Lampiran 4 _ Lembar Kerja Rencana Pengembangan Kompetensi DIri_Titin Solikhah...
Interaksi Mikrofisika Awan dan Konveksi Kumulus dalam model GCM
1. Interaction between Cloud Microphysics and
Cumulus Convection in a General Circulation Model
Laura D. Fowler and David A. Randall
(Journal of the Atmospheric Sciences, 2002)
Direview oleh
Andi S. Muttaqin (22412004)
Riza Adriat (22412008)
MK. Mikrofisika Awan dan Hujan
Sains Kebumian
2013
2. POKOK BAHASAN
Pengaruh Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
3. PENDAHULUAN
Beberapa dekade terakhir parameterisasi dari moist proses dalam GCM
difokuskan dalam pengembangan interaksi realistik antara awan konvektif
dan awan stratiform.
Banyak usaha yang dilakukan untuk membuat persamaan prognostik yang
digunakan dalam menggambarkan perkembangan spasial dan temporal
dari uap air yang digunakan sebagai parameterisasi konveksi untuk
merepresentasikan formasi awan yang disebabkan oleh konveksi.
Tiedke (1993) menyatakan bahwa : “representasi formasi awan oleh
konveksi lebih mudah jika konveksi kumulus diparameterisasi
menggunakan skema flux massa”.
4. Colorado State University (CSU) General Circulation Model (GCM) menggunakan
parameterisasi konveksi yang berbasis AS74 (Arakawa and Schubert, 1974) dan
model awan Lord (1978) yang telah dimodifikasi.
http://www.egu.eu/awards-
medals/vilhelm-bjerknes/2010/akio-
arakawa/
Akio Arakawa
http://schubert.atmos.colostate.edu/pers
onnel/schubert.jpg
Schubert
http://www.ametsoc.org/boardpges/cwc
e/docs/profiles/LordStephenJ/profile.ht
ml
Lord
5. Tujuan dari studi ini adalah untuk mendapatkan
langkah awal dalam menggambarkan konvektif
dan proses mikrofisika awan dan hujan skala besar
dengan sebuah parametererisasi tunggal dengan
harapan mendapatkan parameterisasi yang lebih
realistik untuk interaksi antara awan konvektif dan
awan stratiform.
Selain itu kajian ini fokus terhadap sensitivitas dari model CSU GCM dengan
memperbolehkan adanya salju konvektif yang terbentuk didalam fase dingin
awan kumulus. Parameterisasi yang baru dibentuk disebut “EAUCUP”.
Aspek mikrofisika dari parameterisasi konveksi yang digunakan dalam model - model
iklim masih belum terlalu diperhatikan (Emanuel and Pierrehumbert, 1996). Padahal
kandungan uap air atmosfer sangat bergantung pada proses mikrofisika di dalam
konvektif dan awan stratiform.
http://kamusmeteorology.blogspot.com
6. Gambar 1. menunjukkan dua awan skala besar yang dibentuk dari proses
detrainment pada masing-masing puncaknya.
Dimana E adalah Entrainment yang merepresentasikan laju massa yang masuk dari
lingkungan baik yang bebas awan maupun berawan kedalam konvektif updraft. Jika
lingkungan adalah bebas awan, hanya moist statik energi dan uap air yang
mengalami entrainment. Sedangkan apabila lingkungan berawan maka moist statik
energy, uap air, cloud water dan cloud ice.
Detrainment merepresentasikan penyebaran massa pada puncak konvektif updraft
dilambangkan D.
Cloud water dan cloud ice yang
mengalami detrainment bertindak
sebagai sumber dari cloud water dan
cloud ice untuk parameterisasi
mikrofisika awan skala besar
(EAULIQ).
7. Pengaruh Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
Persamaan Budget Skala-Besar
8. Persamaan kontinuitas pada permukaan sigma untuk konvektif, kondensasi skala besar
dan proses radiatif, bisa ditulis :
vq = mixing ratio uap air skala besar
= mixing rasio cloud water skala besar
= mixing rasio cloud ice skala besar
= mixing rasio rain skala besar
= mixing rasio snow skala besar
= laju perubahan didalam konveksi updraft
= kecenderungan proses kondensasi
cq
iq
rq
sq
xxxxxx
SLSPqwgSCUPqqVq
t
'***
'
.....(1)
xSLSP
xSCUP
= operator divergen di permukaan
= skala tekanan
= vektor angin horizontal
= kecepatan vertikal skala besar
= energi statis kering skala besar
= kecenderungan proses radiasi gelombang panjang dan pendek
*
V
TTT
SRADSLSPswgSCUPssVs
t
''***
s
.....(2)
TSRAD
9. Transpor vertikal eddy dari spesies air dari awan kumulus untuk tipe
awan tunggal dan energi statis kering masing-masing dapat
ditunjukkan dengan
xxccx
qqMqw '
'
vc
q = mixing rasio uap air di dalam awan
= mixing rasio cloud water di dalam awan
= mixing rasio cloud ice di dalam awan
= mixing rasio rain di dalam awan
= mixing rasio snow di dalam awan
= flux massa konvektif
= energi statis kering di dalam awan
cc
q
ic
q
rc
q
sc
q
c
M
c
s
ssMsw cc
''
.....(3)
.....(4)
10. Profil vertikal flux massa η(λ) yang digunakan didalam AS74 yang awalnya
eksponensial dalam kajian ini diganti oleh profil linier :
untuk
dimana z = ketinggian updraft kumulus
= tinggi dasar awan
= level detrainment dari masing-masing awan kumulus
= jumlah entrainment pada puncak awan
TOPB
zzz 1,
DB
zzz
Bz
Dz
TOP
.....(7)
Konveksi tidak dibatasi hanya dimulai dari puncak Planetary Boundary Layer (PBL),
tapi juga dimungkinkan mulai terjadi pada semua level di troposfer bebas
Flux massa konvektif diperoleh menggunakan persamaan ini :
Bc
MzzM ,, .....(8)
= flux massa dasar awan
= Profil vertikal flux massa
= laju entrainment fraksional
BM
,z
11. Persamaan untuk mencari energi kinetik vertikal kumulus adalah :
D
B
K
AMK
dt
d
.....(5)
K
BM
D
Dimana, = laju entrainment fraksional
= integrasi vertikal energi kinetik kumulus
= flux massa dasar awan
= skala waktu disipasi
= fungsi kerja awan
Kemudian diasumsikan
dimana α adalah faktor konversi yang menghubungkan flux massa dasar awan
kumulus dengan energi kinetik kumulus.
2
B
MK .....(6)
A
12. Pengaruh Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
13. Lord (1978) mengasumsikan untuk tiap tipe awan konvergensi flux dari total air (uap
air ditambah cloud water dan cloud ice) bergantung pada entrainment total dari
lingkungan dan detrainment total pada puncak konvektif updraft dan produksi
hujan.
Lord (1978) mengasumsikan cloud water dan cloud
ice skala besar adalah nol maka entrainment total
dari lingkungan akan mengurangi: uap air, cloud
water dan cloud ice di dalam awan, sehingga
detrainment pada puncak awan dengan seketika
mengalami evaporasi.
Lord juga mengasumsikan fraksi air yang dibentuk dari konvektif updraft adalah
supercooled jadi akan meningkatkan produksi cloud ice. Fraksi air supercooled
tersebut bergantung dengan temperatur didalam awan dan jumlah air didalam
awan. Fraksi sisa dari cloud water itu terkonveksi menjadi hujan, yang akan jatuh
seketika ke permukaan.
14. Kehadiran EAUCUP dan EAULIQ memungkinkan entrainment, tidak hanya uap air
skala besar tapi juga cloud water dan cloud ice skala besar masuk kedalam konvektif
updraft. Ini juga diikuti detrainment tidak hanya dari konvektif uap air tapi juga
konvektif cloud water dan cloud ice yang membentuk anvil skala besar.
Ketika uap air, cloud water dan cloud ice naik keatas menuju puncak awan, disini
terjadi proses mikrofisika. Cloud water dan cloud ice yang berlebihan keluar dalam
bentuk hujan konvektif atau salju konvektif. EAUCUP mengizinkan adanya fraksi
kandungan es di dalam awan yang akan menjadi presipitasi dalam bentuk salju
konvektif.
Kemudian dihitung secara terpisah profil vertikal dari uap air, cloud water dan cloud
ice menggunakan :
xcxxc
CUPqqz
z
, .....(9)
Didefinisikan energi statis kering sebagai :s
gzTcs p
= temperatur skala besar
= ketinggian geopotensial
= kelembaban spesifik udara kering
T
gz
pc
.....(10)
15. dan menunjukkan energi statis virtual skala besar dan
generalisasi moist static energy, didefinisikan :
vs h
sircvpv
qqqqqTcss 608.0 dan
sifvc
qqLqLsh
= Panas laten kondensasi
= Panas laten fusi
cL
fL
.....(11)
.....(12)
16. Ketika
L diinterpolasi linier sebagai fungsi
dan . Ketika temperatur
berada di ambang batas,
ditetapkan konsistensi digunakan
parameterisasi mikrofisika awan
skala besar (Fowler,1996).
CTC 020
cL
sL
Didefinisikan dan sebagai saturation moist static energi dan saturation
mixing ratio. Dimana : ,
adalah saturation mixing ratio yang berhubungan dengan dengan air ketika
dan ketika .
Pada temperature diantara , saturasi uap air diperoleh dari
interpolasi linear antara saturasi tekanan uap dengan hubungan antara air dan es.
dihitung menggunakan , dan L menjadi ketika dan menjadi
panas laten sublimasi ketika
sh vsq
vsq
CT 0
CTC 020 )(Tes
vsq
cL CT 0
sL
)(Tes
vsps
qLTch .....(13)
CT 20
CT 20
18. Temperatur di dalam awan dapat dituliskan
scicfc
p
c
qqLhh
c
TT
1
11
.....(20)
1
vscvc
vc
qq
dq
Mixing ratio saturasi dihitung dengan pendekatan deret Taylor yaitu :
scicfsc
c
vsvs
qqLhh
L
qq
1
1
Dimana
P
vs
T
q
.....(19)
.....(18)
.....(17)
Laju perubahan mixing rasio :
19. Berikutnya akan dibagi jumlah dari air kondensat yang terbentuk didalam konvektif
updraft menjadi cloud water dan cloud ice sebagai fungsi ,kemudian
diperolehlah parameterisasi dari mikrofisika awan skala besar (Fowler et al,1996)
vcdq ccdq icdq cT
Diasumsikan
dimana didefinisikan :
jadi untuk dan, untuk
Didalam persamaan diatas adalah temperatur beku
dan batas terendah untuk supercooled cloud water
vccc
dqdq
vcic
dqdq 1
000
00
TT
TTc
0 00TTc 1 0TTc
0T CT 00
00T CT 2000
.....(22)
.....(21)
.....(23)
20. Jumlah air dan es di dalam awan yang berubah menjadi hujan dihitung dengan
asumsi laju perubahan konversi adalah
zc
zc
P
0
0
1
= ketebalan lapisan updraft
= 2 x 10-3 m-1
0c
z
.....(24)
vccc
dqPdq 1
vcic
dqPdq 11
vcrc
dqPdq
vcsc
dqPdq 1
.....(27)
.....(26)
.....(25)
.....(28)
Setelah terjadi hujan
21. Pengaruh Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
22. Sebelumnya deskripsi dari model parameterisasi AS74 menjelaskan bahwa
hujan konvektif diasumsikan seketika jatuh ke tanah sedangkan asumsi
alternatif (EAUCUP) yang dibuat pada kajian ini adalah dengan
memperhatikkan salju yang terbentuk pada konvektif updraft.
Disini akan diinvestigasi sensitivitas siklus hidrologi dan sirkulasi umum
atmosfer untuk mendapatkan asumsi alternatif di dalam tiga percobaan
berikut :
1. Detsnow
2. Fallout
3. Fallin
23. Disini tidak ada proses kehilangan salju baik diluar maupun didalam updraft atau
mendapat tambahan salju dari entrainment dari pinggir updraft, didalam awan
moist static energy dipertahankan selama pertumbuhan awan.
Asumsi salju tersebut tumbuh di
puncak awan tanpa presipitasi,
ini sungguh ekstreme namun
tidak sepenuhnya tidak beralasan
sejak kita ketahui kecepatan
terminal dari salju pada
umumnya lebih kecil dari
kecepatan vertikal updraft jadi
salju tersebut akan tertekan
keatas menuju puncak awan.
Pada percobaan ini diasumsikan semua salju naik dan mengalami detrainment
pada puncak updraft. Salju yang mengalami detrainment digunakan sebagai
sumber parameterisasi mikrofisika awan skala besar
scsc
CUPqz
z
, = konversi cloud ice menjadi saljusc
CUP
DETSNOW
24. Disini diasumsikan suatu bentuk dimana salju konvektif dengan seketika jatuh
keluar dari konvektif updraft dimana salju tersebut menjadi sumber dari salju
untuk mikrofisika awan skala besar.
Suatu yang berbeda dengan Detsnow yang mana didalam awan moist static
energinya dipertahankan. Fallout meningkatkan moist static energi didalam
awan ketika kehilangan salju selama pertumbuhan updraft.
0' '
s
qw
FALLOUT
25. Pada percobaan terakhir salju konvektif diasumsikan jatuh seketika ke dasar updraft.
Dibawah dari dasar awan konvektif presipitasi salju mungkin menguap atau mencair.
Jika temperatur dasar awan lebih hangat dari es, salju akan mencair dan menjadi
hujan konvektif yang akan jatuh seketika ke permukaan.
Sama dengan fallout, disini tidak ada transpor vertikal dari sirkulasi konvektif dan
didalam awan moist static energi meningkat.
FALLIN
Detsnow dan Fallin adalah simulasi yang
memiliki batas ekstrem dari formasi dan
presipitasi hujan dan salju didalam konvektif
updraft yang sebenarnya. Asumsi salju tersebut
menjadi ekstrem karena detrainment tanpa
presipitasi atau hujan tanpa evaporasi seperti
tidak realistik.
Meskipun demikian ini dapat membantu untuk
penyelidikan terhadap sensitivitas dari simulasi
siklus hidrologi oleh CSU GCM dibawah asumsi
yang ekstrem.
26. a) Simulasi kolom-tunggal
b) Presipitasi
c) Kecenderungan konvektif
Pengaruh terhadap Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
27. Sumber: www.cs.toronto.edu
a) Simulasi Kolom-Tunggal
Sebelum menerapkan pada model GCM, parameterisasi EAUCUP
diuji terlebih dahulu menggunakan versi model
kolom-tunggal dalam CSU GCM (SCM).
Salah satu masukan SCM adalah
kecenderungan advektif total yang didapat
dari observasi.
Observasi dilakukan pada Periode Observasi
Intensif (IOP) Juli 1995 di Southern Great Plains
(SGP) di bawah proyek Atmospheric Radiation
Measurement (ARM) (Stokes dan Schwartz,
1994).
IOP berlangsung selama 18 hari, bermula
00.00 UTC 18 Juli 1995 hingga 23.00 UTC pada
4 Agustus 1995.Sumber: http://library.ndsu.edu/
SCM merupakan model yang berguna untuk
menguji parameterisasi yang dikembangkan
untuk digunakan dalam model-model skala besar
(Randall et al, 1996).
31. b) Presipitasi
Global mean
January
DETSNOW FALLOUT FALLIN
Cumulus
precip.
0.81 0.75 1.33
Large-scale
precip.
2.15 2.17 1.62
Total precip. 2.96 2.92 2.95
Cumulus
incidence (%)
24.3 23.8 22.3
Global mean
July
DETSNOW FALLOUT FALLIN
Cumulus
precip.
0.93 0.87 1.49
Large-scale
precip.
2.22 2.25 1.66
Total precip. 3.15 3.12 3.15
Cumulus
incidence (%)
26.8 26.4 24.7
Table 1. Global means of cumulus, large-scale,
total precipitations, and cumulus
incidence simulated by DETSNOW,
FALLOUT, and FALLIN. Units are
millimeter per day for precipitation, and
percent for cumulus incidence.
35. Tujuan dari TRMM adalah menyediakan estimasi
global dari presipitasi kumulus dan skala-besar
(Kummerow et al, 1998, Simpson et al, 1996).
Partisi antara hujan konvektif dan skala-besar
dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu:
1. Brightness temperature (TRMM Microwave
Imager, TMI)
2. Reflectivity (Precipitation Radar, PR)
Gambar 10 menunjukkan data TRMM PR versi 5
yang dirata-rata antara Desember 1999 hingga
Februari 2000.
Total > (Convective + Stratiform) + Warm Rain
39. Pengaruh terhadap Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
40. Seperti telah dijelaskan pada Bab 3 (Model Awan Kumulus), terdapat dua cara
interaksi antara proses EAUCUP dan EAULIQ.
EAUCUP memodifikasi EAULIQ
EAULIQ memodifikasi
EAUCUP
• Cloud water
• Cloud ice
• Snow
• Cloud water
• Cloud ice
• Snow
Large-scale
Selanjutnya akan dikaji mengenai kecenderungan skala besar dari temperatur
(large-scale heating rate), uap air (large-scale moistening rate), dan cloud ice +
snow, untuk simulasi DETSNOW, FALLOUT, dan FALLIN.
42. Pengaruh terhadap Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
43. Table 2. Global mean of vertically integrated cloud fraction (%), TOA outgoing longwave radiation,
and planetary albedo (%)
Global mean
January
DETSNOW FALLOUT FALLIN
Cloud
fraction (%)
83.3 81.5 78.4
OLR 207.2 209.3 214.0
Planetary
albedo (%)
35.9 34.9 32.8
Global mean
July
DETSNOW FALLOUT FALLIN
Cloud
fraction (%)
78.6 76.5 73.6
OLR 216.0 218.3 222.5
Planetary
albedo (%)
34.9 34.6 32.8
Pada bagian ini, akan dibahas pengaruh EAUCUP terhadap sirkulasi umum atmosfer.
Merubah kecenderungan cloud ice dan salju dari EAUCUP dan EAULIC akan secara
langsung mempengaruhi distribusi vertikal dari laju pemanasan gelombang panjang
dan pendek melalui perubahan keawanan troposfer-atas di antara tiga eksperimen
iklim.
47. Pengaruh terhadap Sirkulasi Umum Atmosfer
Pengaruh terhadap Konveksi
Percobaan Sensitivitas
Model Awan Kumulus
Persamaan Budget Skala-Besar
Pendahuluan
Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar
Kesimpulan
48. Di dalam skema parameterisasi EAUCUP,
penulis telah mengambil langkah awal ke
arah peningkatan simulasi interaksi antara
proses skala-besar dan konvektif dengan
membiarkan cloud water dan cloude ice
skala-besar dapat masuk (entrained) ke
dalam updraft konvektif.
Unsur kunci untuk meningkatkan interaksi antara proses
konvektif dan proses-proses skala-besar (khususnya melalui
proses pembentukan anvil skala-besar) adalah:
Menyertakan proses mikrofisika awan dan presipitasi yang sudah
ditingkatkan (improved) ke dalam parameterisasi konveksi.
Proses subsidensi dari cloud water, cloud ice, dan snow skala-besar
dimasukkan ke dalam perhitungan dari kecenderungan konvektif.
Selanjutnya, penulis menyelidiki bagaiman perlakuan terhadap salju
mengubah iklim dari model CSU GCM dengan membiarkan salju tersebar di
puncak awan, atau jatuh seketika di dalam atau di luar updraft konvektif.
Penulis juga telah mengambil langkah awal ke arah peningkatan proses
presipitasi dengan membiarkan fraksi dari cloud ice (yang terbentuk dalam
updraft konvektif) untuk menjadi salju, sebagai pengganti dari proses yang
hanya membiarkan semua cloud ice tersebar (detrained) di puncak awan.
49. o Hasil yang didapat dalam kajian ini mendukung
kesimpulan dari Emanuel dan Pierrehumbert
(1996) dan Emanuel dan Zivkovic-Rothman
(1999) bahwa skema konveksi kumulus yang
digunakan di dalam model-model iklim harus
menggambarkan proses mikrofisik dari
pembentukan presipitasi secara lebih detail,
khususnya untuk fase (awan) dingin.
o Pentingnya parameterisasi yang tepat dari fraksi
air terkondensasi yang menjadi presipitasi atau
tersebar (detrained) pada puncak awan
ditekankan dari hasil simulasi yang menunjukkan
perbedaan suhu dan RH (rata-rata zonal) antara
FALLOUT dan DETSNOW dan antara FALLIN dan
DETSNOW.
o Hasil utama yang didapat dalam kajian ini
menunjukkan bahwa iklim yang disimulasikan
dengan model CSU GCM sangat sensitif terhadap
perlakuan dari presipitasi untuk fase es.
o Penurunan presipitasi konvektif menghasilkan iklim yang lebih lembab namun lebih
dingin, seperti dalam perlakuan DETSNOW.
o Penulis mengusulkan bahwa perbedaan skala-waktu antara parameterisasi konveksi
dan kondensasi skala-besar, dan jumlah dari kondensat yang tersebar (detrained)
pada puncak updraft relatif terhadap jumlah yang menjadi presipitasi ke permukaan
menjelaskan perbedaan utama antara FALLIN dan DETSNOW.
Steve Platnick, NASA
50. o Entrainment dari cloud water dan cloud ice
skala-besar ke dalam updraft konvektif
mensimulasikan pertukaran massa antara
awan stratiform dan konvektif di dalam
sebuah kotak grid model.
o Perbaikan parameterisasai mikrofisika awan skala-besar (EAULIQ) yang saat ini
digunakan dengan parameterisasi lain yang memasukan persamaan prognostik
untuk fraksi awan horizontal akan membantu menghasilkan simulasi OLR dan
albedo planeter di puncak atmosfer (TOA) lebih dekat dengan nilai observasi.
o Menggunakan paramaeterisasi EAUCUP sebagai titik awal, beberapa hal dapat
diselidiki. Khususnya, peningkatan interaksi antara proses-proses skala-besar dan
konvektif melalui proses entrainment dari uap air, cloud water, dan cloud ice skala-
besar ke dalam updraft konvektif, dan subsidensi skala-besar, merupakan salah
satu unsur kunci dari parameterisasi fraksi keawanan
(EAULIQNG, Randall dan Fowler 1999).
www2.ucar.edu
51. Daftar Pustaka
Fowler, L.D., dan Randall, D.A. (2002) : Interactions between cloud
microphysics and cumulus convection in a GCM, J. of the Atm. Sci.,
59, 3074 – 3098 .