Meteorologi (GFM 211)
Meteorologi
Meteos = Tinggi
Logos= pengetahuan
Jadi meteorologi adalah ilmu yang mempelajari fenomena-fenomena
atmosfer dan perilakunya dari waktu ke waktu.
|
Meteorologi
|
|
Hidrologi
|
|
Metematika
|
|
Fisika tanah, fisiologi tanaman, mikrobiologi :
fotosintesis, perpindahan mikroba di udara, dsb
|
|
Ilmu bumi
|
|
Oseanografi
|
|
termodinamika, dinamika fluida, kimia
(komposisi awan dan hujan, polusi udara, fotokimia), metode prosesing
data, analisis numerik
|
Meteorologi dibagi menjadi 3 yaitu
1. Fisik mempelajari struktur komposisi, transfer radiasi elektromagnetik, proses fisik pembentukan awan
dan hujan, kimia atmosfer, dsb.
2. Sinoptik Deskripsi,
analisa data hasil observasi dan prediksi cuaca yang akan datang -> Peta Cuaca
3.Dinamik Dinamika atmosfer,
prediksi cuaca menggunakan persamaan matematik ->
menggunakana persamaan matematik.
RUANG LINGKUP MET
Ilmu Atmosfer: ilmu pengetahuan berbagai disiplin yang saling berkaitan
tentang pemahaman kejadian-kejadian di atmosfer bumi.
Dibagi dua
disiplin:
Meteorologi
dan Klimatologi
PERBEDAAN Meteorologi Vs KLIMatologi
|
Peubah
|
Meteorologi
|
Klimatologi
|
|
Asal Kata
|
Meteos= tinggi
|
Clima= Inklinasi
|
|
Fokus
|
Perubahan
sesaat
|
Pola statistik:
|
|
Tool analisis
|
Matematika (kalkulus)
|
Statistik
|
|
Lingkup
|
MET FISIK
MET DINAMIK
MET SINOPTIK
MET TERAPAN
|
KLIM FISIK
KLIM DINAMIK KLIMATOGRAFI
KLIM TERAPAN
|
Ruang Lingkup Meteorologi
Ø Ilmu Meteorologi Fisik: membahas
struktur dan komposisi atmosfer, pemindahan radiasi elektromagnetik dan
gelombang bunyi (akustik) dalam atmosfer, proses-proses fisik yang terjadi pada
pembentukan awan, presipitasi, listrik di atmosfer dan fenomena-fenomena lain
yang erat kaitannya dengan disiplin ilmu fisika dan kimia.
Ø Meterologi Dinamik: menggunakan
pendekatan analitis yang didasarkan pada prinsip-prinsip dinamika fluida
Ø Meteorologi Sinoptik: mencakup
deskripsi, analisis dan prakiraan gerak atmosfer pada skala yang relatif
besar. Subdisiplin ini merupakan
lanjutan dari pendekatan empiris dalam analisis dan prakiraan cuaca yang
dikembangkan awal abad ini, setelah dipasangnya stasiun-stasiun pengamat yang
menyediakan data cuaca suatu wilayah secara simultan.
Ø Meterologi Terapan: aplikasi
meteorologi yang banyak digunakan untuk berbagai bidang ilmu yang terkait erat
seperti: Building Meteorologi, Meteorologi Satelit, Urban Meteorologi,
Biometeorologi, Agrometeorologi, Rural Meteorologi, Marine Meteorologi.
Kaitan Meteorologi dengan Berbagai Disiplin Ilmu
•
Aeronomi: fokus kajian
pada fisika angkasa, misalnya tentang karakteristik matahari dalam kaitanya
dengan cuaca di bumi.
•
Geokimia,
Geologi, Oceanografi dan Glasiologi keempat disiplin ilmu ini digunakan untuk
merekonstruksi sejarah perkembangan cuaca dan iklim di bumi.
•
Oceanografi: mempelajrai
kaitan dan interkasi atmosfer dan lautan
•
Komputasi
dan matematika terapan: berguna bagi pengembangan model-model numerik
atmosfer.
•
Fisika
dan kimia aerosol, digunakan untuk menunjang pemahaman mempelajari
tentang polusi udara.
•
Inderaja,
ilmu penginderaan jauh dapat diaplikasikan guna mempelajari atmosfer
planet-planet selain bumi dan bumi.
•
Sistem
informasi geografi berguna untuk melihat sebaran spasial kondisi
cuaca/iklim dan polutan
Aplikasi Meteorologi
Ø Prediksi kondisi cuaca mendatang
pada kondisi normal ataukah anomali.
Ø Evaluasi dampak timbal balik
antara aktivitas manusia dan lingkungannya.
Ø Modifikasi: hujan buatan,
pembersihan asap-kabut.
Ø Menghitung statistik atmosfer
digunakan untuk masa datang dibidang: rancang gedung, rancang pesawat terbang
dan pesawat ruang angkasa, serta rancang lahan olahan
PEUBAH-PEUBAH METEOROLOGI UTAMA
Temperature (Suhu Udara)
Suhu udara
didefinisikan sebagai ukuran energi kinetis rata-rata dari pergerakan molekul
udara.
KONVERSI SUHU
Ø Reamur ke Kelvin 5/4 x oR + 273
Ø Fahrenheit ke Kelvin 5/9 x (oF-32) + 273
Ø Celcius ke Kelvin oC + 273
Tiga
Pola Suhu Udara di Lapisan Atmosfer Bumi
· Pola lapse rate merupakan pola turunnya suhu
udara dengan bertambahnya ketinggian dari permukaan, pada lapisan: Troposfer
dan Mesosfer. Ditulis sbg: dT/dZ < 0
· Pola isotermal merupakan pola suhu udara yang
relatif konstan pada berbagai ketinggian, pada lapisan langit-langit atmosfer
seperti: Tropopause, Stratopause dan Mesopause. Dituliskan sbg: dT/dZ=0
· Pola inversi merupakan pola naiknya suhu
udara dengan bertambahnya ketinggian.
Pola ini terjadi di lapisan Stratosfer dan Termosfer. Dituliskan
sbg: dT/dZ > 0
Suhu Udara
•
Suhu bola basah (Wet bulb temperature): suhu bola
basah yang terukur oleh termometer bola basah, bernilai ≤ termometer bola
kering karena berkaitan dengan hilangnya panas (bahang laten) akibat evaporasi
•
Suhu bola kering (Dry bulb temperature): suhu udara aktual yang terukur termometer bola
kering.
•
Suhu titik embun (Dew point temperature) Td: adalah nilai suhu yang terukur atau terjadi saat
peristiwa pengembunan/kondensasi.
Potensial temperature (θ):adalah suhu udara paket saat berpindah secara
adiabatik pada ketinggian tertentu pada tekanan 1.000 mb:
di mana: θ: suhu potensial
T: suhu awal
P:tekanan awal
R:konstanta gas spesifik
Cp: panas spesifik pada P konstan
Potensial temperature (θ)
θz: suhu potensial pada
ketinggian Z dapat dalam oC
atau K
T: suhu awal pada ketinggian Z
dry adiabatic lapse rate
9.8oC/km atau 9.8K/km
Z : ketinggian dalam (km)
Suhu virtual (Tv): suhu khayal didefinisikan sebagai suhu yang
harus dimiliki oleh udara kering agar memiliki kerapatan seperti udara lembab
pada tekanan yang sama.
Tekanan udara
didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada atmosfer berbanding terbalik
dengan luas permukaan atmosfir dari 1.2 m dpl hingga puncak atmosfer.
Tekanan udara diukur dengan
alat Barometer (manual) dan Barograf (otomatis) yang menyajikan
hasil grafik disebut Barogram.
Ø
Angin
Angin didefinisikan sebagai gerakan
massa udara secara horisontal (gerak vertikal dapat diabaikan karena setara
dengan gaya gravitasi).
Diukur dalam dua parameter, kecepatan
dengan alat ukur Anemometer dan arah dengan alat ukur panah
angin (win vane) serta kantong angin (wind
sack).
Kelembaban Udara
Nisbah
percampuran (Mixing ratio): r = mv /
ma
Kelembaban
spesifik (Specific humidity):
q =
mv / (mv+ma)
Kelembaban
mutlak (Absolut humidity) dikenal juga sebagai kerapatan uap air: dv = mv/V
Radiasi Matahari, Bumi, dan Atmosfer
Energy
-
Energi didefinisikan sebagai kemampuan atau
kapasitas untuk melakukan kerja
-
Energi alam di atmosfer terdiri
dari 4 bentuk: energi radiasi, energi termal, energi potensial dan energi
kinetik
Bentuk
Energy
•
Energi radiasi
adalah energi yang berhubungan dengan perambatan gelombang elektromagnetik dan
foton dengan kecepatan cahaya sebesar 3 x 108 ms-1
•
Energi termal
adalah energi yang berkaitan dengan kemampuan benda atau subtansi untuk
menaikkan suhunya
•
Energi potensial merupakan energi yang timbul akibat posisi atau
kedudukan suatu benda. Dirumuskan
sebagai:
m:
massa benda; g:gaya gravitasi dan h: ketinggian benda dari permukaan
•
Energi kinetik
merupakan energi yang timbul akibat gerakan, dirumuskan sebagai:
m: massa benda, v: kecepatan
Konsep Transfer Panas
1. Konduksi adalah transfer panas dari satu
molekul/atom ke molekul/atom lainnya di dalam sebuah objek [transfer panas
molekuler atau atomik]
Transfer = temperatur tinggi ->> temperatur
rendah.
Konduksi
2. Konveksi adalah transfer panas oleh
pergerakan massa fluida.
Tipe
transfer panas seperti ini berlangsung dalam cairan dan gas, karena keduanya
dapat bergerak secara bebas dan memungkinkan terjadinya arus di dalamnya. Arus
inilah yang menyebabkan panas dapat ditransfer ke seluruh tempat.
Dalam
atmosfer berlaku aturan:
1. setiap udara yang naik akan selalu mengalami
ekspansi dan mendingin
2. setiap udara yang turun akan selalu mengalami kompresi dan menghangat
3. Radiasi Adalah transfer
energi dari satu objek ke objek lain melalui perambatan gelombang
elektromagnetik. Karenannya maka disebut Radiasi Gelombang EM.
Sumber gelombang EM adalah osilasi medan Listrik (E)
dan medan magnetik (B) yang dihasilkan oleh partikel-partikel dalam objek
|
c = f l
|
Sifat
Partikel Gelombang EM
Ketika gelombang EM ini berinteraksi dengan medium
maka gelombang ini berperilaku seperti partikel
Þ karakter partikel dari radiasi
gelombang EM disebut foton
Konsep
Dasar Radiasi GEM
1.
Objek apapun yang memiliki temperatur diatas nol
absolut (0 K), mengemisikan radiasi
dalam bentuk gelombang elektromagnetik dengan spektrum yang lebar.
2.
Sebuah objek yang mengemisikan seluruh panjang
gelombangnya disebut benda hitam (black body)
Planck menyatakan bahwa intensitas monokromatik
radiasi yang diemisikan oleh benda hitam bersuhu T diberikan oleh
dengan
c1 = 3,74 x 108 Wm-2 mm4
c2 = 1,44 x 104 mm K
El : intensitas monokromatik emisi benda hitam (W/m2)
T
: suhu benda hitam (K)
Semakin tinggi temperatur objeknya, maka panjang
gelombang yang diemisikan semakin pendek
Hukum
Perpindahan Wien:
a = 2897 mm.K
T : temperatur (K)
Benda bersuhu tinggi mengemisikan radiasi dengan
intensitas yang lebih besar dari pada benda bersuhu rendah.
Total intensitas monokromatik untuk semua panjang
gelombang dari radiasi yang diemisikan oleh benda hitam adalah
Hukum Stefan Boltzmann
dimana
F : Fluks Radiasi (W/m2),
s : konstanta stefan boltzmann
s = 5,67 x 10-8 W m-2 K-4
Ø Absorber adalah objek yang dapat mengabsorbsi (menyerap) energi radiasi
yang jatuh padanya
Ø Emiter adalah objek yang mengemisikan radiasi pada temperatur benda
tersebut.
Ø Objek yang sempurna absorbsi dan emisinya pada suhu objek tersebut
disebut sebagai Benda Hitam (Blackbody)
Untuk benda yang tidak hitam sempurna formulanya:
Faktor-faktor yang Berpengaruh terhadap Radiasi ke BUMI
1.
Sistem tanpa atmosfer:
a. Matahari sebagai sumber energi
b. Jarak bumi-matahari
c. Sudut datang surya
d. Panjang hari
2.
Sistem atmosfer:
Penyerapan (absorbtion),
Pemantulan (reflektion)
Pembauran (scattering),
Dipancarkan kembali (reradiation)
Radiasi langsung INSOLASI (incoming
solar radiation)
Faktor Orbital Bumi
Kepler (abad ke-17 M) : “Orbit semua planet
terhadap matahari dalam sistem tata surya berbentuk elips dengan matahari
berada pada salah satu titik fokusnya.”
Akibat orbit bumi terhadap matahari ini, maka fluks
radiasi matahari yang sampai diorbit planet akan bervariasi mengikuti
Konstanta
matahari :
Konstanta Matahari (S0) adalah besar
fluks radiasi matahari yang sampai di puncak atmosfer bumi pada jarak rata-rata
matahari – bumi.
Jika jarak rata-rata matahari – bumi adalah , maka konstanta matahari diberikan
oleh
Berdasarkan definisi konstanta matahari, maka
variasi fluks matahari yang sampai pada permukaan luar atmosfer bumi adalah
Pada saat perihelion (3 Januari) : S = 1418 W/m2
Pada saat aphelion (25 April) : S = 1355 W/m2
Sedangkan fluks radiasi matahari yang diterima oleh
atmosfer terluar bumi adalah fluks yang tegak lurus permukaan, sehingga
dengan y adalah sudut yang dibentuk oleh sinar matahari
dengan permukaan terluar dari atmosfer bumi.
Keseimbangan
Energi Radiatif
Ingat-ingat:
Jika benda lebih banyak meradiasikan energi dari
pada menyerapnya, maka benda akan mendingin
Jika benda lebih benyak menyerap energi dari pada
meradiasikannya, maka benda akan menghangat.
Panas
Kerangka kerja Langrangian
— Kita mengkaji neraca panas dengan mengikuti gerak parsel udara ketika
parsel udara tersebut bergerak mengikuti aliran udara di atmosfer.
— Kerangka kerja ini bermanfaat dalam menentukan temperatur udara yang naik
atau turun secara vertikal dan pembentukan awan-awan, dan lain sebagainya
Kerangka
kerja Eulerian
— Kita mengkaji neraca panas pada sebuah volume elemen udara yang diam
relatif dalam ruang.
— Tinjauan ini sangat bermanfaat untuk peramalan variabel atmosferik pada
waktu mendatang pada setiap lokasi.
— Dalam metode Eulerian, maka kita harus meninjau transport energi yang ke
atau dari volume elemen udara tersebut. Transport energi ini bisa melalui :
konduksi, konveksi-adveksi, turbulen, dan radiasi
1.Panas
Sensible dan Panas Laten
1.1.
Panas Sensible adalah panas yang dapat dirasakan secara langsung
oleh manusia.
Dimana :
qH : panas sensibel persatuan massa
(J/kg)
Cp : panas spesifik pada tekanan konstan
(J/(kg.K))
1.2.
Panas Latent Merupakan panas tersembunyi yang terdapat dalam
suatu zat dan akan mengalir jika zat tersebut mengalami perubahan fasa.
Jumlah panas yang mengalir (QE) persatuan
massa udara (mudara) ketika
terjadi perubahan fasa air adalah
2.
Neraca Panas Lagrangian
2.1.
Hukum I Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa perubahan temperatur
parsel udara dapat disebabkan karena adanya teransfer panas QH antara parsel udara dengan lingkungan
disekitarnya, dan kerja yang dilakukan
pada atau oleh parsel udara tersebut.
Hukum ini dapat dikombinasikan dengan persamaan
hidrostatik menghasilkan perubahan temperatur parsel udara ketika parsel udara
tersebut bergerak naik atau turun
Berdasarkan persamaan
ini, maka temperatur parsel udara tidak berubah jika tidak ada transfer panas
antara parsel dengan lingkungannya dan parsel tidak bergerak vertikal.
Ø transfer panas antara parsel dengan lingkungan yang dapat disebabkan
karena :
1.
Pemanasan radiatif
2.
Panas laten
3.
Disipasi energi turbulen
4.
Panas reaksi kimia
2.2.
Lapse rate
Didefinisikan sebagai laju penurunan temperatur udara terhadap ketinggian
Lapse rate ada 2, yaitu
1. lapse rate lingkungan (ELR)
2.
lapse-rate proses
Proses fisis yang biasanya digambarkan dalam studi
meteorologi adalah proses adiabatik, sehingga lapse-rate-nya disebut lapse-rate
adiabatik.
Untuk udara kering, maka laju perubahan temperatur
terhadap ketinggian adalah
2.3.
Temperatur Potensial
Adalah suhu parsel udara seandainya parsel udara
tersebut dipindahkan secara adiabatik ke level tekanan 1000 mb.
Temperatur potensial akan kekal jika proses yang
berlangsung adalah adiabatik, dan akan berubah jika ada transfer panas antara
parsel dengan lingkungan
Neraca
Panas Eulerian
3.1.
Konsep Fluks
Merupakan konsep penting dalam studi neraca panas
dalam persepektif Eulerian
Fluks didefinisikan sebagai transfer sebuah
kuantitas fisis persatuan waktu dalam satuan luas.
Jika Q adalah sebuah kuantitas fisis, dt
adalah satuan waktu, dan dA adalah satuan luas, maka fluks dari Q
adalah
3.2.
Hukum I Termodinamika
— Tinjau sebuah elemen volume dan tinjau pula fluks panas yang masuk ke
dalam satu sisi sebuah volume dan fluks panas yang keluar dari sisi yang lain.
— Jika Áin < Áout maka sejumlah panas DQ dilepaskan atau dibuang dari elemen volume tersebut, sehingga
temperatur volume berkurang.
— Jika Áin > Áout maka sejumlah panas DQ diserap dari elemen volume tersebut, sehingga temperatur volume tersebut bertambah.
Perubahan fluks panas tehadap jarak disebut sebagai
gradien fluks panas , dimana
1. Nilai positif dari gradien
fluks panas : divergensi fluks Panas
2. Nilai negatif dari gradien fluks panas : konvergensi fluks Panas
3.2.2. Fluks
Konduksi
Dalam meteorologi, konduksi panas ini penting dalam
transfer panas antara permukaan bumi dengan udara diatasnya, sehingga fluks
panas akibat konduksi hanya terjadi dalam arah vertikal.
3.2.1.
Fluks Adveksi
Adveksi berarti “ ditransportkan
oleh angin”.
Jadi “adveksi temperatur “ berarti : panas yang
ditransfer ke sebuah tempat atau dari sebuah tempat oleh angin.
Jumlah fluks panas advektif bertambah secara linier
terhadap temperatur dan laju angin.
3.2.2.
Fluks Konduksi
Dalam meteorologi, konduksi panas ini penting dalam
transfer panas antara permukaan bumi dengan udara diatasnya, sehingga fluks
panas akibat konduksi hanya terjadi dalam arah vertikal.
3.3.3.
Turbulen
Turbulent
merupakan gerak semi-acak dari parsel udara. Gerak turbulen ini mendominasi di
lapisan batas atmosfer (ABL).
Gerak
turbulen ini mampu mentransferkan panas dari satu tempat ke tempat lain.
Gradien fluks panas akibat turbulen di ABL diberikan oleh
3.3.4.
Radiasi
Udara di troposfer dapat menyerap radiasi IR,
sehingga radiasi ini dapat diemisikan ulang oleh lapisan udara ke atas maupun
ke bawah melalui proses yang sangat komplek.
Gradien fluks panas akibat radiasi ini adalah
