Identifikasi Gelombang Kelvin di Lapisan Tropouse

I. PENDAHULUAN
Latar Belakang
Dinariiika atmosfer pada lapisan
stratosfer bawah (hingga tropopause)
didominasi oleh Qziasi-Bienrzial Oscilation
(QBO). QBO dipercaya dibangkitkan dari
hasil interaksi gelonibang ekuatorial dengan
aliran dasar. Perambatan secara vertikal ke
atas dari gelombang berskala planeter
tersebut mampu membangkitkan perubahan
pada aliran-dasar di lapisan stratosfer-bawah
zona ekuatorial rnelalui mekanisme interaksi
gelombang deugan aliran-dasar. QBO
mempunyai pengaruh terhadap sistem
sidtulasi secara global yang berkaitan
dengan berbagai masalah lingkungan.
Gelombang
ekuatorial
berskala
planeter yang tera~nati di troposfer atas
hingga stratosfer bawah adalali gelombang
Kelvin dan Rossby-gravity. Gelornbang
Kelvin dengan periode 15-20 harian pertama
kali ditemukan oleh Wallace dan Kousky
pada tahun 1968 di pasifik ba~at (pada
koordinat 9' LU dan SO' BT, 1 lo LU dan 6 l o
BT, dan 9O LU dan 168' BT) dan Dhaka ct
a1 (1995) juga menemukan gelombang
Kelvin dengan periode 7-16 harian di
wilayah India (pada koordinat 8.5" LU dan
77O BT, 8.3O LU datl73" BT, 11.7O LU dan
92.7" BT) pada ketinggian 12 - 16 km
(troposfer atas). Gelombang Rossby-gravity
dengan perode 4-5 liarian perhma kali
ditemukan oleh Yanai dan Maruyania pada
tahun 1966 juga di wilayah pasifik bardt (3"
LS dan 172" BB).
Gelombang Kelvin berbentuk simetris
dengan puncak berada di ekuator dan
melumh jika menjauhi ekuator. Gelombang
Kelvin yang pertama kaEi ditemukan
memiliki panjang gelombang 20.000 km dan
panjang gelombang vertikalnya 6-10 km.
Gelombang Kelvin berpropagasi ke tilnur
(secara zonal) dan ke bawah (secara
vertikal).
lndonesia merupakan kawasan yang
terletak di antara India dan Pasifik barat.
Kemungkinan hadiniya gelombang Kelvin
di atmosfer Indonesia sangat besar. Namun
karakteristiknya belum tentu sama dengan
yang peniah diamati sebelumnya. Karena itu
perlu dilakukan studi lebih lanjut untuk
menganiati karakteristik gelombang Kelvin
di Indonesia.
Penelitian ini mengkaji gelonibang
Kelvin yang berada di tropopause ekuatorial
Indonesia dengan menggunakan data
sounding NOAA dengan objek kajian
lndonesia bagian bardt yaitu pada batasan
wilayah 95" BT - llO0 BT dan 10" LU lo0 LS dengan penibagia~igrid pada jarak
5". Adapun pemilihan lapisan tropopause
adalali karena lapisarl tersebut merupakan
lapisan yang stabil seliingga memungkinkan
terjadinya
perambatan
gelombanggelombang atltiosfer baik benkala besar
rnaupun berskala kecil. Objek studi ini
nielibatkan unsur niedan angin mencakup
komponen zonal dan mcridional sebagai
objek utama yang akan dikaji, serta suhu
udara,
kelembaban
dan
ketinggian
geopotensial sebagai objek penunjang.
Tujuan
Tujuan
dilala~kannya penelitian
tentang Studi Gelombang Kelvin di Lapisan
Tropopause Indonesia Bagian Barat, adalali
sebagai berikut:
1. Mengidentifikasi gelombang Kelvin
yang terjadi di lapisan tropopause
lndonesiil Bagian Barat.
2. Menipelajari karaktcristik gelombang
Kelvin di lapisan tropopause
lndonesia Bagian Bwat.
11.
TKNJAUAN PUSTAKA
2.1 Dinamifta Tropic
2.1.1 Monsoon
Angin monsoon sangat d~tentukan
oleb pel-gcrakan semu matahari. Pada saat
kedudukan rnalahari berada di belaharr bumi
Utara (BBU) wilayah daratan Asia
mengalami
pemawasan
besar-besaran
sehingga suhu udam pada wilayah Asia akan
lebib tinggi dali tekauannya rendah. Adanya
perbedaan tekanan yang sangat signifikan
menyebabkan timbuinya aliran udara dari
Australia yang tekanannya lebiii tinggi.
Aliran ini hanya rnelewati lautan yang
sempit dan rxassa udara yang dibawa
cenderung kering. I'ada rnasa ini (AprilOktober) dr lndonesia terjadi musim
kemarau. Dart sebaliknya pada musim
penghujan. Pada saal kedudukan matahari di
belahan bunii Selatan (BBS) wilayah
Australia mengalanii pemanasan besarbesaran sehingga suliu di Selatan tinggi dan
tekanannya rendah. Aliran udwa akan
datang dari Utara sang bertekanan tinggi
dan melewati laularl yang luas (Sarnudra
Pasifik) yaig menibawa niassa udara yang
lembab.
2.1.2 Sel Hadley
Sel Hadley merupakan sirkulasi
global dalam arah utara-selatan (meridional).
Sel Hadley muncul disebabkan tidak
meratanya pemanasan permukaan bunii oleh
matahari. Daerah ekuator menerima
pemanasan lebili besar sehingga massa udara
menjadi hangat dan terangkat dan
melepaskatt panas laten dalaln proses
pembentukan awan cumulus. Energi ini
yang menjadi motor penggerak Sel Hadley.
Pengangkatan massa udara di ekuator akan
~iiengakibatkan kerapatan massa udara di
permukaan ekuator kecil sehingga terjadi
konvergensi dan aliran udara dari lintang 30'
bergerak ke arah ekuator. Sedangkan di
atmosfer atas ekuator terjadi peningkatan
kerapatan massa udara sehingga terjadi
divergensi dan aliran ndara akan bergerak ke
arah kutub dan akan tersubsidensi pada
lintang 30" karena adanya konvergensi di
atmosfer atas lintatig 30'.
-
c<mL
---
30°S
COOL
V&p
MOIST A I R
EQUATOR
3U0N
2.2
Teori
Gelombang
Atmosfer
Ekuatorial
2.2.1 Gelombang Rossby-gravity
Gelonibang
Rossby-gravity
ditemukan pertama kali oleh Yanai dan
Maruyama (1966) di lapian stratofer bawah
ekuatorial. Gelombang Rossby-gravity
muncul ketika aliran dasar baratan dimana
gelombang ini merambilt kc barat dengan
kecepatan -23 mis relatif terhadap
pemiukaan bumi. Gelombang Rossbygravity tneniiliki periode 4-5 hari dengan
panjang gelombang vertikd 4-6 km. Skala
meridional gelombang
Rossby-gravity
berkisar 1000-1500 kg11 dan jumlah
gelotnbang secara zonal ada 4 (Holton,
2004).
Secara teoritik Gclombang Rossbygravity dimmuskan dengan pendekatan
bidang-0, dimana parameter coriolis
menjadi:
f =: PY
Gambar I . Sirkulasi Sel Hadley
2.1.3 Sirkulasi Walker
Sirkulasi Walker lnerupakan sirkulasi
global dalam arah timur-barat (zonal) dan
terjadi di sekitar ekuator. Sirkulasi Walker
tnuncul karena adanya variasi secara
longitudional pada suhu permukaan laut.
Adanya variasi ini dapat membangkitkan
sirkulasi atmosfer secara zolial yang tidak
simetris.
Ada tiga wilayah yang mengalami
pemanasan yang lebih besar, yaitu
Ekuatorial Afrika, Atnerika Utara dan
Amerika Tengah, dan Bunii Maritim
Indonesia (BMI). Pemanasan diabatik di
Bumi
Marilim
Indonesia
(BMI)
mengakibatkan tekanan udara permukaan di
pasifik barat lebih rendah daripada tekanan
udara di pasifik timur. Hal tersebut
menghasilkan gradien tekanan ke arah barat
dan aliran udara timuran dimana aliran
tersebut lehih kuac daripada aliran dasar
timuran (zonally ~ncancuslerlis). Sedangkan
a l i m udara atas akan bergerak ke arah timur
(Westerlies).
dimana: P = 2 Q l R
Q = Kccepalan sudut bumi.
R = Jari-jari bumi.
Dari persamaan pertubasi liniel. pada
perairan dangkal (Holton 2004):
au1iar- pyuv=-aas/ax .....................( I )
a u t / a t + pYul=
- a < p 9 / a y ................. (2)
~ i a t + ~ h , ( a ~ c 't ai ua 'xi a y ) = o .......(3)
dimana: a)' = gh' mempakan pertubasi
geopotensial dan diasunisikan bahwa solusi
persaniaan gelombang menipunyai bentuk:
r - 1
L
J
Substitusikan persaniaan (4) ke
dalani persa~i~aan (1)-(3) maka akan
dihasilkan
-vu-fly,,=-ikQ,
................................ (5)
Persamaan (5) dapat disederlianakan
lagi sehingga dihasilkan solusi untuk u ,
kemudian substitusikan ke dalan~persamaan
(6) dari (7) sehingga menjadi:
Persamaan
diatas
menentukan
tiekuensi
dari osilasi bebas yang
terperaiigkap di ekuator dengan k adalah
bilangan-gelombang zorial dan n adalah
modus gelornbang. Seliingga persamaan (20)
dapat diekspresiltan dengan lebih baik
dengan menggantikan y dengan koordinat
meridional nondimensional.
= ( D IJs11 * )"2.v
Sehinsa solusinya dapat dituliskan:
&)= 130~/n(8)exp(&' 1 2 )....................(21)
<
Sederhanakan persamaan (9) untuk
menghasilkan solusi dari 4, kemudian
substitusikan persarnaan tersebut ke dalam
persmnaan (8) sehingga menghasilkan:
Dimana v, merupakan konstanta yang
berdimensi kecepatan dan Mn(5) adalah sukrr
k e n dari poli~iornialHerrnite.
H, = 1, HI (5 ) = 2 5,I-lz (5) = 4 - 2
Persmiiaan
(20)
mampu
menginterpretasikan pergerakan ke timur
dan barat dari gelornbang gravity yang
terjebak di ekuator &In pergerakan ke arah
barat dari gelombang Rossby ekuatorial
dengan n = 0. Dalam kasus ini faktor
hubungan dispersinya adalah:
c2
Persaniaan (10) dapat diubah menjadi
Persamaan (I 1) memiliki bentuk yang sama
dengan persamaan differensial:
&-x'y=-@
.................................... (12)
Kompone~i
d~
Dimana solusi untuk persamaan (12) adapt
sbb:
d'y T z y = ( ~ - x ) ( D + x ) y
................... (13)
--
m
=(D + x)(D - x)y ............. (14)
Dimana D = dldx (operator differensial).
Persamaan
(13)
dan
(14)
dapat
disederhanakan dan mensubstitusi y dengan
yl menjadi:
( D - x ) ( D + x ) y , = - ( k - l ) y , .........(15)
( D + .\)(D - . ~ ) y , = -( k + l ) y , ..(I61
Persamaan (15) dikalikan dengan
(Di-x) kemudian hasilnya dibandingkan
dengan persamaan persamaari (16) dan
persarnaan (16) dikalikan dengan (D-X)
kemudian dibandingkan dengan persamaan
(15) maka dihasilkan:
y , _ , = ( D + x ) y , .......................0 7 )
y
( D - x ) y , .......................(18)
dimana k = 0, 1,2,.... Dari persamaan (I$), y
meniiliki nilai jika k bilangan ganjil, maka:
k=2n + l
Sehingga solusi persamaan (12) adalah
'
.r2
,,,*, =(D - x)= 2 ...........................(19)
Dari persamaan ( I I) dan (12) maka:
................(20)
vlk=-a,
yang
menun.jukkan
peranibatan
ke
barat
gelombang gravity, tidak diijinkan, sesuai
dengan persarnaan (22) harm diasurnsikan
untuk tidak dihilangkan ketika persamaan
(8) dan (9) dikombinasikan sehingga
komvonen tersebut diberikan oleh:
Mode ini rnerupakan Gelombang
Rossby-gavily.
.
.
.
.
.
.
.
.
. . . . . . . .
Garnbar 3. I'rolil horizl~nkilGelombang Rossbygravity (Malsuno, 1966).
2.2.2 Getombang Kelvin
Gelombang kelvin pertama kali
ditemukan oleh Wallace dan Kousky (1968)
di stratosfer bawah ekuatorial. Gelombang
Kelvin muncul ketika aliran dasar timuran
dimana gelombang ini merambat ke timur
dengan kecepatan +25 mls relatif terhadap
permukaan bumi. Gelomhang Kelvin
memiliki periode 10-20 hari. Namun ada
juga yang periodenya 7-10 hari (pada
stratosfer atas) yang dikenal dengan Fast
Kelviir (FK) dan juga periodenya 3-4 hari
(pada lapisan mesosfer dan thermosfer
bawali) yang dikenal dengan Ultra Fast
Keh,br (UFK) (Lima et al., 2008).
Gelombang Kelvin memiliki panjang
gelombang vertikal sekitar 6-10 km dan
memiliki 1-2 bilangan gelombang zonal.
Skala meridional gelombang Kelvin berkisar
1300-1700 km (Holton, 2004). Gelombang
Kelvin tnuncul pacla ketinggian 16-60 km
dengan periode dan panjang geombang
dalam arah vertikal yang berbeda-beda
(Dhaka el a[., 1995).
Ciri khas dari gelombang Kelvin
adalah tidak adanya pertubasi kecepatan
ddlam arah meridional sehingga komponen
meridional pada persamaan (5)-(7) dapat
dihilanpkan.
Kombinasi persanlaan (24) dengan
(26) akan menghasilkan persamaan dispersi
gelombang Kelvin yang identik dengan
gelornbang gravity-perairan dangkal dimatla:
c l
(v l k 2 ) = gi, ................. (27)
-
Sedangkan hasil kombinasi persamaan (24)
dengan
(25)
diperoleh
persamaan
differensial orde satu yang menyatakan
kebergantungan
dalatn arah meridional:
hlr =
.....................................(28)
Solusi persamaan (28) menghasilkan:
;=ti, exd-fly2 / 2c) ............................. (29)
Dengan cmerupakan amplitudo dari
pertubasi angin zonal di ekuator. Pertubasi
ketinggian geopotensial gelombang Kelvin
bervariasi
terhadap
lintang
dimana
mengikuti fungsi Gaussian yang berpusat di
ekuator.
...............
...
. - . . . .
......
................
Gambar 4. Prolil horizontal Gelombang Kelvin
(Matsuno. 1966).
2.3 QBO ((2Nusi-Bietreir~l
Oscilation)
QBO adalah osilasi yang dihasilkan
dari inleraksi antara gelombang ekuatorial,
gelombang Kelvin dan gelombang Rossbygravity, dengal aliran dasar perniukaan
(rnean ,flow). Gelombang kelvin dan
gelombang Rossby-gravity memberikan
sumber momentum dalam arah zonal bagi
QBO.
Gerak osilasi QBO yang terdapat di
lapisan stratosfer ekuator rnempunyai sifatsifat sebagai berikut (Holton, 2004):
Medan angin simetris dalam arah
ozonal, berganti arali secara hampir
teratur dengan periode bervariasi anlara
24 sampai 30 bulan (sekitar 2,5 taliun).
Daerah angin tersebut pertalna kali
muncill di ketinggian 30 km, ketnudian
merambat turun clcngan kecepatan 1 km
per bulan.
Pada
waktu
merambat
turun,
atnplitudonya tidak banyak berubah
sampai ketinggian 23 kni, tetdpi di
bawah ketinggi~m tersebut atnplitudo
berkiuran dengan cepat.
Dalam arah meridional, osilasi lnedan
angin simetrik terhadap ekuator dengan
amplitudo maksirnum sekitar 20 mls.
Plumb (1984) menjelaskan siklus
QBO sebagai berikut:
Gelombang Kelvin memberikan sumber
niomentuni baratan dan meningkatkan
wilayah zona angin baratan.
Ketika angin baratan tersebut di
atmosfer menjadi kitat, gelombang
Kelvin tersebut herangsur-angsur hilang
dan gelombang Rossby-gravity dapat
merambat ke atas dengan baik.
Gelombang
Rossby-gravity
memberikan
sumber
moinentum
timuran ice atas dan meningkatkan
wilayah wna angin titnuran.
* Ketika angin timuran tersebitt di
atmosfer n~enjadi kuaf gelombang
Rossby-gravity berangsur-angsur hilang
dan gelombang Kelvin dapat merambat
ke atas dengan baik.
.
.