Rangkuman Meteorologi

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 9.8^oC/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

                        E_l : 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 :

q_H : panas sensibel persatuan massa (J/kg)

C_p : 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 (Q_E) persatuan massa udara (m_udara)  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 Q_H  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  Á_in  <  Á_out maka sejumlah panas DQ dilepaskan atau dibuang dari elemen volume tersebut, sehingga temperatur  volume berkurang.

—  Jika  Á_in  >  Á_out 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