Mengenal Model Dinamika Atmosfer
-
Upload
achmad-ivo -
Category
Documents
-
view
258 -
download
1
Transcript of Mengenal Model Dinamika Atmosfer
-
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 !