II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Hubungan Suhu Kecerahan Awan
2.2 Penginderaan Jauh untuk Pendugaan Curah Hujan
Gambar 1 Histogram suhu kecerahan awan
(0C) untuk (a) semua intensitas
hujan (b) hujan ringan (c) hujan sedang (d) hujan deras (sumber: Hanna et al. 2007)
Distribusi duhu kecerahan awan tidak seragam ketika terjadi perbedaan intensitas hujan. Gambar 1 menunjukkan besarnya suhu kecerahan awan untuk semua intensitas
hujan adalah berkisar antara -80oC sampai
10oC. Terdapat dua golongan jumlah suhu
kecerahan, pertama adalah -80oC sampai
-30oC dan kedua adalah -30oC sampai 10oC.
2.2 Penginderaan Jauh untuk Pendugaan Curah Hujan
Pendugaan curah hujan dengan aplikasi penginderaan jauh sudah dikembangkan
sejak tahun 1960 diawali dengan
pengamatan distribusi awan global di atmosfer bumi (Suseno 2009). Dalam perkembangannya terdapat empat metode dalam pendugaan curah hujan dengan menggunakan satelit, yaitu:
a. Pendugaan curah hujan menggunakan
kanal inframerah (IR) dan visible (VIS).
b. Pendugaan curah hujan dengan kanal
pasif gelombang mikro.
c. Pendugaan curah hujan dengan kanal
radar satelit.
d. Pendugaan curah hujan menggunakan
metode kombinasi kanal inframerah dan gelombang mikro (blended techniques).
2.2.1 MTSAT (Multi-functional
Transport Satellite)
MTSAT merupakan satelit pengganti satelit GMS (Geostationary Meteorological Satellite) yang mulai beroperasi tahun 2005 (JMA 2011). Generasi pertama MTSAT adalah MTSAT-1R dengan operasional dari tahun 2005 sampai dengan 2010. Generasi
kedua MTSAT yaitu MTSAT-S2
direncanakan beroperasi dari tahun 2010 sampai 2015 (JMA 2010). Pelayanan data secara visual dikelola oleh JMA (Japan
Meteorological Agency). Sedangkan
pelayanan data citra dapat diunduh secara
gratis melalui alamat website Kochi
University dan University of Tokyo.
MTSAT-1R merupakan salah satu satelit geostasioner dengan wilayah kerja di Asia Pasifik. Satelit geostasioner merupakan satelit yang orbitnya mengikuti rotasi bumi. MTSAT-1R berada di ketinggian 35.800 km
di atas ekuator dan 145oBT. Ilustrasi wilayah
kerja satelit-satelit geostasioner yang ada di bumi ditunjukkan dalam Gambar 2. Sebagai satelit geostasioner, MTSAT-1R memiliki fungsi ganda untuk bidang meteorologi sekaligus misi penerbangan.
Pada Gambar 3 dapat dilihat contoh citra satelit MTSAT-1R tanggal 2 Januari 02.00 UTC untuk kanal IR1. Sedangkan kanal satelit MTSAT-1R telah diklasifikasikan
berdasarkan panjang gelombangnya
sebagaimana terlihat pada Tabel 1.
Gambar 2 Wilayah kerja satelit geostasioner di bumi (sumber: Saw 2005 dalam Suseno 2009)
Tabel 1 Klasifikasi kanal satelit MTSAT-1R berdasarkan panjang gelombang
Kanal Panjang Gelombang (μm) Resolusi Spasial
Visible (VIS) 0.55-0.80 1 km
Infrared (IR1) 10.3-11.3 4 km
Infrared (IR2) 11.5-12.5 4 km
Water Vapour (IR3) 6.5-7.0 4 km
Near Infrared (IR4) 3.5-4.0 4 km
(sumber: Hong et. al. 2009)
Gambar 3 Citra satelit MTSAT-1R (sumber: http://www.jma.go.jp)
MTSAT-1R mampu memberikan
informasi suhu awan dengan resolusi temporal tinggi yaitu setiap satu jam.
Berdasarkan spesifkasi kanal dalam
mendeteksi panjang gelombang, maka MTSAT-1R terdiri dari 5 kanal. Kanal MTSAT-1R yang digunakan pada penelitian
ini ada dua yaitu kanal infrared (IR1) dan
water vapour (IR3).
2.2.2 TRMM (Tropical Rainfall
Measuring Mission)
Satelit TRMM mulai beroperasi tahun 1997. Satelit ini membawa 5 buah kanal yaitu PR (Precipitation Radar), TMI (TRMM Microwave Imager), VIRS (Visible and Infrared Channel), CERES (Clouds and
the Earth’s Radiant Energy System), dan LIS (Lightning Imaging Kanal). Secara khusus kanal PR dan TMI mempunya misi dalam estimasi curah hujan. Kedua kanal ini mampu mengobservasi struktur hujan, jumlah dan distribusinya di daerah tropis dan sebagian sub tropis seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4 serta berperan penting untuk mengetahui mekanisme perubahan iklim global dan memonitoring variasi lingkungan. Hasil data dari kanal TMI
dikemas dalam paket data TRMM 2A12 yang selanjutnya dijadikan sebagai bahan penelitian ini. Ilustrasi cara kerja satelit TRMM digambarkan dalam Gambar 5.
TRMM merupakan satelit yang berorbit secara polar, yaitu mengelilingi bumi dengan melewati kedua kutub bumi. Satelit ini berada di ketinggian 403 km di atas permukaan bumi dan mengorbit sebanyak 16 kali setiap harinya dengan menghabiskan waktu rata–rata 92.5 menit untuk satu kali orbit. Secara khusus kanal TMI memiliki resolusi spasial 5.1 km.
Gambar 4 Orbit dan jangkauan satelit
TRMM (sumber:
http://trmm.gsfc.nasa.gov) Data hujan yang dihasilkan oleh TRMM memiliki tipe dan bentuk yang beragam yang dimulai dari level 1 sampai level 3. Level 1 merupakan data yang masih dalam
bentuk raw dan telah dikalibrasi dan
dikoreksi geometrik, level 2 merupakan data yang telah memiliki gambaran paramater geofisik hujan pada resolusi spasial yang sama akan tetapi masih dalam kondisi asli keadaan hujan saat satelit tersebut melewati daerah yang direkam, dan level 3 merupakan data yang telah memiliki nilai-nilai hujan,
khususnya kondisi hujan bulanan yang merupakan penggabungan dari kondisi hujan dari level 2 (Feidas 2010).
Gambar 5 Ilustrasi cara kerja satelit TRMM (sumber:
http://trmm.gsfc.nasa.gov) Data-data hujan yang diperoleh dari satelit TRMM telah diaplikasikan untuk berbagai kepentingan seperti pengamatan iklim/cuaca, analisis iklim, analisis anomali hujan, verifikasi model iklim, dan studi hidrologi. Berbagai produk data dari satelit TRMM dapat diunduh secara gratis melalui website http://mirador.gsfc.nasa.gov.
2.2.3 Aplikasi Pendugaan Curah Hujan dengan Data Satelit
Beberapa peneliti telah melakukan
pendugaan curah hujan dengan metode kombinasi, diantaranya adalah Jobard dan Desbois pada tahun 1992 dalam Laing et al. (1999) yang mengkombinasikan citra satelit Meteosat dengan (Special Sensor Microwave
Imager) SSM/I data di Nigeria. Pada tahun 2006 Maathuis mengkombinasikan citra
satelit Meteosat dan TRMM Microwave
Imager (TMI) untuk wilayah kajian Afrika
Tengah (Suseno 2009). Keduanya
menggunakan teknik pengklasifikasian awan potensi hujan dan menurunkannya menjadi curah hujan. Klasifikasi ini digolongkan dalam bentuk awan berpotensi hujan dan awan yang tidak berpotensi hujan.
Aplikasi ini sangat menarik
dikembangkan karena memiliki beberapa
kelebihan, diantaranya adalah dapat
menjangkau nilai curah hujan di daerah
terpencil dan lautan serta mampu
menyediakan data secara homogen secara spasial maupun temporal. Hasil akhir dari metode ini berupa data curah hujan dengan resolusi spasial 4 km atau sesuai dengan resolusi spasial satelit geostationary. Metode ini merupakan metode yang didasarkan
untuk mengisi kekurangan-kekurangan
dalam beberapa metode pendugaan
sebelumnya.
Levizzani et al. (2002) dalam
penelitiannya mengatakan bahwa salah satu metode yang sering digunakan adalah metode kombinasi (blended techniques). Metode ini merupakan pendugaan curah hujan dengan kombinasi dua kanal,yaitu antara kanal inframerah (IR) dengan kanal gelombang mikro. Data yang didapat dari kanal inframerah berupa informasi suhu puncak awan (top cloud temperature), sedangkan informasi yang didapat dari kanal gelombang mikro adalah data curah hujan setiap jam.
Kidder et al. (2005) menyatakan bahwa
pengklasifikasian awan hujan didasarkan pada perbedaan suhu antara kanal pendeteksi suhu uap air pada 6.2 µm dengan kanal pendeteksi suhu puncak awan (infrared) pada 10.8 µm. Kedua kanal ini dapat mendeteksi awan dengan klasifikasi tinggi dan tebal sehingga berpotensi menjadi hujan. Ketika terjadi penyerapan uap air maka kondisi awan menjadi gelap dan dapat dideteksi dengan panjang gelombang 6.2 µm.
Gambar 6 Suhu kecerahan awan pada 10,8 μm (kiri), (tengah) suhu uap air pada 6,2 μm, (kanan) awan potensi hujan (sumber: Kidder et al. 2005)
Gelombang 6,2 μm mendeskripsikan
keadaan atmosfer yang gelap karena ketebalan butir-butir air dan uap air yang terdapat pada awan. Awan yang terdeteksi oleh panjang gelombang tersebut merupakan awan tebal dan sulit ditembus oleh cahaya. Nilai suhu kecerahan uap air cenderung lebih kecil dibanding nilai suhu kecerahan awan pada nilai piksel yang sama. Semakin kecil selisih antara suhu kecerahan awan dan suhu kecerahan uap air menunjukkan proses kondensasi yang selanjutnya akan turun menjadi hujan. Ilustrasi pembentukan awan potensi hujan ditunjukkan dalam Gambar 6. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh
Kidder et al. (2005) maka awan potensi
hujan dapat dipenuhi ke dalam persamaan matematis berikut.
T10,8 μm– T6,2 μm < 11K
dimana:
T10,8 μm: suhu kecerahan awan (kanal 10,8
μm/IR1)
T6,2 μm : suhu kecerahan uap air (kanal 6,2 μm/IR3)
Mekanisme terbentuknya awan
presipitasi ditentukan oleh perbedaan proses
dinamika dan termodinamika, yang
bergantung pada variasi waktu dan tempat. Gambar 7 menunjukkan bahwa hubungan antara suhu kecerahan awan dan curah hujan bervariasi secara signifikan tergantung pada
bentuk dan ketebalan awan. Riset
sebelumnya Adler dan Negri (1988) menyimpulkan bahwa klasifikasi awan akan menunjukkan perbedaan besar terhadap nilai curah hujan dan sistem secara umum.
Gambar 7 Hubungan antara suhu kecerahan awan (kiri) dan hujan rata-rata berdasar bentuk awan (kanan) (sumber: Hong, Yang et al. 2010)
Gambar 8 Siklus awan dan hubungannya dengan suhu kecerahan awan (sumber: Hong, Yang et al. 2010)
Yang Hong et al. (2010) menjelaskan
tentang evolusi dari awan konvektif dari awal (kecil dan hangat), sebelum jatuh (sedang dan dingin), dan siap jatuh (besar dan dingin), sebelum akhirnya jatuh dan hilang ditunjukkan pada Gambar 8. Pada setiap tahapnya terlihat perubahan fungsi suhu kecerahan awan. Oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa, proses temporal antara awan dan hujan sangat behubungan dalam setiap tahap pembentukan awan hingga jatuhnya hujan, meskipun dalam hal ini proses spasialnya tidak tertangkap secara jelas (diabaikan).