1
Penyebab Pencemaran Udara Seringkali Menjadi Polemik di Masyarakat
2
Jakarta, CNBC Indonesia - Sudah bukan rahasia lagi bahwa beberapa waktu lalu kualitas udara di Jakarta berada dalam kategori tidak sehat dan tak layak hidup. Hal ini pun menjadi sorotan nasional dan global.
Hal ini pun membuat banyak orang ingin mengetahui penyebab polusi udara tersebut.
Beberapa orang menuding Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) berbasis batu bara sebagai penyebab buruknya kualitas udara di kota Jakarta dan sekitarnya.
Namun, fakta berkata lain, penyebab utama polusi udara di ibu kota berasal dari kendaraan bermotor.
Laporan itu juga menepis kabar bahwa dugaan polusi udara karena PLTU di Suralaya yang berdiri di Cilegon, Provinsi Banten, karena pergerakan angin yang tidak mengarah ke Jakarta.
Liputan6.com, Jakarta, 22 Agustus 2023 - Analisis yang dilakukan oleh Institute For Development of Economics and Finance (INDEF) menunjukkan 42,3 persen masyarakat di media sosial menganggap Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) batu bara sebagai kontributor utama polusi udara di Jakarta.
Data dari analisis Continuum INDEF juga menunjukkan, 9.500 masyarakat di media sosial yang diamatinya menganggap energi sebagai sektor yang dianggap sebagai penyumbang polusi udara tertinggi di Jakarta.
Peran Pemodelan Pencemaran Udara
• Pemodelan membantu dalam mengidentifikasi dan memahami sumber-sumber pencemaran udara, baik itu sumber alami seperti gunung berapi dan kebakaran hutan, maupun sumber buatan manusia seperti kendaraan bermotor, industri, dan
pembangkit listrik.
• Pemodelan pencemaran udara dapat membantu perencanaan tata letak kota dan penempatan industri agar dampak pencemaran udara dapat
diminimalisir. Ini termasuk menentukan lokasi jalan raya, zona industri, dan area pemukiman.
3
Peran Pemodelan Pencemaran Udara (2)
• Pemodelan dapat digunakan untuk menilai dampak pencemaran udara terhadap kesehatan manusia.
• Pemodelan memberikan data yang dapat digunakan oleh pembuat kebijakan untuk membuat regulasi yang lebih efektif dalam mengontrol emisi polutan.
• Dalam kejadian darurat, seperti kebakaran hutan atau kecelakaan kimia, pemodelan pencemaran udara dapat digunakan untuk memprediksi penyebaran polutan dan memberikan rekomendasi untuk evakuasi atau tindakan lainnya untuk melindungi masyarakat.
4
Definisi Pemodelan Pencemaran Udara
• Pemodelan pencemaran udara adalah proses matematis dan
komputasional untuk mensimulasikan konsentrasi dan penyebaran polutan di atmosfer. Model ini menggunakan persamaan matematika untuk merepresentasikan proses fisik dan kimia yang mempengaruhi
polutan udara, termasuk emisi, transportasi, dispersi, transformasi kimia, dan deposisi.
• Model pencemaran udara dapat berskala lokal hingga global, masing-
masing dengan aplikasi spesifik untuk memahami dan mengelola kualitas udara. Keakuratan model ini sangat tergantung pada data yang akurat dan pemahaman yang komprehensif tentang dinamika atmosfer.
5
Manfaat Pemodelan Pencemaran Udara
• Mengatasi keterbatasan kegiatan
pengukuran/monitoring dan analisis data
• Mengetahui dampak sebuah kebijakan/proyek baru
• Mengetahui skenario terbaik untuk rencana jangka pendek/panjang
• Menganalisis risiko pencemaran udara terhadap kesehatan
6
Hasil pengukuran di 24 titik
Hasil pemodelan
1. Menetapkan hukum dan peraturan perundangan
2. Menganalisis sumber pencemaran udara 3. Melakukan inventarisasi emisi dari berbagai
sumber pencemaran udara
4. Melakukan pemantauan (monitoring) udara ambien;
5. Melakukan pemodelan pencemaran udara menggunakan model dispersi;
6. Melakukan analisis data dan interpretasi untuk menilai dampak dan risiko pencemaran udara;
7. Menetapkan perencanaan strategi
pengendalian dan pengembangan untuk memperbaiki kualitas udara
Posisi Pemodelan dalam Komponen Pengelolaan
Pencemaran Udara
Klasifikasi Pemodelan Pencemaran Udara
1. Model Gaussian: Menggunakan persamaan Gaussian
untuk mendeskripsikan dispersi polutan dari sumber titik.
2. Model Lagrangian: Mengikuti massa udara individual dan polutan di dalamnya seiring bergerak melalui atmosfer.
3. Model Eulerian: Memecah wilayah menjadi grid dan menghitung transfer polutan antar sel grid.
8
Model Gaussian
Model Gaussian
•
Model Gaussian adalah jenis model pemodelan dispersi pencemaran udara yang
digunakan untuk memperkirakan dan memprediksi penyebaran polutan di atmosfer dari berbagai jenis sumber emisi. Model ini didasarkan pada asumsi bahwa polutan akan
menyebar dalam pola yang simetris dan normal (distribusi Gaussian) dari sumbernya,dan konsentrasi polutan akan menurun dengan jarak dari sumber.
•
Model Gaussian telah digunakan secara luas dalam perencanaan lingkungan dan penilaian dampak kesehatan karena kesederhanaan dan efisiensinya dalam
perhitungan. Namun, model ini memiliki keterbatasan, terutama dalam kondisi di mana asumsi-asumsi dasar (seperti homogenitas atmosfer dan stabilitas) tidak
terpenuhi, seperti dalam kondisi cuaca yang sangat bervariasi atau di area dengan topografi yang kompleks.
10
Model Gaussian
• Paling banyak digunakan karena direkomendasikan oleh berbagai kementerian lingkungan di dunia,
diantaranya oleh US EPA dan KLHK RI.
• Berdasarkan asumsi:
• Penyebaran plume (kepulan asap) dihitung berdasarkan molecular diffusion (difusi molekular)
• Penyebaran konsentrasi plume ke arah horisontal dan vertikal dihitung berdasarkan distribusi normal
(double Gaussian distribution)
• Penyebaran dan bentuk plume mengikuti kondisi meteorologi (kecepatan dan arah angin)
11
H
X
Y Z
u
Q
12
Data terdistribusi Normal
Data tidak terdistribusi Normal
Penyebaran konsentrasi plume ke arah horisontal dan vertikal dihitung berdasarkan distribusi normal (double Gaussian distribution)
Persamaan Gaussian Standar:
Persamaan Gaussian Standar:
Persamaan Fisik/Kimia
• Adveksi adalah pergerakan partikel searah gerakan media, contoh pencemar air bergerak searah aliran sungai, pencemar udara bergerak searah angin
• Difusi/dispersi adalah pergerakan partikel acak yang disebabkan oleh gaya tarik antar molekul (gerak brown) atau karena gerakan partikel dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah, contoh ketika tinta diteteskan ke air, maka tinta akan
menyebar kesegala arah
• Deposisi/sedimentasi adalah pergerakan partikel ke arah permukaan bumi karena adanya gaya gravitasi
• Reaksi adalah reaksi kimia antar molekul yang menyebabkan perubahan senyawa
molekul
Model AERMOD
• AERMOD adalah model dispersi atmosfer yang dikembangkan oleh U.S.
Environmental Protection Agency (EPA) dan merupakan perbaikan dari
model Gaussian klasik. AERMOD menggabungkan pemahaman yang lebih baik tentang transfer massa di atmosfer bawah dengan kemajuan dalam pemodelan numerik dan komputasi. Model ini dirancang untuk
memperkirakan konsentrasi polutan di berbagai skala jarak dari sumber titik, garis, dan area di bawah berbagai kondisi meteorologi dan topografi.
• AERMOD merupakan langkah maju yang signifikan dalam pemodelan
dispersi polutan dan telah menjadi standar industri dalam banyak aplikasi yang berkaitan dengan perencanaan lingkungan dan penilaian dampak kesehatan.
16
Perbaikan di Model AERMOD
1. Perlakuan Khusus untuk Lapisan Batas Atmosfer 2. Penggunaan Data Meteorologi yang Lebih Detail 3. Pemodelan Topografi Kompleks
4. Pemodelan Sumber Area dan Volume 5. Pemodelan Deposisi
6. Pemodelan Building Downwash 7. Pemodelan Plume Rise
8. Pemodelan untuk Kondisi Stabilitas Atmosfer Khusus
17
Lapisan batas planetarium (Planetary Boundary Layer, PBL), juga dikenal sebagai lapisan batas atmosfer, adalah bagian terbawah dari atmosfer yang langsung dipengaruhi oleh permukaan bumi melalui proses seperti adveksi, difusi, dan konveksi.
•
AERMOD memperkenalkan konsep lapisan batas planetarium (Planetary Boundary Layer/PBL) yang
menggambarkan bagaimana polutan bergerak dan menyebar dalam
lapisan atmosfer di mana manusia hidup dan bernapas.
•
Model ini menggunakan profil vertikal untuk kecepatan angin, turbulensi, dan stabilitas atmosfer yang lebih realistis, yang berubah tergantung pada waktu dalam sehari dan kondisi cuaca.
18
(Sumber: Oke, 2006)
Perlakuan Khusus untuk Lapisan Batas Atmosfer
• AERMOD memanfaatkan data meteorologi permukaan dan
data profil atas yang lebih detail, yang memungkinkan model
untuk menyesuaikan perhitungan dispersi
berdasarkan kondisi atmosfer
aktual. Ini termasuk penggunaan data dari Sounding Atmosfer
atau data meteorologi yang diukur dari menara.
19
(Sumber: USEPA)
Penggunaan Data Meteorologi yang Lebih Detail
Pemodelan Topografi Kompleks
• AERMOD mampu mempertimbangkan pengaruh topografi yang tidak rata pada dispersi polutan.
Ini memungkinkan model untuk memberikan estimasi yang lebih akurat tentang konsentrasi polutan di daerah dengan fitur topografi yang signifikan.
Pemodelan Sumber Area dan Volume
• Model ini memperkenalkan konsep sumber area dan volume yang lebih canggih, yang
memungkinkan untuk pemodelan yang lebih tepat dari berbagai jenis sumber emisi, seperti lalu lintas jalan raya yang tersebar atau emisi dari area industri yang luas.
Pemodelan Deposisi
• AERMOD termasuk mekanisme untuk memodelkan deposisi kering dan basah, memungkinkan untuk perhitungan yang lebih akurat dari deposisi polutan ke tanah atau permukaan air.
(Sumber: USEPA) 20
Perbaikan di Model AERMOD
Pemodelan Building Downwash
• AERMOD memperhitungkan efek "downwash" yang terjadi ketika aliran udara terdistorsi oleh bangunan, yang dapat meningkatkan konsentrasi polutan di tingkat tanah di dekat sumber emisi.
Pemodelan Plume Rise
• Model ini memiliki algoritma yang lebih baik untuk menghitung kenaikan plume dari sumber panas atau buangan yang memiliki momentum, seperti asap dari cerobong asap.
Pemodelan untuk Kondisi Stabilitas Atmosfer Khusus
• AERMOD memperbaiki estimasi dispersi polutan dalam kondisi atmosfer stabil dan tidak stabil, yang merupakan peningkatan dari model Gaussian yang lebih sederhana yang tidak selalu
menangani kondisi stabil dengan baik.
(Sumber: USEPA) 21
Perbaikan di Model AERMOD
Contoh Keluaran Model Aermod
22
Model Lagrangian
• Model Lagrangian adalah pendekatan yang
melacak perjalanan paket udara individual (atau 'parcel') dan polutan yang terkandung di
dalamnya seiring bergerak melalui atmosfer.
• Dalam model Lagrangian, pergerakan paket udara dihitung berdasarkan vektor kecepatan angin dan perubahan kecepatan tersebut seiring waktu. Dispersi polutan dalam paket udara tersebut kemudian dimodelkan
menggunakan teori statistik atau stokastik, seringkali dengan asumsi bahwa pergerakan polutan mengikuti pola distribusi probabilitas tertentu.
24
Model Lagrangian
• Persamaan yang digunakan dalam model Lagrangian biasanya melibatkan
persamaan diferensial yang menggambarkan perubahan posisi dan konsentrasi polutan dalam parcel udara tersebut.
• Model ini sering kali menggunakan metode
numerik seperti Monte Carlo atau metode partikel untuk menyelesaikan persamaan- persamaan ini secara numerik.
25
Persamaan Model Lagrangian
• CALPUFF adalah model pemodelan dispersi atmosferik yang kompleks dan non- steady-state yang digunakan untuk menilai dampak pencemaran udara jarak jauh.
Model ini menggunakan pendekatan Lagrangian untuk melacak 'puffs' atau kelompok polutan dalam atmosfer.
• Model ini memperhitungkan berbagai proses fisik dan kimia yang mempengaruhi transportasi dan transformasi polutan dalam atmosfer, termasuk adveksi, dispersi, deposisi (baik kering maupun basah), transformasi kimia, dan interaksi dengan permukaan bumi. Persamaan-persamaan ini tidak hanya menggambarkan
pergerakan dan perubahan konsentrasi polutan tetapi juga perubahan dalam kondisi meteorologi yang mempengaruhi pergerakan dan penyebaran polutan.
26
Model CALPUFF
Puff models 27
Puff Model (CALPUFF)
• Gaussian menggunakan prinsip penyebaran Plume yang mengikuti garis lurus seperti sinar senter.
• Untuk memperbaiki kekurangan dari Gaussian Plume Model,
dibuat Puff Model. Contoh software model puff model adalah CALPUFF.
• CALLPUF merupakan non-steady state Lagrangian puff dispersion model.
• Kelebihan CALPUFF dibandingkan Model Dispersi Gauss adalah dapat mensimulasikan secara lebih realistis untuk kondisi yang calm wind, kondisi stagnan, terrain yang kompleks, dan kondisi pesisir yang memiliki angin laut dan darat
Puff
Perbandingan Model Puff dan Plume
1. Persamaan Adveksi: Menggambarkan pergerakan puff berdasarkan kecepatan angin yang berubah-ubah di atmosfer.
2. Persamaan Dispersi: Menggambarkan penyebaran puff karena turbulensi atmosferik, yang dihitung menggunakan koefisien dispersi yang bervariasi di ruang dan waktu.
3. Persamaan Konsentrasi: Menggambarkan perubahan konsentrasi polutan dalam puff seiring waktu, termasuk sumber dan penurunan polutan.
4. Persamaan Deposisi: Menggambarkan deposisi kering dan basah polutan dari puff ke permukaan bumi.
5. Persamaan Transformasi Kimia: Menggambarkan reaksi kimia yang mengubah komposisi kimia polutan dalam puff.
6. Persamaan Interaksi dengan Permukaan: Menggambarkan bagaimana polutan berinteraksi dengan permukaan bumi, termasuk penyerapan dan emisi kembali.
7. Persamaan Pengaruh Topografi: Menggambarkan bagaimana topografi lokal mempengaruhi pergerakan dan dispersi puff.
8. Persamaan Pengaruh Stabilitas Atmosfer: Menggambarkan bagaimana stabilitas atmosfer mempengaruhi penyebaran vertikal dan horizontal polutan.
28
Persamaan Model CALPUFF
• Adveksi adalah proses transportasi polutan oleh aliran angin. Dalam model CALPUFF, adveksi puff dihitung menggunakan persamaan yang menggambarkan pergerakan puff berdasarkan kecepatan angin lokal yang diukur atau diprediksi. Persamaan adveksi dasar untuk komponen horizontal dapat ditulis sebagai:
29
Persamaan Model CALPUFF : Adveksi
• Dispersi menggambarkan
penyebaran polutan dalam puff karena turbulensi atmosfer.
• Dalam model CALPUFF, dispersi dihitung menggunakan
persamaan yang
menggambarkan perubahan dalam dimensi puff berdasarkan koefisien dispersi yang
bervariasi di ruang dan waktu.
• Persamaan dispersi dapat diwakili sebagai perubahan dalam standar deviasi dari distribusi konsentrasi polutan dalam puff.
30
Persamaan Model CALPUFF : Dispersi
Contoh output Calpuff View
31
Contoh Studi Komprehensif Calpuff
32
Mateusz Rzeszutek, 2019
• Pemilihan antara model Lagrangian dan Gaussian seringkali bergantung pada tujuan spesifik pemodelan, data yang tersedia, dan sumber daya komputasi.
• Dalam beberapa kasus, penggunaan model hibrid yang menggabungkan kedua pendekatan mungkin
memberikan hasil yang lebih optimal.
33
Model CALPUFF vs AERMOD
• Model Lagrangian Random Particle (LRPM) adalah teknik pemodelan dispersi pencemaran udara yang menggabungkan pendekatan Lagrangian dengan metode stokastik. Dalam model ini, dispersi polutan di atmosfer diwakili oleh sejumlah besar partikel virtual yang bergerak melalui medan aliran udara. Pergerakan partikel-partikel ini dipengaruhi oleh adveksi dengan aliran udara besar dan oleh proses stokastik yang meniru efek turbulensi atmosfer.
• Kelebihan LRPM
1. Fleksibilitas: Dapat menangani kondisi atmosfer yang berubah-ubah dan topografi yang kompleks.
2. Realisme: Menyediakan representasi yang lebih realistis dari proses dispersi acak yang terjadi di atmosfer.
3. Back-Trajectory Analysis: Dapat digunakan untuk melacak asal-usul polutan dengan menghitung lintasan mundur partikel.
• Kekurangan LRPM
1. Intensif Komputasi: Membutuhkan sumber daya komputasi yang besar, terutama untuk simulasi dengan banyak partikel.
2. Ketergantungan pada Data: Memerlukan data meteorologi yang akurat dan rinci untuk menghasilkan hasil yang valid.
3. Kompleksitas: Mungkin lebih sulit untuk diimplementasikan dan diinterpretasikan dibandingkan dengan model yang lebih sederhana.
34
Model Lagrangian Random Particle
Contoh Lagrangian Random Particle
Top-view of distribution of particles – San Diego harbor
35
1 km horizontal resolution 444 m horizontal resolution
Meteorology: MM5 model; Dispersion: Lagrangian Random Particle Dispersion Model
36
Contoh Lagrangian
Random Particle
Top-view of distribution of
particles – San Diego
harbor
• Model Lagrangian memiliki kemampuan analisis back-trajectory atau penelusuran kembali lintasan.
• Model dapat digunakan untuk
menentukan asal-usul polutan dengan melacak kembali pergerakan paket udara ke lokasi asalnya, berlawanan dengan
arah waktu.
• Contoh software back trajectory adalah HYSPLIT (Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory).
37
Model Back Trajectory
(Sumber: Lin Su, 2015)
Model Eulerian
•
Model Eulerian dalam pemodelan
pencemaran udara adalah pendekatan yang memetakan konsentrasi polutan pada grid
tetap dalam ruang.•
Berbeda dengan model Lagrangian yang
mengikuti pergerakan paket udara individual, model Eulerian fokus pada perubahan
konsentrasi polutan di lokasi tetap seiring waktu.
•
Hal ini dilakukan dengan menyelesaikan
persamaan konservasi massa untuk polutan dalam volume kontrol yang didefinisikan oleh grid model.
39
Model Eulerian
Model Eulerian 3 Dimensi
Eulerian vs Lagrangian Model
• Eulerian
– koordinat tetap
– fokus pada kecepatan fluida
– menghitung secara langsung ketika ada reaksi kimia
• Lagrangian
– koordinat bergerak
– fokus pada pergerakan kelompok partikel – tidak langsung berlaku untuk masalah yang
melibatkan reaksi kimia nonlinier
Eulerian vs Lagrangian Model
• Eulerian
– koordinat tetap
– fokus pada kecepatan fluida
– menghitung secara langsung ketika ada reaksi kimia
• Lagrangian
– koordinat bergerak
– fokus pada pergerakan kelompok partikel – tidak langsung berlaku untuk masalah yang
melibatkan reaksi kimia nonlinier
• Model-model seperti CMAQ (Community Multiscale Air Quality) dan CAMx (Comprehensive Air Quality Model with extensions) adalah contoh dari model Eulerian yang digunakan secara luas.
• Persamaan dasar dalam model Eulerian untuk transport polutan adalah persamaan adveksi-difusi, yang juga dikenal sebagai persamaan transport.
Persamaan ini menggabungkan beberapa proses fisik utama:
– Adveksi: Transport polutan oleh aliran angin.
– Difusi: Penyebaran polutan karena turbulensi atmosfer.
– Sumber dan Penurunan: Emisi polutan ke dalam atmosfer dan penghapusan polutan dari atmosfer melalui proses seperti deposisi atau reaksi kimia.
43
Persamaan Umum Model Eulerian
44
Persamaan Umum Model Eulerian (2)
Kelebihan Model Eulerian
1. Kemampuan untuk Menangani Konsentrasi Tinggi: Model ini efektif dalam memodelkan area dengan konsentrasi polutan yang tinggi dan interaksi antara polutan yang berbeda.
2. Pemodelan Reaksi Kimia: Model Eulerian sangat cocok untuk memasukkan reaksi kimia kompleks antara berbagai polutan.
3. Pemodelan pada Skala Besar: Pendekatan ini cocok untuk pemodelan skala regional hingga global karena dapat menangani banyak sumber dan proses fisik secara simultan.
Kekurangan Model Eulerian
1. Kebutuhan Komputasi Tinggi: Memerlukan sumber daya komputasi yang signifikan, terutama untuk grid dengan resolusi tinggi.
2. Keterbatasan pada Skala Kecil: Mungkin tidak akurat pada skala waktu dan ruang yang sangat kecil karena asumsi homogenitas pada grid.
3. Kesulitan dengan Sumber Bergerak: Tidak seefektif model Lagrangian dalam menangani sumber polutan yang bergerak, seperti kendaraan.
45
Kelebihan Model Eulerian
Komponen Pemodelan Pencemaran Udara Eulerian
● Proses gas
● Proses aerosol
● Proses pembentukan awan
● Proses radiatif
● Proses meteorologi
● Proses transport
● Proses di permukaan
Jacobson, 2005
Musim Penghujan : Januari Musim Kemarau : Agustus
Hasil Pemodelan Eulerian Level Pulau (Asep Sofyan dkk, 2019)
Hasil Pemodelan Eulerian Level Provinsi (Asep Sofyan dkk, 2019)
Musim Penghujan : Januari Musim Kemarau : Agustus
Hasil Pemodelan Eulerian Level Provinsi (Asep Sofyan dkk, 2019)
Musim Penghujan : Januari Musim Kemarau : Agustus
Hasil Pemodelan Eulerian Level Provinsi (Asep Sofyan dkk, 2019)
Musim Penghujan : Januari Musim Kemarau : Agustus
Hasil Pemodelan Eulerian Level Kota di DKI Jakarta
(Asep Sofyan dkk, 2019)
Inventarisasi Emisi Per Kabupaten/Kota
Sebaran daerah Komersial
IE Jabodetabek
Sebaran kawasan industri Data traffic transportasi
Kepadatan Penduduk
Model Eulerian 3 Dimensi
● Eulerian Multi-box Model
Ilustrasi Multi-Grid Contoh Output Model Eulerian 3D
Pengaturan Domain dan Grid Model
● Grid horisontal dan vertikal (3 dimensi)
Contoh Eulerian Model 3 Dimensi
Sumber: Youtube Link:
https://youtu.be/rFBS2qGqKQo Keterangan:
Hourly surface ozone
concentrations [ppbv], 2005 modeled by model CAMxv5.40 at 30 km x 30 km resolution using SAPRC99 mechanism.
Simulated at the Department of meteorology and environmental protection, Faculty of
Mathematics and Physics, Charles University in Prague, Czech Republic.
Website: https://www.windy.com/
Terima kasih
Informasi lebih lanjut hubungi:
www.ecoedu.id
Jadwal 2023
Informasi lebih lanjut hubungi:
www.ecoedu.id
Jadwal 2024
Informasi lebih lanjut hubungi:
www.ecoedu.id
Jadwal 2024
