Analisis H eat F lux dan dan Karakteristik Lapisan Batas Atmosfer Hasil Observasi menggunakan Ultraso ltr asoni ni c Ane Anemometer ter (Studi Kasus: Cisitu Lama) WULAN PERMATASARI PRATAMI 1, NI LUH DEVI AGUSTIANI 1, FIKRI RAMADHAN 1, HANIFAH NUR AZIZAH 1 1
Program Studi Studi Meteorologi, Meteorologi, Fakultas Ilmu Ilmu dan Teknologi Teknologi Kebumian, Kebumian, Institut Institut Teknologi Teknologi Bandung Bandung
ABSTRAK Lapisan batas atmosfer adalah lapisan dari atmosfer yang secara langsung terpengaruh oleh adanya permukaan bumi. Turbulensi merupakan salah satu proses transpor yang penting bagi atmosfer dan bisa digunakan untuk menentukan lapisan batas atmosfer. Fluks panas dihitung menggunakan metode kovarian dari usikan aliran vertikal dan usikan temperatur udara potensial. Nilai heat flux merupakan flux merupakan kovarian dari temperatur udara virtual dan aliran vertikal dan juga dapat dinyatakan dengan metode pertubasi. Hasil pengolahan menunjukan bahwa angin berpengaruh dalam memanaskan atmosfer di lapisan batas. Nilai turbulen pagi hari lebih besar daripada sore hari. Hal ini akibat transfer panas untuk aktivitas konveksi terjadi pada pagi hari menuju siang. Nilai heat flux flux pada siang hari lebih tinggi daripada malam hari akibat ketidakstabilan atmosfer dan nilai TKE. Kata kunci: Heat kunci: Heat flux, flux, Observasi, Lapisan Batas, Turbulensi
1.
adanya turbulensi dan pencampuran akibat gesekan dengan permukaan bumi. Penelitian ini bertujuan menentukan heat flux permukaan dan menganalisis menganalisis karakteristik lapisan batas atmosfer.
Pendahuluan
Lapisan Batas Atmosfer dapat didefinisikan sebagai sebuah bagian dari troposfer yang memiliki pengaruh secara langsung terhadap bentuk permukaan bumi, dengan durasi waktu yang relatif singkat si ngkat (Stull, 1983). Fenomena meteorologi yang terjadi di lapisan batas ini antara lain turbulensi, penguapan, angin permukaan, transfer panas, dan sebagainya. sebagainya. Perubahan kondisi permukaan turut mengubah transfer panas permukaan dan uap air yang mempengaruhi struktur dari lapisan batas atmosfer. Hal yang penting untuk pengembangan lapisan batas atmosfer adalah pertukaran antara permukaan dan udara yang direpresentasikan dalam keseimbangan energi serta parameter parameter turbulensi (Wilmot, 2014). Oleh sebab itu alih energi dari permukaan berupa fluks permukaan menjadi sangat penting. penting. Transfer panas atau fluks panas di permukaan memiliki pengaruh terhadap pemanasan atmosfer dari permukaan hingga ketinggian 100 m pada siang hari, kecuali jika terdapat konveksi yang kuat (Setyawan, 2015). Sehingga, fluk panas di permukaan berperan dalam proses atmosfer seperti pembentukan awan dan presipitasi. Momentum permukaan, fluks panas sensibel, dan fluks panas laten sangat penting untuk proses atmosfer seperti awan, curah hujan, dan parameterisasi dalam berbagai model, mulai mulai dari model awan dan juga penyelesai model cuaca dan iklim skala besar (Liu, 2012). Turbulensi merupakan salah satu proses transpor yang penting bagi atmosfer dan bisa digunakan untuk menentukan lapisan batas atmosfer. Turbulensi adalah gerak udara yang arahnya tidak beraturan dalam skala kecil dan ditandai oleh angin yang kecepatannya bervariasi. Lapisan batas atmosfer ditandai dengan
2.
Data dan Metode
Data yang digunakan merupakan data observasi dari satu tempat dengan hari yang berbeda. Observasi menggunakan Ultrasonic Anemometer model 81000 buatan YOUNG. YOUNG. Pengukuran dengan Ultrasonic anemometer dilakukan pada interval 1 detik dan dipasang di ketinggian 6 meter dari permukaan tanah. Pengukuran ini menghasilkan data aliran vertikal (w) dan temperatur udara (T), komponen angin u (zonal) dan v (meriodional) Pengamatan dilakukan di Cisitu Lama tepatnya di Pusdiklat Geologi. Waktu pengamatan dari tanggal 25 November 2017 pukul 20.00 WIB s/d 27 November 2017 pukul 20.00 WIB. Lokasi ini dipilih karena keamanan yang terjamin dan karakteristik tempat yang dikelilingi gedung dan beraspal Perhitungan fluks panas sensibel dapat dilakukan dengan menghitung kovarian dari usikan aliran vertikal ′ dan usikan temperatur udara ′. Nilai (w′) dan (′) dapat dihitung menggunakan persamaan (3) dan (4):
= ( − )
(1)
′ = ( − ̅ )
(2)
Setelah didapat usikan dari kedua variabel, fluks panas dapat dihitung menggunakan metode kovarian.
1
Perhitungan fluks panas memperhitungkan kapasitas kalor dan massa jenis sehingga persamaan menjadi: Qh= Cp′′ (3) Fluks panas dalam penelitian ini dihitung adalah fluks panas kinematik sensibel, sehingga dengan massa jenis udaranya dianggap satu. Selain itu temperatur udara yang direkam oleh ultrasonic anemometer merupakan temperatur udara virtual akustik, temperatur udara ini nilainya hampir sama dengan temperatur udara virtual sehingga diasumsikan sama. Perhitungan fluks panas menggunakan temperatur udara virtual mengikutsertakan variasi kelembaban, sehingga yang digunakan adalah persamaan 3 menjadi: Qhk v= ′′ (4) Penelitian ini mengasumsikan temperatur potensial virtual adalah temperatur hasil pengamatan. Hasil kali usikan aliran vertikal dan usikan temperatur potensial udara dirata-ratakan per 30 menit. Langkah ini dilakukan untuk mendapat kovarian temperatur udara potensial dan aliran vertikal atau yang disebut dengan fluks buoyant permukaan kinematic. 3.
Gambar 2. Plot U terhadap t pukul 07.00 WIB
Plot U terdapat t dan plot U terhadap P menunjukan adanya fluktuasi kecepatan angin. Fluktuasi kecepatan angin terjadi akibat angin bergeser dengan permukaan yang licin, fluktuasi yang diakibatkan oleh kekasaran permukaan disebut turbulensi mekanis. Semakin bertambah periode, kecepatan angin semakin meningkat. Fluktuasi ini diakibatkan udara panas pada permukaan mulai bergerak ke atas secara vertikal karena adanya resistensi dari lapisan udara di atasanya. Keadaan seperti ini disebut sebagai turbulensi termal atau turbulensi konvektif. Fluktuasi kecepatan angin akibat turbulensi mekanis lebis kecil dan lebih cepat dari fluktuasi termal (Karim, 1985)
= + Pembuktian formula
Pembuktian formula ini menggunakan keseluruhan data observasi.dengan terlebih dahulu , setiap 30 menit selama , mencari nilai , hari pengamatan. Adapun hasil dari perhitungan untuk verifikasi formula adalah sebagai berikut : Date
Plot U terhadap t
w'
20.00-20.30 - 0. 13 9
2 4. 84 8
0 .0 25
- 0. 05 1
0 .0 09
- 3. 44 4
- 3. 45 5
- 3. 44 5
20.30-21.00 -0 .1 89
2 4. 94 9
0 .0 00
0 .0 00
0 .0 02
- 4. 71 1
- 4. 71 3
- 4. 71 1
21.00-21.30 -0 .1 97
2 4. 92 2
0 .0 01
0 .0 00
0 .0 06
- 4. 90 1
- 4. 90 7
- 4. 90 1
21.30-22.00 -0 .1 03
2 4. 91 5
0 .0 00
0 .0 00
0 .0 04
- 2. 57 0
- 2. 57 4
- 2. 57 0
22.00-22.30 -0 .1 42
2 4. 75 5
0 .0 00
0 .0 00
0 .0 09
- 3. 49 6
- 3. 50 5
- 3. 49 7
22.30-23.00 - 0. 15 7
2 4. 57 2
- 0. 97 6
0 .0 00
0 .0 03
- 3. 85 0
- 3. 85 4
- 3. 85 1
23.00-23.30 -0 .1 52
2 4. 28 6
0 .0 00
0 .0 00
0 .0 04
- 3. 68 0
- 3. 68 4
- 3. 68 0
23.30-00.00 -0 .2 35
2 4. 21 4
0 .0 00
0 .0 00
0 .0 04
- 5. 69 1
- 5. 69 5
- 5. 69 1
Gambar 3. Plot angin U terhadap t pukul 07.00 WIB (Pagi)
Tabel 3.1 Hasil verifikasi formula Berdasarkan hasil perhitungan, formula di atas terbukti. Hal ini menunjukan bahwa metode pertubasi (metode rataan dan turbulen) dapat diterapkan dalam formula ini. Nilai observasi dapat dinyatakan sebagai penjumlahan nilai turbulen dan nilai rata-rata. Nilai turbulen ini merupakan nilai kovarian temperatur udara dan aliran vertikal atau yang disebut heat flux 4.
Gambar 4. Plot angin U terhadap t pukul 1 7.00 WIB (Sore)
Karakteristik Lapisan Batas Atmosfer
Plot angin zonal terhadap waktu tidak dilakukan pada malam hari (diatas pukul 18.00 WIB) karena pukul 15.00 WIB mulai terjadi hujan di tempat pengamatan. Berdasarkan hasil plot dapat dilihat bahwa kecepatan angin pada pagi hari lebih cepat daripada sore hari Hal ini menunjukan bahwa angin berpengaruh sangat besar dalam memanaskan atmosfer di lapisan batas pada pagi hari (Setyawan, 2015). Gambar 1. Plot U terhadap t pukul 07.00 WIB
2
Plot Turbulen
Gambar 10. Periodogram turbulen pukul 17.00 WIB (Sore) Nilai kecepatan angin sama dengan nilai turbulen. Nilai turbulen pada pagi hari lebih besar daripada malam hari sebab variasi fluktuasi kecepatan turbulen memiliki nilai yang lebih besar dibanding pada malam hari. 5. H eat F lux
Gambar 5. Plot angin turbulen terhadap t pukul 0 7.00 WIB (Pagi)
) s / m C o (
x u l f t a e H
Gambar 6. Plot angin turbulen terhadap t pukul 1 7.00 WIB (Sore) Berdasarkan hasil plot dapat dilihat bahwa turbulensi pada pagi hari lebih besar daripada sore hari. Hal ini akibat transfer panas untuk aktivitas konveksi terjadi pada pagi hari menuju siang. Kecepatan angin menunjukan hubungan sebanding dengan turbulensi. Proses konveksi dipengaruhi turbulensi dan angin yang menyebarkan panas dan menghasilkan lapisan pencampuran di dalam lapisan batas.
Gambar 11. Plot heat flux pada tanggal 26 November 2017 Berdasarkan hasil plot menunjukan bahwa pada pukul 00.00-07.00 WIB heat flux tidak terlalu naik, mulai pukul 07.00 heat flux mulai naik dan mencapai puncak pada pukul 15.00 WIB, dan turun lagi pada pukul 16.00 WUB. Kenaikan dan penurunan heat flux dipengaruhi ketidakstabilan atmosfer dan juga dipengaruhi nilai TKE. Saat nilai TKE turun maka heat flux mengalami kenaikan signifikan hingga sore hari. Ketika nilai TKE mencapai puncak, nilai heat flux berada pada titik terendah. Hal ini mengindikasikan di lapisan batas saat pagi hari, permukaan yang dekat tanah mempunyai suhu yang lebih rendah dibanding lapisan atasnya. Namun setelah proses pencampuran di lapisan batas berlangsung sempurna, heat flux mengambil peran dalam proses konveksi yang ada. Saat pagi dan sore hari atmosfer lebih stabil daripada siang hari, sehingga proses pemanasan lebih berlangsung sempurna pada siang hari. Nilai heat flux pada malam hari ada yang bernilai positif disebabkan adanya vegetasi yang dapat menyimpan panas lebih lama.
Periodogram
Gambar 7. Periodogram pukul 07.00 WIB (Pagi)
6.
Gambar 8. Periodogram pukul 17.00 WIB (Sore)
Kesimpulan
a. Nilai turbulen ini merupakan nilai kovarian temperatur udara dan aliran vertikal atau yang disebut heat flux b. Nilai turbulen pada siang hari lebih besar daripada malam hari akibat nilai fluktuasi kecepatan angin Gambar 9. Periodogram turbulen pukul 07.00 WIB (Pagi)
yang tinggi pada siang hari
3
c. Heat flux pada siang hari lebih tinggi daripada malam hari akibat adanya ketidakstabilan atmosfer dan nilai TKE
Referensi Halblaub, Jeff. 2014. Daily Wind Changes in the Lower Level of Atmosphere. US : NOAA Weather Sevices Karim. (1985). Dasar-Dasar Klimatologi. Unsyiah, Banda Aceh Mukhtar, Kawtsar. 2016. Perbandingan Fluks Panas Hasil Observasi dan Estimasi Bulk Parameterization (Studi Kasus : Bandung dan Sekitarnya). Tugas Akhir Strata-1, Program Studi Meteorologi, Fakultas Ilmu dan Teknologi Kebumian. Institut Teknologi Bandung Setyawan, Fani. (2015). Hubungan Variasi Harian Turbulence Kinetic Energy dan Fluks Panas di Wilayah Kota Bandung. J.Pijar MIPA, Vol. X No.2, September 2015 : 8-11 Stull, R. B. (1988). An Introduction to Boundary Layer. Dordrecht: Kluwer Academic
4
