Analisis Hujan Ekstrem Menggunakan Model WRF-ARW
Richard Mahendra Putra dan Achmad Rifani
Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (STMKG) Jakarta [email protected]
Intisari – Pada tanggal 19 Agustus 2014 telah terjadi hujan dengan kategori ekstrem di wilayah Sintang, Kalimantan Barat.
Curah hujan selama 24 jam terukur oleh Stasiun Meteorologi Sintang sebesar 139 mm. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan analisis kondisi atmosfer saat kejadian hujan ekstrem tersebut menggunakan model cuaca skala meso WRF-ARW.
Penelitian dilakukan dengan cara menjalankan WRF-ARW menggunakan skema parameterisasi cumulus KF. Berdasarkan hasil output model WRF-ARW menunjukkan bahwa pada saat sebelum hujan lebat terjadi di Sintang terdapat adanya konvergensi dan shearline yang menyebabkan penumpukan aliran massa udara sehingga udara bergerak naik. Selain itu, nilai dari energi konvektif CAPE sebelum kejadian hujan ekstrem cukup signifikan untuk membentuk awan-awan Cumulonimbus yang berpotensi menghasilkan hujan lebat. Simulasi kelembaban juga menunjukkan kondisi sangat basah hingga lapisan atas ketika terjadi hujan lebat di wilayah Sintang, Kalimantan Barat..
Kata kunci: WRF-ARW , hujan lebat, parameterisasi
Abstract – On August 19th, 2014 occured extreme rainfall in Sintang, West Borneo. Rainfall for 24 hours measured by Meteorological Station of Sintang is 139 mm. This study aimed to analyze the atmospheric conditions at the time of the extreme rainfall using meso-scale weather models WRF-ARW. The study was using KF for cumulus parameterization schemes. Based on the results of WRF-ARW, model output was indicated that before the heavy rainfall occurred in Sintang, there is convergence and shearline pattern that causes development of cloud. In addition, the value of the convective energy (CAPE) before extreme rainfall was significant enough to produce Cumulonimbus clouds which produced heavy rainfall. Humidity simulation of WRF also showed very wet conditions until the top layer when the heavy rainfall was occured in Sintang, West Borneo.
Key words: WRF-ARW, heavy rainfall, parameterization
I.PENDAHULUAN
Kabupaten Sintang adalah salah satu daerah otonom tingkat II di bawah provinsi Kalimantan Barat. Ibu kota kabupaten ini terletak di Kota Sintang. Kabupaten ini memiliki luas wilayah 21.635 km² dan berpenduduk sebesar ± 365.000 jiwa [1].
Pada tanggal 19 Agustus 2014 telah terjadi hujan lebat disertai guntur di sebagian besar wilayah Sintang, Kalimantan Barat. Berdasarkan informasi dari kantor BMKG Sintang, hujan lebat yang terjadi pada hari itu sebesar 139 mm. Kondisi ini termasuk salah satu hujan dengan intensitas yang ekstrem dan penting untuk dilakukan kajian.
Model WRF merupakan salah satu tools model yang digunakan untuk melakukan prediksi dan penelitian fenomena atmosfer dalam skala meso dengan menggunakan perhitungan numerik. Pada umumnya model ini digunakan untuk kepentingan operasional maupun penelitian.
Berdasarkan hasil penelitian, parameterisasi cumulus Kain – Fritsch memiliki nilai verifikasi yang lebih baik dibandingkan dengan skema lainnya [2]. Oleh karena itu dalam penelitian ini penulis melakukan running WRF- ARW dengan menggunakan parameterisasi cumulus skema Kain Fritsch.
II.LANDASAN TEORI A.Curah Hujan
Curah hujan merupakan ketinggian/ ketebalan air hujan yang terkumpul dalam suatu tempat / permukaan yang datar, dengan asumsi tidak menguap, tidak meresap, dan tidak mengalir. Curah hujan 1 (satu) mm artinya jika luasannya 1 m persegi pada tempat yang datar tertampung air setinggi satu millimeter atau sebanyak satu liter (1 dm³) dengan asumsi tidak menguap, tidak meresap dan tidak mengalir[3].
B.Cuaca Ekstrem
Cuaca ekstrem merupakan suatu kondisi atmosfer yang berada pada suatu tempat tertentu, memiliki durasi pendek dan bersifat ekstrem [4]. Kondisi cuaca bisa dikatakan ekstrem apabila masuk pada salah satu kriteria berikut [3]:
- Suhu permukaan >35oC - Kecepatan angin >25 knot
- Curah hujan dalam sehari >50mm
C. WRF - ARW
Weather Research and Forcasting (WRF) merupakan model yang dapat digunakan untuk memprediksi dan meneliti suatu fenomena cuaca dalam skala meso menggunakan persamaan-persamaan numerik.
Sedangkan untuk jenis WRF-ARW (Weather Research and Forecasting – Advanced Research) merupakan salah satu model yang dikembangkan dan digunakan untuk keperluan penelitian atmosfer. Model ini banyak digunakan untuk simulasi atmosfer di sebagian besar wilayah Indonesia , namun jarang digunakan di wilayah Khatulistiwa.
D.Parameterisasi
Parameterisasi adalah suatu proses yang diperlukan model untuk menjelaskan bagaimana fenomena- fenomena yang terjadi di dalam grid. Model NWP tidak bisa menjelaskan bagaimana proses yang terjadi di dalam grid yang ukurannya kecil, seperti contoh adanya gaya gesek saat melewati bangunan, turbulensi eddy yang muncul di sekitar gedung, dan sebagainya.
Suatu model harus memperhitungkan efek agregat dari permukaan yang mempengaruhi aliran level bawah dengan sebuah single number yang dapat sejalan dengan bentuk gaya gesek pada persamaan angin. Oleh karena itu perlu dilakukan parameterisasi untuk dapat menghitung efek-efek tersebut [5]
E.Reflektivitas
Reflektivitas (Z) merupakan suatu ukuran efisiensi suatu target dalam menangkap dan mengembalikan energi gelombang radio [6]. Besaran daya yang dipantulkan kembali oleh hydrometor tergantung pada :
- Ukuran (diameter partikel) : semakin besar diameter partikel maka semakin besar pula nilai reflektivitasnya.
- Konsentrasi (jumlah partikel persatuan volume):
semakin banyak jumlah partikel maka semakin besar pula reflektivitasnya.
- Keadaan partikel (beku, cairan) : jika keadaan partikel beku maka reflektivitasnya besar.
Sebaliknya, jika keadaan partikel cair maka reflektivitas kecil.
- Bentuk (bulat, datar pada kutub-kutub, datar) : reflektivitas dalam bentuk bulat lebih besar dibandingkan reflektivitas dalam bentuk lain (datar). Dan yang paling utama tergantung pada ukuran dan konsentrasi
F.Kelembapan Udara
Kelembapan udara adalah banyaknya uap air yang terkandung dalam udara atau atmosfer. Besaran yang sering dipakai untuk menyatakan kelembapan udara adalah persen. Udara yang memiliki suhu lebih tinggi mempunyai kemampuan menyimpan uap air lebih banyak dibandingkan udara bersuhu lebih rendah, karena udara bersuhu rendah akan lebih mudah jenuh [7].
G.CAPE
CAPE (Convective Available Potential Energy) merupakan energi potensial konvektif yang tersedia untuk parsel udara agar dapat bergerak naik. CAPE dinyatakan dalam satuan J/kg. Nilai CAPE merupakan salah salah satu indikasi potensi intensitas konvektif dan bisa dianggap sebagai tingkat kelabilan atmosfer.
Dalam meteorologi, APE (Available Potential Energy) yaitu jumlah energi suatu parsel saat terangkat pada jarak tertentu secara vertikal di atmosfer [8].
III.METODE PENELITIAN/EKSPERIMEN a. Data
Data yang digunakan merupakan data saat kejadian hujan ekstrim yaitu tanggal 19 Agustus 2014 diantaranya :
Gambar 1. Lokasi Penelitian Stasiun Meteorologi Sintang (Sumber : http://maps.google.co.id)
1. Data FNL (Final Analisis) sebagai data inisialisasi WRF-ARW tanggal 19 Agustus 2014 jam 00.00 UTC sampai Jam 24.00 UTC dengan resolusi 1o x 1o dan resolusi temporal 6 jam yang di download dari http://rda.ucar.edu/datasets/
2. Data pengamatan curah hujan tanggal 19 Agustus 2014 di Stasiun Meteorologi Sintang, Kalimantan Barat
b. Metode Penelitian
1. Langkah pertama yang dilakukan adalah mengunduh file FNL (Final Analysis) tanggal 19 Agustus 2014 dengan interval 6 jam. Setelah itu melakukan downscaling dari domain 1 yang memiliki resolusi 27.75 km menjadi domain 2 dengan resolusi 9.25 km. Pada tahap ini juga ditentukan konfigurasi dari parameterisasi yang digunakan dalam penelitian
Konfigurasi Domain 1 Domain 2
Resolusi Grid Hrizontal 27.75 km 9.25 km Skema Mikrofisik Lin et Al Lin et Al
Opsi Lap. Batas (PBL) MYJ MYJ
Opsi Cumulus Kain Fritsch Kain Fritsch
2. Setelah itu menyelesaikan tahapan pre-processing pada WRF-Processing (WPS) yang terdiri dari geogrid, ungrib dan metgrid.
3. Tahap berikutnya adalah proses numerik dalam WRF yang terdiri dari proses real.exe dan wrf.exe 4. Selanjutnya adalah tahapan post-processing pada
ARW post untuk mengubah data menjadi format .dat dan .ctl agar bisa diolah dengan aplikasi GrADS yang hasilnya berupa gambar dengan format .jpg agar bisa divisualisasikan secara jelas 5. Hasil dari running data FNL pada aplikasi WRF-
ARW kemudian diolah menggunakan aplikasi GrADS. Hasil olahan yang antara lain berupa gambar hujan, streamline angin, CAPE, curah hujan, reflektivitas dan kelembaban udara yang kemudian dilakukan analisis kaitannya dengan hujan lebat yang terjadi
IV.HASIL DAN PEMBAHASAN Analisis Lokal
Gambar 2. Kondisi cuaca permukaan Stasiun Meteorologi Sintang tanggal 19 Agustus 2014
(Sumber : http://ogimet.com/gsynres.phtml.en)
Berdasarkan hasil pengamatan cuaca di Stasiun Meteorologi Sintang, terlihat bahwa hujan lebat mulai terjadi pada interval antara 12.00 UTC – 15.00 UTC sebesar 94.0 mm. Kondisi ini terbilang sangat ekstrem untuk hujan selama 3 jam. Kondisi hujan lebat terus menerus terjadi hingga keesokan harinya yaitu pukul 00.00 UTC tercatat bahwa selama 24 jam seebesar 139 mm.
Analisis Hujan Menggunakan WRF-ARW
Gambar 3. Hasil output curah hujan tiap 3 jam
Gambar 3 merupakan hasil output curah hujan tiap 3 jam oleh WRF-ARW. Berdasarkan hasil output curah hujan WRF-ARW pada jam 06.00 UTC hingga 12.00 UTC sudah terjadi hujan namun hanya memiliki nilai <10 mm.
Sedangkan saat memasuki jam 18.00 UTC, hujan lebat sudah mulai terjadi di wilayah Sintang, Kalimantan Barat dan terus berlanjut hingga jam 21.00 UTC dengan intensitas lebih besar dari 60 mm pada jam 18.00 UTC. Sedangkan saat memasuki jam 24.00 UTC nilai curah hujan turun menjadi
<10 mm.
Analisis Reflektivitas Produk WRF-ARW
Gambar 4. Hasil output reflektivitas jam 15.00 UTC – 23.00 UTC Berdasarkan hasil output WRF-ARW produk reflektivitas pada jam 15.00 UTC – 23.00 UTC dengan interval 3 jam, terdapat nilai reflektivitas dengan interval 0 – 10 dBz di wilayah Sintang pada jam 15.00 UTC. Kondisi ini terus meningkat hingga mencapai nilai maksimal pada jam 18.00 UTC sebesar 50 – 60 dBz.
Besarnya nilai reflektivitas menunjukkan banyaknya kandungan air dan es di awan. Pada jam 21.00 kondisi reflektivitas semakin kecil dan terus melemah hingga jam 23.00 UTC menjadi 20 – 30 dBz. Hal ini menunjukkan bahwa sel awan konvektif di wilayah Sintang sudah mulai mengalami fase punah.
Gambar 5. Hasil output reflektivitas
Berdasarkan hasil analisis produk reflektivitas terhadap waktu dan ketinggian di wilayah Sintang, terlihat bahwa nilai reflektivitas tinggi terjadi saat memasuki jam 16.00 UTC hingga 19.00 UTC. Kondisi reflektivitas tinggi terjadi hingga lapisan atas dengan nilai maksimum sebesar 50 – 60 dBz terjadi pada jam 17.00 UTC pada ketinggian sekitar 5000 meter.
Saat memasuki jam 20.00 UTC, kondisi awan sudah mulai punah dengan ditandai oleh nilai reflektivitas yang menurun dragtis hingga 10 dBz, namun untuk lapisan mengenah masih memiliki nilai reflektivitas yang cukup tinggi yaitu 20 – 30 dBz. Hal ini mengindikasikan bahwa partikel air di dalam awan yang terdapat di lapisan menengah masih cukup banyak. Kemudian saat memasuki jam 23.00 UTC, nilai reflektivitas melemah dan hampir hilang untuk lapisan bawah, sedangkan untuk lapisan menengah hingga atas masih memiliki nilai reflektivitas namun tidak terlalu tinggi yaitu berkisar antara 0 – 10 dBz.
Analisis CAPE Menggunakan WRF-ARW
Gambar 6. Hasil output CAPE
Berdasarkan nilai CAPE dari hasil output WRF-ARW, terlihat bahwa pada saat pagi hari nilai CAPE masih cenderung rendah yaitu berkisar antara 500 – 1000 J/kg.
Kemudian nilai CAPE mulai meningkat dragtis ketika memasuki jam 06.00 UTC hingga 12.00 UTC yaitu berkisar antara 2500 – 3500 J/kg. Kondisi tersebut mengindikasikan besarnya energi konvektif yang mendukung untuk terbentuknya awan-awan konvektif. Namun pada jam 18.00 UTC, terlihat bahwa nilai CAPE sudah mulai berkurang daripada jam sebelumnya yaitu berkisar antara 500 – 1500 J/kg.
Analisis Angin 3000 feet Menggunakan WRF-ARW
Gambar 7. Hasil output Angin
Berdasarkan hasil analisis angin lapisan 3000 feet, pada jam 00.00 UTC tidak ada pola yang signifikan di wilayah Sintang dan sekitarnya. Namun saat memasuki jam 06.00 UTC sudah mulai terjadi gangguan berupa shearline (belokan angin) dan perlambatan angin yang cukup siginifikan. Hal ini ditunjukkan oleh panjangnya vektor angin yang semakin pendek saat memasuki wilayah Sintang dan sekitarnya.
Sedangkan saat jam 12.00 UTC terjadi konvergensi yang berupa pertemuan angin yang ditandai oleh penurunan kecepatan di wilayah Sintang dan sekitarnya. Kondisi ini akan memicu penumpukan massa udara di wilayah Sintang dan akan berpotensi terjadi pertumbuhan awan jenis konvektif. Kemudian saat jam 18.00 UTC terjadi pola pertemuan angin namun bukan termasuk dalam kategori konvergensi karena tidak ada perlambatan angin di daerah pertemuan angin tersebut. Kondisi ini termasuk dalam konfluen (pertemuan angin).
Analisis RH Menggunakan WRF-ARW
Gambar 7. Hasil output RH
Gambar 7 merupakan hasil output dari kelembaban di Stasiun Meteorologi Sintang. Berdasarkan hasil output WRF-ARW, terlihat nilai kelembaban yang sangat tinggi hingga lapisan menengah pada jam 00 – 06 UTC. Kemudian pada jam 06 – 12 UTC nilai kelembaban mengalami penurunan yang sangat dragtis yaitu berkisar antara 60 – 70
%. Namun sejak pukul 14.00 UTC nilai kelembaban mulai dari lapisan terendah hingga lapisan atas memiliki nilai yang sangat tinggi berkisar antara 90 – 100%.
Kondisi RH tinggi sampai lapisan atas terjadi hingga keesokan harinya. Semakin besar nilai kelembaban udara di suatu tempat menunjukkan kandungan uap air yang banyak dan sangat berpotensi tumbuh awan konvektif yang menghasilkan hujan lebat.
Analisis Angin dan RH Menggunakan WRF-ARW Lapisan 925 mb
Gambar 8. Hasil output Angin dan RH lapisan 925mb
Berdasarkan hasil analisis kelembaban udara di lapisan 925 mb, telrihat bahwa kondisi basah di lapisan ini sudah terjadi sejak pagi hari yaitu berkisar antara 85 – 95 %. Kemudian menjelang siang hari nilai kelembaban mulai menurun.
Untuk pola angin sendiri tidak terdapat pola angin yang signifikan saat pagi hari hingga siang hari.
Namun kondisi berubah saat memasuki jam 12.00 UTC, terdapat transport kelembaban yang cukup tinggi dari wilayah selatan Sintang menuju wilayah Sintang. Hal ini ditunjukkan oleh arah vektor pergerakan massa udara di lapisan 925mb. Kondisi ini akan memicu kenaikan kelembaban udara di wilayah Sintang pada jam-jam sekitarnya sehingga akan berpotensi tumbuh awan-awan konvektif.
Pada jam 18.00 UTC terlihat bahwa nilai kelembaban yang sangat tinggi berfokus di wilayah Sintang dan sekitarnya.
Nilai kelembaban saat itu berkisar atara 90 – 100% dan mengalami pergerakan menuju wilayah Sintang yaitu ditandai dengan vektor angin yang menuju daerah tersebut.
Lapisan 700 mb
Gambar 9. Hasil output Angin dan RH lapisan 700mb
Berdasarkan analisis kelembaban udara lapisan 700 mb, terlihat bahwa kelembaban yang tinggi di lapisan ini berasal dari sebelah timur laut wilayah Sintang. Kondisi angin yang cukup mendukung menyebabkan pergerakan transport kelembaban udara menuju wilayah Sintang dan sekitarnya.
Nilai kelembaban udara masih cukup rendah hingga jam 12.00 UTC yaitu berkisar antara 75 – 85%. Sedangkan saat memasuki jam 15.00 UTC nilai kelembaban sudah cukup tinggi di wilayah Sintang dan sekitarnya akibat transport udara dari timur laut wilayah Sintang dan sekitarnya.
Nilai kelembaban maksimum terjadi pada jam18.00 UTC yaitu berkisar antara 95 – 100% dengan pergerakan angin yang berkumpul di wilayah Sintang dan sekitarnya. Kondisi ini terus bertahan hingga jam 21.00 UTC dimana banyak massa uap air di atmosfer yang bergerak terbawa angin menuju wilayah Sintang dan sekitarnya.
V. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pembahasan dalam penelitian ini, terdapat beberapa kesimpulan yaitu sebagai berikut :
1. Berdasarkan hasil output WRF produk curah hujan, terlihat bahwa terjadi hujan lebat di wilayah Sintang pada jam 15.00 UTC dengan intensitas lebih dari 70 mm. Kondisi ini sama seperti hasil pengamatan observasi Stasiun Meteorologi Sintang bahwa hujan sejak jam 12.00 UTC – 15.00 UTC sebesar 93 mm.
Kondisi hujan masih bertahan hingga pukul 24.00 UTC.
2. Nilai reflektivitas bernilai tinggi sejak jam 15.00 UTC hingga 23.00 UTC. Nilai reflektivitas maksimum terdapat pada jam 17.00 UTC yaitu berkisar antara 50 – 60 dBz. Semakin tinggi nilai reflektivitas menunjukkan kandungan partikel di dalam awan yang semakin banyak dan ukurannya semakin besar.
3. Berdasarkan hasil analisis CAPE, terlihat bahwa nilai CAPE pada pagi hari tidak terlalu tinggi hanya sekitar 500 – 1000 J/kg. Namun saat memasuki jam 06.00 UTC dan 12.00 UTC nilai CAPE meningkat hingga mencapai 3500 J/kg. Kondisi ini sangat berpotensi untuk menghasilkan awan-awan konvektif apabila didukung dengan nilai kelembaban yang tinggi
4. Analisis kelembaban udara menunjukkan bahwa pada saat pagi hari wilayah Sintang memiliki kelembaban yang cukup tinggi hingga lapisan menengah. Kemudian saat siang hari nilai RH mulai berkurang dan menjelang malam hari nilai RH meningkat dragtis hingga mencapai 95% di lapisan permukaan hingga lapisan atas.
5. Berdasarkan hasil analisa angin yang di-overlay dengan data kelembaban di tiap lapisan, terlihat bahwa kondisi kelembaban di sekitar wilayah Sintang juga memiliki nilai yang tinggi di lapisan bawah dan menengah. Kemudian didukung dengan pergerakan angin sehingga menyebabkan wilayah Sintang mengalami peningkatan kelembaban yang cukup tinggi.
6. Berdasarkan seluruh simulasi hasil output model WRF-ARW, dapat disimpulkan bahwa model ini dianggap bagus untuk menunjukkan kondisi atmosfer di saat terjadi hujan ekstrem pada tanggal 19 Agustus 2014.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terima kasih kepada senior saya Achmad Rifani yang telah membantu menyelesaikan penelitian ini. Selain itu, terima kasih juga kepada seluruh pihak yang membantu serta membimbing saya dalam proses pengerjaan dan analisis data output WRF-ARW hingga pada akhirnya penelitian ini bisa selesai dengan baik.
PUSTAKA
[1]Wikipedia, Kabupaten Sintang , Website https://id.wikipedia.org/wiki/Kabupaten_Sintang, diakses 08 September 2016
[2] M. Aditya, Simulasi Analisis dan Forecast Hasil Model WRF- ARW (Studi kasus hujan lebat di Putussibau tanggal 3 – 4 April 2013), SKRIPSI, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tangerang Selatan, 2014.
[3] BMKG. 2010, KEP.009 Tahun 2010 Tentang Prosedur Standart Operasional Pelaksanaan Peringatan Dini, Pelaporan dan Diseminasi Informasi Cuaca Ekstrim.
BMKG Jakarta.
[4] Zakir, A., Sulistya W., Khotimah, M.K, Perspektif Operasional Cuaca Tropis, BMKG Jakarta, 2010
[5] Hadi, T. W., et al., Pelatihan Model WRF Forecasting Prediction Laboratory Bandung. 2011
[6] S. Putri Permata, Menghitung Jumlah Curah Hujan dan Hari Tanpa Hujan dengan Pengolahan Citra Radar Palangkaraya di Wilayah Kalimantan Tengah, LAPORAN KERJA, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tangerang Selatan, 2012
[7] Soepangkat, Pengantar Meteorologi, Balai Pendidikan dan Latihan Meteorologi dan Geofisika, Jakarta, 1994
[8] Ameka, I., Analisis Pertumbuhan Awan Konvektif untuk Informasi Penerbangan, Program Studi Meteorologi ITB, Bandung, 2005
