Konsep Dasar Atmospheric Boundary

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