dinamika Atmosfer

    Didi Satiadi

    Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional

    Diseminasi Bidang Pemodelan Iklim

    Bandung, 21 April 2009

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    2/76

    Apakah model itu?

    Model merupakan representasi (biasanya lebihsederhana) dari suatu obyek atau proses yangada atau terjadi di alam yang sesungguhnya.

    Ada dua jenis model: Model fisik merepresentasikan alam dalam suatu

    bentuk fisik yang lebih sederhana, lebih kecil, ataulebih besar.

    Model matematik/numerik merepresentasikan alamdalam suatu bentuk persamaan-persamaanmatematika yang menggambarkan perilaku dari alam

    yang sesungguhnya. Model dapat berbentuk sebagai obyek fisik,gambar, grafik, persamaan matematika,ataupun perangkat lunak yang dijalankandengan bantuan komputer.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    3/76

    Mengapa menggunakan model?

    Fenomena alam yang akan dikaji merupakansuatu sistem yang sangat kompleks sehingga sulituntuk dianalisa.

    Biaya yang dibutuhkan untuk melakukanpercobaan terhadap alam yang sesungguhnyamenjadi terlalu mahal.

    Resiko dari melakukan percobaan terhadapalam yang sesungguhnya menjadi terlalu

    berbahaya. Melakukan percobaan terhadap alam yangsesungguhnya secara teknis tidak

    memungkinkan.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    4/76

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    5/76

    Model atmosfer Model atmosfer merupakan kumpulan dari persamaan-

    persamaan matematika yang menggambarkan atmosferyang sesungguhnya.

    Ada dua jenis model atmosfer, yaitu model statistika danmodel dinamika. Dalam model statistika, kondisi atmosfer pada suatu saat dihitung

    berdasarkan perilaku dari data-data sebelumnya (sejarah).

    Dengan demikian, model-model statistika sangat bergantung dariketersediaan data sejarah dan kurang dapat menggambarkanhubungan ruang-waktu antara variabel-variabel atmosfer.

    Dalam model dinamika, sejumlah persamaan fisika yang

    menggambarkan keadaan dan proses-proses dalam atmosferdiselesaikan dalam grid ruang dan waktu. Model-model seperti inidapat menggambarkan dinamika atmosfer, tetapi bergantungpada penyederhanaan-penyederhanaan, kondisi awal dan

    asimilasi data untuk mengatasi sistem atmosfer yang bersifatchaotic.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    6/76

    Model cuaca dan iklim

    Model cuaca menghitung kondisi atmosfer yangdigambarkan oleh variabel-variabel atmosferpada suatu saat di suatu wilayah misalnyasebuah kota. Model cuaca sangat bergantungdari input kondisi awal, kondisi skala global, danmembutuhkan resolusi grid yang tinggi untuk

    menghitung kondisi cuaca secara akurat. Model iklim menghitung kondisi rata-rata

    atmosfer dalam suatu wilayah yang lebih luas

    dan untuk jangka waktu yang lebih panjang.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    7/76

    Sistem Iklim

    Sistem iklim merupakan sistem yang salingberkaitan dan non-linear.

    Komponen-komponen dari sistem iklimmerupakan sub-sistem yang terbuka dan

    tidak terisolasi. Komponen-komponen itu saling

    berinteraksi pada skala ruang dan waktuyang lebar, dari mikro hingga meso danskala planet.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    8/76

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    9/76

    Variasi harian, dalam-musim, musiman,

    antar-tahun, dekadal

    Variasi cuacajangka pendek

    Jam-jaman; Awan hujan, tornado, squall line, front, .

    Siklus diurnal; Konveksi terorganisasi

    Siklon, Gelombang Timuran, Depresi, .

    Variasi cuacajangkamenengah

    Blocking; Pertumbuhan, peluruhan dari gangguan troposfertropis

    Variasi dalam-musim

    Madden Julian Oscillation (MJO), Variasi dalam-musim

    monsun, Variasi Pasifik Amerika Utara (PNA), Annular modes

    Variasi rata-ratamusim

    Kekeringan panjang; Banjir; Hari panas dan dingin yangpersisten; Anomalijumlah dan track siklon

    Variasi antar-musim

    ENSO, QBO, TBO, NAO, NAM, SAM

    Variasi dekadal PDO, Sirkulasi Thermohaline, Kekeringan Sahel, ENSO dekadal

    Perubahan iklim Matahari, Gunung Berapi, Gas Rumah Kaca, PerubahanTataguna Lahan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    10/76

    Model iklim: Definisi Ilmiah

    Model iklim adalah representasi numerikdari persamaan-persamaan dasar yang

    menggambarkan perilaku sistem iklim daninteraksi antara anggotanya: atmosfer,hidrosfer, kreosfer, biosfer, dan lithosfer.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    11/76

    Sejarah Singkat Pemodelan Iklim (I)

    1922: Lewis Fry Richardson Persamaan dasar dan metodologi prediksi cuaca numerik

    1950: Charney, Fjrtoft and von Neumann (1950)

    Prediksi cuaca numerik yang pertama (model persamaanvortisitas barotropis)

    1956: Norman Phillips Eksperimen sirkulasi umum yang pertama (dua lapis, model

    hemisfer geostropis)

    1963: Smagorinsky, Manabe dan kawan-kawan di GFDL,USA

    Model persamaan primitif 9 tingkat. 1960s dan 1970s: Kelompok lain dan penerusnya mulai

    bekerja University of California Los Angeles (UCLA), National Center for

    Atmospheric Research (NCAR, Boulder, Colorado) dan UKMeteorological Office

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    12/76

    Sejarah Singkat Pemodelan Iklim (II)

    1980: Simulasi model kopel yang pertama

    1990 dan seterusnya: Model perbandingan Era

    AMIP, CMIP, SMIP, ENSIP, PMIP 2000 dan seterusnya: Sistem prediksi musim

    ensembel multi-model

    DEMETER

    2004: EU ENSEMBLES Project Gabungan esembel

    multi-model musim hingga dekadal danperubahan iklim

    2007: IPCC Fourth Assessment Report

    Proyeksi iklim tahun 2100 dari 18 model kopel laut-atmosfer-es.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    13/76

    Pohon Keluarga GCM

    Ref: http://www.aip.org

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    14/76

    Pengembangan Model Sistem Iklim/Bumi

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

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    15/76

    Pemodelan Iklim:Untuk Apa?

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

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    16/76

    Apakah model iklim itu?

    Model iklim adalah program komputer yangbesar berbasis persamaan-persamaanmatematika dasar mengenai gerak,

    termodinamika dan transfer radiasi Model iklim merupakan pengembangan dari

    model prediksi cuaca

    Persamaan-persamaan ini mengatur: Aliran udara dan air angin di atmosfer, arus di lautan.

    Pertukaran panas, air dan momentum antara atmosferdan permukaan bumi

    Pelepasan panas laten melalui kondensasi selamapembentukan awan dan hujan

    Penyerapan sinar matahari dan emisi radiasi panas(infra merah)

    Persamaan persamaan model iklim

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    17/76

    Persamaan-persamaan model iklim(atmosfer)

    Kekekalan momentum

    Kekekalan Energi

    Kekekalan massa

    Kekekalan air(atau zat kimia)

    Persamaan keadaan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    18/76

    Teknik Numerik

    Untuk menyelesaikanpersamaan ini, bumidirepresentasikan oleh

    kotak grid denganpanjang 150 km atau lebihkecil.

    Atmosfer dan lautandibagi dalam lapisanvertikal dengan

    kedalaman yangbervariasi.

    Ini memberikan gambaran

    3 dimensi dari sirkulasiatmosfer dan lautan.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    19/76

    Diskretisasi Horisontal

    Grid:

    regular grids

    stretched grids rotated grids

    reduced grids

    Formulasi numerik: Finite difference

    spectral methods

    finite elements

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    20/76

    Diskretisasi horisontal

    Metode spektralmenggambarkan variasispasial dalam bentuk finite

    series dari fungsiorthogonal yang disebutbasis function

    Untuk geometri kartesian,basis function yang sesuaiadalah double fourier

    series dalam x dan y Untuk bumi yang bulat,

    basis function yang sesuai

    adalah sphericalharmonics.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    21/76

    Diskretisasi Vertikal

    Koordinat Sigma:

    ),,( tyxp

    p

    s

    =

    Koordinat sigmamengikutipermukaan.

    Tidak memotongpermukaan.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    22/76

    Diskretisasi Vertikal

    Puncak atmosfer

    Permukaan800 hPa

    200 hPa

    400 hPa

    600 hPa

    sBpAp +=

    Di permukaan:koordinat

    (A=0)

    Di puncakatmosfer:

    koordinat p(B=0)

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    23/76

    Parameterisasi Fisis di dalam Model Atmosfer

    Ada tiga jenis parameterisasi:

    Proses yang terjadi pada skala lebih kecil daripadaskala grid, yang tidak direpresentasikan secara eksplisit;

    Konveksi, Gesekan dan turbulensi lapisan batas, gravity wavedrag

    Semua melibatkan transport vertikal momentum dan panas, air

    dan zat kimia serta aerosol. Proses-proses yang berkontribusi pada pemanasan

    internal (non-adiabatik)

    Transfer radiasi dan presipitasi Keduanya membutuhkan prediksi tutupan awan

    Proses-proses yang melibatkan variabel tambahan dari

    variabel dasar model Misalnya proses-proses permukaan, siklus karbon, kimia,aerosol, dsb

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    24/76

    Parameterisasi Fisis dalam Model Atmosfer

    Proses-proses yang tidak secara eksplisit direpresentasikan oleh variabeldinamika dan termodinamika dasar dalam persamaan-persamaan dasar(dinamika, kontinuitas, termodinamika, persamaan keadaan) pada gridmodel harus dimasukkan melalui parameterisasi.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    25/76

    O3, H20, CO2, CH4, N2O

    Radiasi merupakan penggerak dari sirkulasi atmosfer

    R di i

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    26/76

    Radiasi

    AGCM membutuhkan jumlah (upward,downward) fluks radiasi pada :

    Puncak atmosfer, untuk menentukan neraca energisistem permukaan-atmosfer.

    Permukaan untuk menentukan suhu permukaan

    Profil pemanasan radiasi diperlukan untuk perhitungantermodinamika

    H

    p

    con

    p

    rad Dc

    Q

    c

    Q

    p

    T

    t

    T +++

    +=

    ~~

    p

    TTv

    R di i

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    27/76

    Radiasi

    lsrad QQQ~~~

    += [ K.s-1 ]

    dp

    dF

    c

    g

    c

    Q

    Qanddp

    dF

    c

    g

    c

    Q

    Q

    net

    l

    pp

    l

    l

    net

    s

    pp

    s

    s ====

    ~~

    I II

    Tujuan dari parameterisasi transfer radiasi adalah untuk

    menghitung bagian I dan II untuk kondisi bersihdan/atau berawan

    Sk R di i

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    28/76

    Skema Radiasi

    Proses yang perlu diparameterisasikanterjadi pada skala molekuler untuk

    penyerapan oleh gas dan skala mikrountuk pantulan oleh partikel

    Memisahkan antara solar region dan

    termal region Dalam setiap region, spektrum dipisahkan

    ke dalam beberapa pita spektral(umumnya 5-10)

    Efek dari patulan Rayleigh, penyerapan

    gas, awan dan aerosoldiparameterisasikan dalam setiap pita.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    29/76

    Partikel awanberinterkasi kuat dengan

    radiasi gelombangpanjang dan pendek

    GCM tidak dapatmenghitung awan, tetapipengetahuan mengenaijumlahnya dan sifatnyamenentukan untuk

    menghitung radiasi danpresipitasi

    Memantulkan visibel danmenyerap infra merah

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    30/76

    J umlah awan untuk wilayah gridberkaitan dengan variabel prediksi

    iklim yang lain

    Banyak skema dari tahun 1970-anmenghitung tutupan awan berbasis

    kelembaban relatif (RH)

    q

    x

    qsq

    cloudy=

    RH=1 RH=

    crit

    crit

    cRHRH

    RHRHA

    0

    1

    RHc rit= critical relative humidityat which cloud assumed to form

    (function of height, typicalvalue is 60-80%)

    ( )critc RHRHbaA +=

    Smagorinsky, 1960

    Skema mikrofisika awan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    31/76

    Skema mikrofisika awan

    Semua parameterisasi ini sangat sederhana dibandingkan denganproses atmosfer sesungguhnya yang menentukan tutupan awan

    Disinilah ketidakpastian utama dari sensitivitas iklim timbul

    Skema Radiasi: Awan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    32/76

    Skema Radiasi: Awan

    Skema awal menggunakan sinar untukgelombang pendek dan perkiraan emisivitasuntuk gelombang panjang

    Sifat radiatif awan ditentukan

    Tidak memperhitungkan aerosol

    Skema modern menggunakan two streamequations untuk memperhitungkan pantulandan juga perhitungan sifat radiatif dari awan dan

    aerosol Pengaruh ukuran partikel, fasa (air atau es) dan bentuk

    (kristal es) dapat diparameterisasikan.

    Penting untuk meneliti efek tidak langsung dari aerosoldan sifat radiatif awan.

    Konveksi ~T

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    33/76

    Konveksi radp Qct

    =

    Dengan kesetimbangan radiasi murni, strukturtermal tidak stabil terhadap pergerakan vertikaludara.

    Penyerapan radiasi SW di permukaan dan emisiradiasi LW di tengah troposfermentidakstabilkan

    atmosfer. Dalam kondisi ini, pergerakan kecil dikuatkkan

    oleh buoyancy hingga berkembang

    Bersama penyimpanan uap air, pembalikankonvektif menjaga troposfer rata-rata global

    mendekati stabilitas basah netral.

    Mengapa parameteriasi konveksi penting?

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    34/76

    Mengapa parameteriasi konveksi penting?

    Konveksi dapat mempengaruhi stabilitasvertikal dan pola aliran skala besar melalui

    Redistribusi panas, uap air dan momentum Menghasilkan tutupan awan yang

    mempengaruhi suhu permukaan

    Apakah Parameterisasi Konveksi Itu?

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    35/76

    Apakah Parameterisasi Konveksi Itu?

    Skema parameterisasi kumulus ataukonveksi adalah prosedur untuk

    memperhitungkan pengaruh kolektif dariproses konvektif skala kecil terhadapvariable skala besar dari model.

    Model iklim dengan ukuran grid lebih besardaripada konveksi harus

    memparameterisasikan efek dari konveksiterhadap variabel model pada setiap

    kotak grid.

    FormulasiParameterisasiKonveksi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    36/76

    Formulasi Parameterisasi Konveksi

    Tentukan kejadian/lokalisasi dari konveksi(trigger): Bagaimana pola-pola cuacaskala besar menentukan pemicuan, lokasidan intensitas dari konveksi

    Tentukan distribusi vertikal dari perubahan

    pemanasan, uap air dan momentum(cloud model): Bagaimana sifat-sifat awanyang diparameterisasikan

    Tentukan jumlah total dari konversi energi,presipitasiu konvektif=pelepasan panas

    (closure): Bagaimana konveksimempengaruhi lingkungan

    Skema Konveksi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    37/76

    Skema konveksi yang pertama menyesuaikan profil suhu: Skem ap e nye sua ia n a d ia b a t ik b a sa h(Manabe 1965)

    Ketika dari model melebihi

    critdari model disesuaikan

    kembali menjadi crit

    Prosedur penyesuaian

    bertindak mendinginkanpermukaan danmenghangatkan troposfer atas

    Penyesuaian dapat dilihatsebagai proses yangmencampurkan udara hangatdekat permukaan ke atasmelalui atmosfer

    Skema Konveksi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    38/76

    Skema Konveksi

    Skema-skema berikutnya berbasis neraca uap air dan memcobamenggambarkan kendali skala besar (misalnya Kuo 1974)

    s

    p

    pq Eqdp

    gM

    s

    trop

    += v1 Konvergensi uap air ke

    dalam kolom model

    Dalam skema Kuo presipitasi konvektif diasumsikanterjadi mengikuti konvergensi uap air skala model.

    Sebagian bdariMq tersedia untuk membasahi atmosfer,sementara sisanya, (1- b) berkondensasi dan menjadi hujan.

    Skema Konveksi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    39/76

    Skema Konveksi

    Skema konveksi saatini kebanyakanmenggunakanpendekatan fluksmassa. Sebagai

    contoh: Arakawa and Schubert(1974)

    Gregory and Rowntree(1990)

    Tiedtke (1989)

    Kain and Fritsch (1990)

    Proses-ProsesLapisan Batas

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    40/76

    Lapisan Batas

    PBL adalah lapisan dekatpermukaan di mana transportvertikal melalui turbulensiberperan dominan dalam

    neraca panas dan uap air

    Ada berbagai jenislapisan batasdalam lingkungan

    yang berbedaPBL dikendalikanoleh permukaan dibawahnya.

    Evolusi PBL dan interaksinya dengan atmosfer bebas

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    41/76

    y gsangat kompleks

    TransportLapisanBatas

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    42/76

    Transport Lapisan Batas

    Cara yang paling sederhana untuk menghitungtransport turbulen di lapisan batas adalahmenggunakan K-theory, dengan analogi difusi

    molekuler.

    z

    UKwu

    ''

    Uz

    Kz

    UK

    zz

    wu2

    2''

    Koefisien difusi adalah fungsi dari stabilitas dsb

    berdasarkan teori similaritas Monin-Obukhov

    Proses-ProsesPermukaan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    43/76

    Proses Proses Permukaan

    Mengapa proses-proses permukaanpenting untuk atmosfer?

    Permukaan planet adalah kondisi batas bawah untuksirkulasi atmosfer.

    Fluks panas sensibel dan laten pada permukaanadalah kondisi batas bawah untuk entalpi (energiinternal + energi karena ekspansi) dan persamaan uapair di dalam atmosfer.

    Gradien vertikal yang paling tajam terjadi di dekatpermukaan

    Kita hidup di atasnya!

    Proses-Proses Permukaan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    44/76

    Skema permukaan diperlukanuntuk:

    1. Menghitung fluks panas, uapair dan momentum antara

    permukaan dan atmosfer.2. Menghitung suhu permukaan

    dan variabel lain

    Isu kunci dalam parameterisasipermukaan adalah: i) peran vegetasidalam mengendalikanevapotranspirasi dan intersepsi hujan;

    (ii) deskripsi yang cukup mengenaitransfer panas dan air di tanah; dan(iii) untuk latitude tinggi dan di atasgunung deskripsi yang tepat

    mengenai pertukaran energi/airuntuk kreosfer.

    Kini model memiliki representasidetil dari evaporasi, intersepsidan transfer vertikal dari panas

    dan uap air di tanah

    AGCM membutuhkan time series dari fluks radiasi,panas sensibel dan laten dan momentum antara

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    45/76

    panas sensibel dan laten, dan momentum, antaraatmosfer-daratan sebagai kondisi batas.

    Dapat dispesifikasi perhitungan yang melibatkan parameter

    permukaan dari albedo, roughness, dan ketersediaankelembaban tanah

    Kesetimbangan Radiasi Permukaan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    46/76

    g

    LWd LWuSWuSWd

    ( )

    4

    4

    1 TLWSWRn

    TLW

    SWSW

    LWLWSWSWRn

    dd

    u

    du

    udud

    +=

    =

    =

    +=

    Dalam banyak GCM,albedo ditentukan

    = 1

    Proses-Proses Permukaan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    47/76

    Fluks panas sensibel(konduksi ke

    atmosfer)[ W.m-2 ]

    PGLEHRn +++=

    oses oses e u aa

    Fluks panas laten(dipelapskan ke

    atmosfer melaluievaporasi)[ W.m-2 ]

    Fluks panas ke tanah[ W.m-2 ]

    Energi yangdigunakan untuk

    fotosintesa[ W.m-2 ]

    H dan LE umumnya menentukan Rndan nilai rasio pelepasan panas

    sensibel dan laten ke atmosfer menentukan iklim lokal dan regional

    Surface Energy Balance + Storage in the ground

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    48/76

    GRndt

    dTDCs =

    SWu LWu

    SWd LWd

    DT=T(t)

    ( ) 41 TLWSWRn dd +=

    Sou

    rce:adaptedfrom

    Hartmann,1994

    ( Given by the AGCM )

    Drysoil,isothermaland

    homogeneous

    G

    Td

    [ W.m-2 ] = albedo = emissivity

    Cs

    = heat capacity (J.K-1.m-3)

    Td = temperaturado solo profundo (K)

    = albedo

    = emissivity

    Cs

    = heat capacity (J.K-1.m-3)

    Td = temperaturado solo profundo(K) Dependsonthevolume fractionsofsoil, organic matter, water andair.

    Dependsonthevolume fractionsofsoil, organic matter, water andair.

    Fluks Turbulensi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    49/76

    Resistance

    DifferencePotentialFlux =

    Rn

    LE H

    12

    1221

    r

    ffF

    =

    frmula geral

    r12 F12

    f1

    f2

    F12 = fluxo turbulento de 1 a 2f1 e f2 = concentrao em 1 e 2

    r12 = resistncia entre 1 e 2

    DT

    G

    E= evaporao (kg m-2 s-1)

    LE= fluxo de calor latente (W m-2)

    H= fluxo de calor sensvel (W m-2

    )= fluxo de momentum (kg m-1 s-2)

    Fluks Momentum

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    50/76

    no slip

    a

    ry

    a

    rx

    a

    a

    r

    v

    r

    u

    r

    r

    =

    =

    =

    =

    r

    r

    u

    u0

    (dado)

    ur

    = (ur, vr)

    Rn

    = (x, y)ra

    ur

    = 0 z0

    zr

    DT

    G

    zr= nvel de referncia (m)

    z0 = comprimento de rugosidade (m)ra = resistncia aerodinmica (s m-1)

    Fluks Panas Sensibel [ H ]

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    51/76

    ( Given by the AGCM )

    Tr

    a

    rp

    a

    r

    p

    r

    TTcH

    r

    TT

    c

    H

    =

    =z

    rRn

    ra H

    T

    HGRndt

    dTDCs = [W m

    -2]DT

    G

    Fluks Panas Laten [ H ]

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    52/76

    Rn

    DT

    G

    ra LEw

    erzr

    (dado)

    H

    es(T)

    ( )

    ( )

    ( )

    =

    =

    =

    =

    L

    pc

    r

    eTecLE

    r

    eTe

    pc

    LcLE

    r

    TqqE

    p

    a

    rsp

    w

    a

    rs

    p

    pw

    a

    srw

    &

    ws LEHGRndt

    dTDC = [W m-2]

    p = presso (hPa)

    L = 2,5 x 106 J kg-1

    = 0,622

    Pemodelan Permukaan Tanah dan Heterogenitas

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    53/76

    Root depth

    Root fractions

    H2O CO2

    Stomatal conductance

    Rainfall

    Canopyevaporation

    Interception

    Throughfall

    Surfacerunoff

    Darcianflow

    Rootuptake

    Sub-surface runoff

    Soil

    evaporation

    Transpiration

    Leaf area index ( )

    Canopy height ( z0)

    Pemodelan Permukaan Tanah dan Heterogenitas

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    54/76

    urer er Trzr

    ra ra LEie

    s

    (T)

    rc

    LEs+

    LEc

    D

    es(T)

    rsoilqs(T)

    SWd LWdra raH

    z0 + dTu = 0

    SWu LWu

    G

    Td

    T

    T

    ( )

    ( ) ( )ddsoila

    rsps

    ics

    TTCGrr

    eThecLE

    EEELHGRndt

    dTC

    =+ =

    ++=

    &

    Predicted u T q

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    55/76

    Predicted u, T, q

    Solution of the PEs

    PBL and Surface

    A

    B

    No Condensation

    Zero CloudFraction

    Radiation

    Dissipation Terms

    Stable Condensation

    CloudFractionStable

    ConvectiveCondensation

    CloudFractionConv

    Spectral Blocking

    Gravity Wave Drag

    Lautan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    56/76

    Lautan merupakan fluida inkompresibeldikendalikan secara termal dan mekanis

    terutama pada permukaan Dipanaskan oleh radiasi matahari dan

    didinginkan oleh evaporasi dan emisitermal dari permukaan.

    Tidak ada pemanasan internal, tetapi

    salinitas mempengaruhi densitas dansirkulasi.

    Sifat-Sifat Dasar Lautan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    57/76

    Densitas: Pada permukaan lautan ~ 1000x lebih rapat daripada atmosfer

    Kapasitas Panas:

    Kapasitas panas spesifik ~1200x atmosfer 2.5m lautan memiliki kapasitas yang sama dengan seluruhatmosfer

    Konduktivitas turbulensi (Dibandingkan difusi di daratan

    Kecepatan:

    Lautan bergerak dan menyesuaikan diri ~1000x lebih

    lambat daripada atmosfer sumber memori dalam sistemiklim

    Advektif Gelombang Rossbyinternal lintang tengah

    Atmos. ~10 m/s ~10 m/s

    Laut ~1-10 cm/s ~1cm/s

    Rata-Rata Global Siklus Hidrologi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    58/76

    More prp

    than evap

    More evap

    than prp

    107-71=36

    Penampung uap air yang besar !

    Interaksi Lautan Atmosfer

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    59/76

    Lautan dan atmosfer berinteraksi terusmenerus.

    Fluks panas, air tawar dan momentum(+Berbagai spesies kimia).

    Presipitasi Evaporasi

    Lapisanbatas

    permukaan

    Qnet panasStress angin

    Pemodelan Interaksi Atmosfer-Lautan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    60/76

    Kopling dinamis dengan atmosfer, es, danaliran permukaan.

    Suhu permukaan laut dapat berubahmerespon atmosfer, dan atmosferdipengaruhi oleh suhu permukaan laut.

    OGCM harus memiliki kendali angin, panasdan air, geometri domain geografis yang

    benar, dan persamaan keadaan untuklaut.

    Model Rawa

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    61/76

    Model Rawa

    S + F - F - H LE =0

    SST dihitung hanya dari kesetimbangan energipermukaan.

    Tidak ada penyimpanan panas, tidak ada arus laut.

    Eksperimen sensitivitas (variasi konstanta matahariatau CO2 di dalam atmosfer)

    Hanya kendali rata-rata tahunan darimatahari.

    Model lautanlapisan S+F F H LE =c h T

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    62/76

    lapisan

    campuran

    Kesetimbangan energi permukaan ditambah

    penyimpanan panas

    50 hingga 100m air

    Eksperimen sensitivitas (variasi konstantta matahariatau CO2 di dalam atmosfer)

    Tidak ada arus laut, tidak adaupwelling

    S + F - F - H LE =cphtT

    Mengijinkan siklusmusiman

    Koreksi fluks (sumber panas) untuk

    mengkompensasi arus laut dan upwelling

    Interaksi Atmosfer Lautan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    63/76

    Langkah yang palingkompleks dalam hirarkimodel global

    Kesetimbangan energipermukaan +penyimpanan panas+

    arus laut + upwelling +proses percampuran skalasub-grid

    Apakah Downscaling itu (atauPemodelan Iklim Regional)?

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    64/76

    g

    Downscaling adalah metode untukmemperoleh informasi iklim atau

    perubahan iklim resolusi tinggi dari modeliklim global (GCM) yang kasar.

    Teknik Downscaling meningkatkan ataumemberikan nilai tambah mengenaiinformasi regional yang disediakan GCM

    Jenis-Jenis Downscaling

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    65/76

    Dinamik: Model iklim nested regional (atau wilayah

    terbatas) Eksperimen GCM resolusi tinggi dan variabel.

    Metode statistik menggunakan hubunganempiris antara output GCM dan statistikiklim lokal.

    Analisa komponen utama Analisa regresi

    Metode jaringan saraf

    Dynamic Downscaling:Model Iklim Regional (atau Area Terbatas)

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    66/76

    Tujuan: Memberikannilai tambahmengenai informasi

    regional yangdisediakan darireanalisis globall atau

    GCM Model dinamis

    berbasis persamaan

    primitif denganformulasi hidrostatik(contoh RegCM3) dan

    non-hidrostatik(contoh: MM5, RAMS)

    http://www.meted.ucar.edu/mesoprim/models/print.htm

    Kita Hidup di Dunia Resolusi Tinggi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    67/76

    Karena resolusi yang kasar, GCM tidak dapatmemperlihatkan efek-efek dari fitur regional

    Perbedaan daratan-lautan

    Air di daratan

    Topografi

    Tata guna lahan

    Efek polusi udara dan pulau panas

    Mengapa Downscaling?

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    68/76

    Biasanya, GCM memiliki resolusi lebih kasar dari 2latitude-longitude.

    GCM menyediakan respon sirkulasi global terhadapkendali skala besar.

    Model regional menyediakan respon terhadap kendalilokal, biasanya proses-proses sub-grid di dalam GCM.

    Akibat langsung resolusi spasial yang kurang dari GCM

    adalah ketidakcocokan skala spasial antara prediksi iklimyang tersedia dan skala yang dibutuhkan oleh penggunaprediksi iklim.

    Beberapa aplikasi juga membutuhkan prediksi iklimdengan resolusi waktu yang lebih tinggi. Kebanyakanmodel tumbuhan membutuhkan input cuaca harian.Presipitasi harian GCM memperlihatkan variabilitas harian

    yang kurang dan penyimpangan dibandingkanpengamatan (Mearns et al. 1990).

    .

    Nilai Tambah300 km

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    69/76

    300 km

    60 km

    Wilayah dengan topografiyang kompleks dan/atautata guna lahan.

    Sirkulasi atmosfer regionaldan lokal (misalnya jet,sistem konveksi skala-meso, sirkulasi angin darat-laut, awan hujan tropis)

    Proses-proses denganskala waktu frekuensitinggi (misalnya frekuensihujan dan distribusiintensitas, onset monsun

    dan waktu transisi)

    Dua Jenis Kondisi Batas:Kondisi Awal and Lateral

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    70/76

    Kondisi awal: terrain, jenis permukaan, suhu permukaan laut,kelembaban tanah

    Lateral:

    Sumber: reanalisis (misalnya NCEP-NCAR Reanalysis atau ERA-40) atau

    GCM Variabel yang diperlukan: tekanan permukaan, suhu, kelembaban, angin

    horizontal (biasanya data 6 jaman)

    Image source: http://www.cics.uvic.ca/scenarios/pdf/workshop/rcms.pdf

    Kondisi Batas Lateral

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    71/76

    Marbaix et al. (2003)

    Horisontal

    Lebih banyak nudging

    Lebih sedikit nudging

    Kendali skala besar

    pada bagian dalam

    domain

    Puncak

    Vertikallevel

    Permukaan

    Nudging term

    Isu dalam RCM

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    72/76

    Kondisi batas lateral tetap bukan interaksi dua arah (analogi

    dengan sistem pemodelan satu tingkat vs duatingkat)

    Adanya error sistematis

    Pilihan domain

    RCM

    Spin-up Fisika dalam model

    Dinamika Skala-Meso

    ATMOSFER

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    73/76

    Aerosol &

    Kimia

    SaljuSalju

    && LautLaut--EsEs

    BiosferBiosfer&&

    TanahTanah

    HidrologiHidrologi

    && DanauDanau

    Dinamika Skala-Meso

    RadiasiAwan &

    Presipitasi

    Lapisan Batas

    Pre

    sipitasi

    Radiasi

    Fluks

    Permukaan

    Albedo

    PERMUKAAN DARATAN/LAUTANPERMUKAAN DARATAN/LAUTAN

    EkosistemEkosistemPertanianPertanian Runoff SungaiRunoff Sungai

    AOGCM

    atau

    Analisis

    FluksFluks

    LautanLautan

    Ringkasan

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    74/76

    Atmosfer adalah fluida di atas planet yang berputar: Drag di permukaan dan dalam atmosfer mempengaruhi neracamomentum

    Uap air menguap dari permukaan, berkondensasi membentukawan dan memanasi atmosfer ketika menjadi presipitasi.

    Pemanasan dari radiasi matahari dan pendinginan dari radiasitermal.

    Dengan demikian model meliputi persamaan; Angin 3 komponen (atau vortisitas & divergensi), termasuk koriolis

    dan drag Persamaan keadaan dan kekekalan air Termodinamika, termasuk pemanasan oleh kondensasi dan radiasi

    Lautan juga merupakan fluida tetapi inkompresibel. Ia dipanasi oleh

    radiasi matahari dan didinginkan melalui evaporasi dan emisi termaldari permukaan. Tidak ada pemanasan internal, tetapi salinitasmempengaruhi densitas dan sirkulasi.

    Model tambahan telah dibangun untuk meliputi permukaan,kreosferm kimia dan aerosol atmosfr, siklus karbon dsb.

    Proses-proses pada skala sub-grif dimodelkan melalui parameterisasi.

    Referensi

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    75/76

    Sebagian besar informasi dalam presentasiini merupakan terjemahan dari presentasi

    Tra in ing C o urse o n C lim a te In fo rm a t io n ,Ap p ro a c he s a nd To o ls fo r Asse ssing a ndM a na g ing C lim a te Risks, oleh Christopher

    Cunningham dari Centro d e Pre v iso d eTem p o e Estud o s C limtic o s, Inst itu to

    Na c io na l d e Pe sq u isa s Esp a c ia is.

  • 7/23/2019 Mengenal Model Dinamika Atmosfer

    76/76

    Terima kasih !

    [email protected]