Catatan Kuliah Pemodelan
Meteorologi
Pertemuan II
Mengapa kita menggunakan model? Selain karena kita memang ingin melakukan prakiraan cuaca kedepan atau analisa cuaca di masa lampau (untuk kasus model dengan data real), kita menggunakan model untuk melakukan eksperiment pada alam. Eksperimen pada alam jika dilakukan secara real akan sangat merepotkan dan mahal bahkan mustahil dilakukan. Selain itu, jika sembarang bereksperimen pada alam, bisa berpotensi merusak alam. Akan tetapi dengan model, kita bisa melakukan eksperiment pada alam ‘virtual’ sebebas-bebasnya dengan biaya yang murah. Ini juga tidak akan merusak alam, karena apapun yang kita lakukan, efeknya hanya dirasakan oleh alam ‘virtual’ pada model. Alasan lainnya juga adalah alam yang sebenarnya adalah suatu sistem yang sangat kompleks sehingga sangat sulit di analisa, sementara pada model kita bisa menyederhanakan sistem di alam dengan suatu parameterisasi atau asumsi-asumsi yang valid dan diinginkan.
Proses yang terjadi pada pemodelan meteorologi antara lain:
data obs (ground station, satellite, radar dll) → diasimilasi → diproses dalam model → dilakukan post processing dari output model → hasil yang di sebar ke stackholder (prakiraan dan lain sebagainya)
Beberapa proses pada pemodelan harus di parameterisasi karena seperti yang sudah disebutkan sebelumnya, proses aslinya pada alam sangat rumit sehingga untuk mengomputasinya secara real akan sangat mahal. Selain itu juga alasan dari parameterisasi adalah proses di alam yang belum bisa dipahami secara jelas. Proses-proses yang di parameterisasi antara lain:
- Incoming solar radiation
- Absorbtion by atmosphere
- Kondensasi
- Turbulensi
- Reflection/Absorbsi pada permukaan tanah
- Soil water dan snow melt
- Tutupan snow/ice/water
- Salju
- Evaporasi
- Sifat tanah
- Soil roughness
- Flux panas sensibel
- Hujan (pendinginan)
- Deep konveksi (pemanasan)
- Emisi dari awan
- Scattering karena aerosol
Proses-proses yang terjadi di atmosfer dibedakan menjadi 4, yaitu:
- Fisis
- Dinamis
- Kimia
- Radiatif
Proses apa saja yang terlibat dalam pemodelan angin? Pertama yang harus di tinjau adalah gaya yang menyebabkan angin bergerak. Gaya tersebut adalah body force (gaya yang bekerja pada pusat sistem/parsel) dan surface force (gaya yang bekerja antar media yang berbeda, ex : permukaan tanah dan udara).
Gaya lainnya yaitu gaya corioli, gaya sentripetal, gaya sentrifugal, dan gravity force. Gaya ini terjadi karena bumi yang berotasi pada porosnya.
Hukum alam yang menjadi pemicu terjadinya gerak di atmosfer adalah hukum kekekalan momentun, hukum kekekalan massa, dan hukum kekekalan energi. Dalam pemodelan, hukum ini
wajib dipatuhi sehingga dalam kuantifikasi hukum ini harus diperhitungkan dalam sistem volume (dx, dy, dz).
Ada 2 sistem gerak fluida yang digunakan untuk pemodelan atmosfer yaitu euler dan langrangian. Euler adalah sistem dimana frame diam tidak mengikuti parsel. Parsel bebas keluar masuk dari frame, fokus frame hanya tertuju pada areanya saja. Sedangkan pada lagrangian, frame bergerak mengikuti parsel. Frame tidak diam di suatu tempat. Sistem euler cocok untuk mengamati memodelkan keadaan pada suatu daerah sedangkan untuk langrangian cocok untuk memodelkan sebaran partikel/parsel contohnya sebaran abu vulkanik atau yang sejenisnya.
Hukum fisika dasar yang perlu diperhitungkan untuk memodelkan gerak fluida antara lain:
- Persamaan keadaan, yaitu untuk mendeskripsikan keadaan fluida pada saat itu juga.
- Hukum kekekalan momentum, untuk memodelkan pergerakan udara yaitu, agaimana arahnya dan berapa kecepatannya.
- Hukum kekekalan massa, memodelkan pemuaian udara dan lain-lain. Pemuaian udara berkorelasi positif dengan tekanan rendah sedangkan udara yang rapat berkorelasi positif dengan tekanan tinggi.
- Hukum kekekalan energi, memodelkan transfer energi pada atmosfer. Contohnya seperti panas laten atau energi yang dibutuhkan ketika terjadi perubahan wujud partikel pada atmosfer.
Prakiraan pada model tidak akan pernah eksak karena beberapa sumber ketidakpastian, yaitu:
- Ketidakpastian akibat keterbatasan pengamatan, yaitu bisa saja terjadi salah pengamatan dan pada area yang di amati, mustahil untuk mengamati pada semua titik yang ada.
- Ketidakpastian akibat keterbatasan ilmiah, yaitu tidak dipahaminya fisis dan kimia atmosfer secara menyeluruh, penggunaan approksimasi (ingat, persamaan diferensial pada pemodelan di aproksimasi dari ekspansi deret taylor yang kemudian di potong dan menghasilkan error pemotongan), dan keterbatasan komputer dalam hal komputasi.
F
dt
dv
m
v
dt
d
dp
dT
c
dt
dq
p
