I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Atmosfer bumi terdiri dari empat lapisan, yaitu troposfer, stratosfer, mesosfer, dan
termosfer. Troposfer merupakan lapisan yang paling bawah, sehingga troposfer dibatasi
langsung oleh permukaan bumi. Di antara permukaan bumi dan atmosfer terdapat suatu
lapisan yang disebut boundary layer. Menurut Tucker et al. 2009, Atmospheric Boundary
Layer ABL atau yang biasa dikenal sebagai Planetary Boundary Layer PBL adalah
lapisan paling bawah atmosfer yang dicirikan dengan adanya turbulensi yang terbentuk
sebagai akibat dari interaksi antara atmosfer dengan permukaan, dalam jangka waktu
kurang dari satu hari.
Ketinggian ABL bervariasi terhadap ruang dan waktu, sehingga dalam pendugaan
ketinggian ABL digunakan variasi diurnal dari profil vertikal suhu, kelembaban, dan angin.
Di daratan, ABL maksimum terjadi pada siang hari karena konveksi maksimum terjadi pada
siang hari. Medeiros et al. 2005 menyatakan bahwa variasi ketebalan ABL di lautan
cenderung lebih kecil dibandingkan di daratan karena lautan memliki kapasitas panas yang
lebih besar dibandingkan daratan, sehingga lautan dapat menyerap sejumlah panas yang
besar dengan perubahan suhu yang sangat kecil.
Secara umum, daerah yang beriklim tropis memiliki ABL yang lebih tinggi dibandingkan
dengan di daerah beriklim subtropis. Hal tersebut terjadi karena pada wilayah tropis
mengalami penyinaran matahari maksimum yang kemudian menyebabkan suhu per-
mukaan lebih tinggi dibandingkan suhu parsel udara di atasnya, sehingga ABL menjadi lebih
tinggi. Tetapi ABL di wilayah subtropis dapat lebih tinggi dibandingkan di wilayah tropis
ketika di wilayah subtropis sedang terjadi musim panas, sehingga pada siang hari
ketinggiannya dapat mencapai 1 sampai 2 km Kaimal et al. 1976.
Seibert et al. 2000 dan Affandi 2010 mengemukakan bahwa pendugaan ketinggian
ABL sangat penting dalam pendugaan dispersi polutan, kegiatan penerbangan, dan peramalan
cuaca pada masa yang akan datang. Selain itu, Thomson dan Fine 2003 juga menyatakan
bahwa dengan mengetahui ketinggian ABL maka dapat diketahui proses-proses yang
terjadi di lautan, seperti pertukaran udara, produktivitas, dan perubahan iklim jangka
panjang, serta proses-proses yang terjadi di permukaan dan di ABL sehingga dapat dibuat
model prediksi yang sesuai. Pada penelitian ini dilakukan pendugaan
ketinggian ABL dari beberapa lokasi wilayah tropis dan subtropis yang ditunjukkan oleh
besarnya ketinggian Mixed Layer ML pada siang hari dan ketinggian Residual Layer RL
pada malam hari dengan terlebih dahulu menentukan variabel-variabel meteorologi
yang menunjukkan karakteristik ABL. Selain itu, juga ditentukan besarnya nilai Turbulent
Flow Thickness TFT yang menunjukkan ketinggian aliran turbulensi serta ditentukan
pula besarnya intensitas turbulen yang terjadi pada masing-masing wilayah kajian.
1.2 Tujuan
Tujuan penelitian ini adalah : 1.
Mengkaji variabel-variabel meteorologi yang mencirikan karakteristik ABL
2. Membuat profil vertikal dari variabel-
variabel meteorologi yang mencirikan karakteristik ABL
3. Menentukan ketinggian ML, RL, dan TFT
pada masing-masing wilayah kajian 4.
Membandingkan karakter ABL untuk wilayah tropis dan subtropis
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Konsep Dasar Atmospheric Boundary
Layer ABL 2.1.1
Definisi dan Formasi
Stull 1999 menjelaskan bahwa ABL adalah bagian dari troposfer yang secara
langsung dipengaruhi oleh permukaan bumi dan merespon gaya-gaya permukaan dalam
rentang waktu satu jam atau kurang. Gaya permukaan yang mempengaruhi ABL antara
lain yaitu gaya gesekan antar lapisan udara, evaporasi dan transpirasi, transfer panas, emisi
polutan, dan tanah lapang yang menyebabkan modifikasi aliran. Besarnya ketebalan ABL
bervariasi terhadap ruang dan waktu, di mana ketebalannya dapat mencapai ratusan hingga
ribuan meter. Secara tidak langsung, ke- seluruhan troposfer dapat berubah dalam
merespon gaya-gaya atau karakter permukaan, tetapi respon tersebut relatif lemah di luar
batas ABL. Oleh karena itu, kalimat merespon gaya-gaya permukaan dalam rentang waktu
satu jam atau kurang bukan berarti bahwa ABL akan mencapai keseimbangannya dalam
waktu tersebut, tetapi perubahan paling kecil dimulai dalam rentang waktu tersebut.
ABL memiliki karakteristik yang unik yang dicirikan dengan adanya turbulensi.
Turbulensi dihasilkan oleh shear angin dan gaya apung bouyancy yang berinteraksi
dengan pemanasan
permukaan. Apabila
permukaan lebih panas dibandingkan dengan udara di atasnya, maka turbulensi yang terjadi
akan lebih kuat. Sedangkan apabila per- mukaan lebih dingin dibandingkan udara di
atasnya, maka turbulensi akan cenderung melemah Hoffert dan Sud 1976. Seperti
yang ditunjukkan Gambar 1, di atas lapisan ABL udara tidak dipengaruhi oleh turbulensi
dan profil suhu sama dengan skenario atmosfer standar, sehingga lapisan ini disebut
Free Atmosphere FA Wyngaard 1985.
Gambar 1 Letak Boundary Layer di atmosfer Modi-
fikasi dari Stull 2000.
2.1.2
Struktur
Menurut Stull 2000 seperti yang di- tunjukkan pada Gambar 2, ABL terdiri dari
tiga komponen yaitu Mixed Layer ML yang terbentuk pada siang hari saat kondisi
atmosfer tidak stabil. Sedangkan pada malam hari, terdapat Stable Boundary Layer SBL
yang terbentuk saat kondisi atmosfer stabil dan Residual Layer RL yang terbentuk saat
kondisi atmosfer netral.
Pada ABL bagian bawah terdapat lapisan yang disebut Surface Layer SL dengan
ketinggian mencapai
100 meter
dari permukaan bumi. Pada lapisan ini gaya
gesekan, konduksi panas, dan evaporasi dari permukaan menyebabkan kecepatan angin,
suhu, dan kelembaban berubah terhadap ketinggian. Di mana suhu potensial meningkat
secara perlahan-lahan terhadap ketinggian dan kelembaban meningkat secara cepat terhadap
ketinggian Gupta 1998. Tetapi pada lapisan SL aliran turbulen relatif konstan terhadap
ketinggian, sehingga lapisan ini dapat disebut juga constant flux layer Stull 2000.
Kaimal et al. 1976 menyatakan bahwa di atas SL terdapat lapisan ML yang terjadi pada
siang hari. Pada lapisan ini suhu potensial, kelembaban, dan kecepatan angin cenderung
konstan terhadap naiknya ketinggian. Di ML dicirikan dengan adanya turbulensi yang
sangat kuat, sehingga lapisan ini sering disebut juga Convective Boundary Layer
CBL atau Convective Mixed Layer. Entrainment Zone EZ merupakan lapisan
yang sangat stabil dan berada di antara ML dan FA. Pada malam hari, di lapisan EZ tidak
terjadi turbulensi, sehingga ketika malam hari lapisan ini disebut juga Capping Inversion
CI Sullivan et al. 1998.
Gambar 2 Komponen ABL pada siang hari dan malam
hari Modifikasi dari Stull 1999.
2.1.3
Karakteristik
ABL merupakan lapisan yang sangat dipengaruhi oleh permukaan bumi. Interaksi
antara ABL dan permukaan bumi dapat menyebabkan terjadinya proses-proses unik
yang menunjukan
karakteristik ABL.
Karakteristik ABL tersebut dapat diketahui dari beberapa unsur-unsur meteorologi dan
juga kondisi stabilitas atmosfer. Adapun unsur-unsur meteorologi yang mencirikan
karakteristik ABL antara lain suhu udara, kelembaban, dan kecepatan angin.
Menurut Arya 2001 pada siang hari, terjadi pemanasan secara terus menerus dan
pencampuran termal, sehingga menyebabkan ketebalan ABL meningkat sepanjang hari dan
akan mencapai ketebalan maksimum ketika sore hari yang besarnya dapat mencapai 1 km
± 0.2 - 5 km. Selanjutnya saat matahari ter- benam, mulai terjadi pendinginan di daratan
yang menyebabkan turbulensi semakin lemah sehingga ketebalan ABL hanya mencapai 100
m ± 20
– 500 m. Oleh karena itu, ketebalan ABL sangat dipengaruhi oleh pemanasan dan
pendinginan di permukaan secara diurnal harian.
Di daerah lintang tengah, selama musim panas siang harinya akan lebih panjang
dibandingkan malam hari, sehingga lebih
Boundary Layer Permukaan Bumi
1.5 km Free Atmosphere