Skema Konveksi dalam Model (macam skema dan pengaruhnya)

Presentasi berjudul: "Skema Konveksi dalam Model (macam skema dan pengaruhnya)"— Transcript presentasi:

1 Skema Konveksi dalam Model (macam skema dan pengaruhnya)

2 Peran Konveksi di Alam Untuk menghasilkan hujan.
Membawa panas ke atas. Menyebarkan uap air. Menimbulkan aliran jet. Menimbulkan vorteks level menengah. Menggerakkan sirkulasi atmosfer skala besar.

3

4

5 Parameterisasi Konveksi (CP)
Model iklim harus memperhitungkan efek-efek yang bisa ditimbulkan oleh konveksi. Karena skala konveksi jauh lebih kecil daripada resolusi model iklim, maka model belum mampu merepresentasikan proses konveksi secara eksplisit dan harus melakukannya lewat parameterisasi.

6 Konsep Perancangan CP Memperhitungkan perpindahan vertikal dari panas laten, yang menggerakkan sirkulasi udara di daerah tropis. Mengurangi ke-tidak-stabil-an termodinamis, sehingga tidak tercipta konveksi skala besar yang tidak realistis. Skema CP mengurangi ke-tidak-stabil-an tsb. Dengan mengatur ulang temperatur dan uap air dalam sebuah kolom grid.

7 Esensi Skema CP Apa yang memicu konveksi dalam sebuah kolom grid.
Bagaimana keberadaan konveksi mengubah sounding dalam kolom grid tersebut. Bagaimana konveksi dan dinamika skala grid mempengaruhi satu sama lain.

8 Lima Kelompok Utama Skema CP
Skema Kuo Skema Betts-Miller-Janjic (BMJ) Skema Arakawa-Schubert (AS) Skema Kain-Fritsch (KF) Skema Konveksi Eksplisit

9 Skema Kuo Merupakan skema sederhana yang memproduksi hujan dan meningkatkan kestabilan statis dengan menirukan kenaikan adiabatis basah sebuah parsel. Skema ini mendorong profil temperatur dan uap air menuju adiabatis basah. Skema Kuo digunakan sebagai sebuah pilihan dalam banyak model riset dan lokal. Proses konveksi dipicu oleh sejumlah CAPE dan konvergensi uap air yang terintegrasi dalam kolom yang telah melewati nilai batas tertentu. Mendorong profil temperatur melewati ketebalan awan menuju adiabat basah level rendah. Sebagian uap air membasahi sounding, dan sebagian lainnya jatuh sebagai hujan.

10

11 Keadaan akhir: Mendekati profil temperatur dan uap air agak jenuh adiabatik basah, namun tidak mencapinya. Ini disebabkan skema berasumsi bahwa konveksi tidak menempati seluruh kolom grid, meskipun keadaan akhir terus berembun dan mendekati adiabatik basah ketika konveksi bertahan.

12 Skema BMJ Skema ini sedikit lebih kompleks daripada skema Kuo. Sounding didorong ke arah suatu profil referensi pasca konveksi yang telah ditentukan sebelumnya, yang diturunkan dari klimatologi. Tiga kondisi yang diperlukan untuk memicu konveksi: Paling sedikit ada CAPE yang tersedia Ketebalan awan konveksi melebihi suatu harga batas Sounding basah untuk mengaktifkannya.

13

14 Proses Konveksi dalam Skema BMJ
Mulai dengan sebuah profil referensi, lalu ubah sounding awalnya ke arah profil tsb. Profil referensi didefinisi-kan oleh titik-titik di dasar awan, puncak awan, dan level titik beku. Profil referensi berbeda dapat dibentuk dan digunakan oleh skema ini sesuai keperluan (misalnya untuk musim dan tempat yang berbeda).

15 Dibandingkan dengan sounding awal, sounding referensi mempunyai jumlah precipitable water yang berbeda dan sedikit pemanasan atau pendinginan netto.

16 Keadaan akhir: Balik ke profil referensi
Keadaan akhir: Balik ke profil referensi. Bahkan dengan forcing model lainnya, output soundings model sangat menyerupai profil referensi. Perhatikan bahwa profil temperatur and uap air dalam awan tidak diubah olah skema CP. Skema ini tidak mempunyai pendinginan downdraft; namun proses-proses non-CP lainnya (seperti berkurangnya radiasi matahari yang datang atau pendinginan evaporatif dari presipitasi model) mungkin berperan dalam pendinginan level-level rendah.

17 Skema Arakawa-Schubert
Merupakan skema yang kompleks. Skema ini mengandung efek-efek detrainment uap air dari awan konvektif, pemanasan dari subsidensi lingkungan, dan stabilisasi konvektif dalam kesetimbangan dengan laju de-stabilisasi skala besar. Untuk memicu konveksi, skema ini memerlukan sedikit CAPE lapisan batas. Formulasi umum memerlukan adanya de-stabilisasi atmosfer skala besar thd waktu. Cara skema ini mengkaji proses destabilisasi sangat kompleks; misalnya, skema ini harus memperhitungkan efek-efek entrainment dan awan-awan dengan berbagai ketebalan.

18

19 Perubahan Konvektif dalam Skema AS
Perubahan berasal dari proses-proses awan bukan dari penyesuaian ke arah suatu keadaan tertentu. Kumulus yang mengakar di lapisan batas dengan berbagai laju entrainment tinggi berbeda diasumsikan ada; yang paling tinggi adalah yang tanpaentrainment. Awan mengalami detrainment pada puncaknya, menyebabkan pembasahan dan berpotensial mendinginkan atau penambahan kondensasi pada level puncak awan. Sebagian besar kolom grid column ditempati oleh subsidensi kompensasi, yang menyebabkan pemanasan dan pengeringan. Perubahan lapisan batas berasal dari downdrafts konvektif (jika versi skema ini memasukkan downdrafts). Karena menara konvektif menempati hanya sedikit daerah kotak grid, temperatur dan uap air internal awan diabaikan dalam memperhitungkan efek-efekkonveksi pada variabel-variabel forecast.

20 Pada akhirnya semua awan-awan dalam skema AS yang mengandung downdrafts diasumsikan mempunyai pucuk seperti awan A. Untuk mudahnya, hal ini hanya digambarkan untuk awan A.

21 Perubahan konvektif (lanjutan)
Sifat-sifat updraft awan ditentukan dengan menjalankan sebuah model awan 1-dimensi untuk awan-awan pada tiap ketinggian. Sifat-sifat awan ini digunakan untuk menentukan temperatur, uap air, dan jumlah udara awan yang dilepaskan ke lingkung-an, jumlah presipitasi yang tersedia untuk penguapan ke suatu downdraft (sisanya jatuh ke tanah), dan subsidensi lingkungan. Selain entrainment, beberapa versi memperhitungkan proses-proses mikrofisik dan presipitasi, efek-efek shear pada kemi-ringan awan dan presipitasi yang jatuh ke bagian sisi menjadi sebuah downdraft tak jenuh di luar awan, dan detail-detail lainnya. Hydrometeor dapat diprediksi dan dimasukkan ke suatu skema PCP yang kompleks daripada jatuh langsung. Model downdraft, jika digunakan, digerakkan oleh presipitasi yang menguap dan membawa udara yang telah didinginkan ke lapisan batas. Profile awan sangat sensitive terhadap fitur-fitur yang ada dalam model awan 1-dimensi (bervariasi dengan implementasi skema).

22

23 Perubahan konvektif (lanjutan)
Jumlah udara yang naik lewat tiap lapisan model dalam awan ditentukan dengan model awan 1-dimensi. Subsidensi lingkungan diasumsikan menjadi kompensasi bagi gerakan vertikal ini (dan bagi gerakan vertikal dalam downdraft konvektif, jika digunakan), mengakibatkan pemanasan dan biasanya pengeringan di seluruh ketebalan lapisan awan. Skema demikian disebut "mass flux schemes." Perubahan sounding berasal dari efek total thd waktu dari awan yang meluruh di bagian puncaknya, dari subsidensi lingkungan, dan dari stabilisasi lapisan batas dari downdraft konvektif. Berbagai efek sebagian saling menutupi, sehingga secara keseluruhan hanya sedikit terjadi perubahan.

24 Fluks masa updraft dan downdraft konvektif, dan subsidensi lingkungandihitung pada tiap level model (hanya beberapa level ditampilkan).

25 Keadaan Akhir dalam Skema AS
Perubahan pada keadaan akhir umumnya kecil. Setelah skema berjalan, atmosfer masih bisa mengalami destabilisasi dengan mudah, misalnya oleh adveksi atau sinar matahari yang menyebabkan terjadi konveksi lagi. Tak ada sounding yang khas; sounding bervariasi pada tiap kasus, meskipun demikian biasanya mempunyai pendinginan lapisan batas dan pemanasan troposfer atas yang mengakibatkan stabilisasi secara keseluruhan. Perubahan keseluruhan yang terlihat pada sounding contoh model berasal dari dinamika dan fisika model yang me-respond forcing CP dan mungkin kelihatan berbeda dengan efek CP sendiri.

26

27 Skema Kain Fritsch Merupakan sebuah skema kompleks dirancang untuk mengatur ulang masa dalam sebuah kolom agar CAPEterpakai. Kondisi-kondisi yang diperlukan untuk memiicu terjadinya konveksi dalam skema in adalah: Sounding mempunyai CAPE untuk parsel sumber/asal dari lapisan level rendah dgn ketebalan 50 to 100 hPa Tudungnya cukup kecil untuk parsel menembusnya dengan kecepatan beberapa m/s (sebuah fungsi gerakan vertikal skala besar pada LCL) Ketabalan awan konvektif melebihi harga ambang

28

29 Perubahan Konvektif dalam Skema KF
Seperti skema AS, perubahan pada sounding berasal dari peluruhan awan, subsidensi lingkungan, dan downdraft yang digerakkan secara evaporatif yang terbuang ke lapisan sumber yang mengalami konveksi tsb. Sama seperti skema AS, efek-efek ini didasarkan pada sifat-sifat awan yang ditentukan dalam sebuah model 1-dimensional.

30 Perubahan Konvektif dalam Skema KF (lanjutan)
Tidak seperti skema A-S, awan dengan hanya satu ketinggian (awan paling tinggi yang diizinkan oleh sounding) diasumsikan ada dan berkembang dan meluruh pada banyak level. Entrainment diasumsikan menghasilkan banyak campuran, bukan campuran tunggal antara awan dan lingkungan, yang mempunyai sifat-sifat gaya apung yang berbeda dan dengan demikian meluruh pada level yang berbeda. Hal ini membuat skema KF jauh lebih responsif dan sensitif thd sounding yang berbeda-beda daripada skema AS. Peluruhan hidrometeor yang lebih realistik ke skema PCP kompleks PCP pada level-level yang berbeda juga dibolehkan, jika modelnya dilengkapi dengan prosedur yang memindahkan hidrometeor dari skema CP ke skema PCP.

31

32 Perubahan Konvektif dalam Skema KF (lanjutan)
Sepert dalam skema A-S, presipitasi dihasilkan dalam model awan, dengan sebagian presipitasi menguap pada downdraft dan sebagian langsung jatuh sebagai hujan

33 Perubahan Konvektif dalam Skema KF (lanjutan)
Dua perbedaan utama antara AS dan KF terletak pada proses pemicuan konveksi (yang menentukan di mana dan kapan konveksi terbentuk) dan hubungan ke skala besar (yang menentukan intensitas perubahannya). Keduanya mempunyai pendekatan fluks masa yang memperhitungkan efek konveksi skala grid yang fundamental (peluruhan awan, downdraft, dan subsidensi lingkungan). Keduanya juga sangat sensitif terhadap parameter-parameter yang dipilih oleh pemodel dalam model-model awan yang digunakan untuk menghitung efek-efek ini. Perubahan sounding merupakan jumlah efek-efek subsidensi kompensasi, sumber-sumber awan pada level detrainment, dan downdrafts. Efek-efek ini diterapkan pada laju tetap (tanpa memperhitungkan perubahan lingkungan) selama jangka waktu yang ditetapkan sebelumnya yang menggambarkan siklus kehidupan sel konvektif.

34

35 Keadaan akhir Sounding changes occur after source-layer CAPE has been depleted during the 30- to 60-minute convective cycle.

36 Keadaan Akhir (lanjutan)
Namun demikian, respon model terhadap pemanasan CP dapat menghasilkan pembalikan yang kuat dalam kolom dalam jangka waktu tertentu, sehingga menghasilkan sounding model yang tak mirip perubahan sederhana yang langsung diakibat-kan oleh skema tsb. Grafik yang ditampilkan pada halaman berikut menunjukkan dua sounding yang berasal dari sounding awal yang sama. Sounding merah dan hijau dihasilkan oleh satu siklus konveksi yang dibentuk oleh hanya skema KF. Sounding ungu dan biru adalah profil yang dihasilkan setelah beberapa siklus konvektif dalam Model Eta menggunakan skema CP KF yang menimbulkan pembalikan kuat. Tak ada sounding akhir yang khas; Tiap sounding bervariasi tiap kasus. Namun jika konveksi aktif beberapa waktu di wilayah yang sama, model cenderung membentuk lapisan jenuh yang tebal dengan dasarnya pada level-level rendah.

37

38 Skema Konveksi Eksplisit
Parameterisasi konveksi digunakan dalam model-model hidrostatis untuk memperhitungkan efek-efek konveksi, karena model yang ada sekarang tak dapat menguraikan gerakan konvektif secara eksplisit. Namun model-model non hidrostatis resolusi tinggi (satu sampai dua km) dapat dijalankan tanpa skema CP, sebab jarak antar grid cukup kecil untuk mulai menguraikan gerakan konvektif. Sebagai contoh, dengan resolusi halus seluruh kotak grid dapat terisi oleh udara updraft dan berkondensasi sementara kotak grid lainnya terisi oleh downdrafts. Kopling cepat dan rapat antara dinamika dan skema PCP berakibat pada Updraft yang cukup kuat untuk mengangkat hidrometeor ke level kesetimbangan disimulasikan secara eksplisit Downdraft dan front angin kencang yang mengikutinya disimulasikan secara eksplisit.

39

40 Skema Konveksi Eksplisit (lanjutan)
Hal ini membuat penyebaran panas dan uap air lebih realistis daripada ketika menggunakan skema CP. Skema ini juga memungkinkan angin dan gerakan vertikal diubah oleh konveksi secara langsung. Konveksi eksplisit pada akhirnya menyediakan sebuah prediksi langsung untuk hujan konvektif. (Ingat skema CP hanya dapat memprediksi hujan konvektif secara tak langsung sebagai sebuah by-product dari menghi-langkan ke-tidak-stabilan sehingga hasilnya kurang bagus.) Animasi berikut memperlihatkan bagaimana model ARPS non-hidrostatis eksperimental menggunakan konveksi eksplisit untuk mensimulasikan secara realistis sel super tornadoOKC tanggal 3 Mei 1999 dibandingkan thd pengamatan radar untuk badai yang sama. Model hidrostatis: tidak menggunakan persamaan prognostik untuk gerakan vertikal, sehingga efek gaya apung hanya dapat dimasukkan secara tak langsung. Model non-hidrostatis: Memasukkan persamaan prognostik untuk gerakan vertikal sehingga secara langsung memasukkan proses-proses gaya apung dan gangguan tekanan dinamis.

41 Keterbatasan Konveksi Eksplisit
Konveksi model yang diprediksi secara eksplisit masih mempunyai banyak keterbatasan. Sebagai contoh, Inisiasi konveksi merupakan masalah besar yang belum terselesaikan. Model mungkin tak memicu konveksi pada tempat dan waktu yang tepat. (Simulasi ARPS hanya berhasil ketika awal badai dimasukkan ke model sebagai konveksi pertama!) Resolusi satu sampai dua km atau lebih halus sering diperlukan untuk mensimulasikan struktur dan evolusi awan konvektif internal, demikian juga dengan inisiasi sel generasi kedua oleh front angin kencang. Hal ini berpengaruh pada timing, intensitas, dan penyebaran hujan dan mempengaruhi awan, temperatur, dan angin arah hilir (downstream). Pada resolusi satu sampai dua km, sumber daya komputer yang sangat besar diperlukan bahkan untuk domain wilayah yang kecil. Bahkan pada resolusi satu sampai dua km, awan konvektif masih sangat kasar dan struktur cuaca yang sangat buruk tak dapat diuraikan.

42 Sumber: www.meted.ucar.edu/nwp
TERIMAKASIH