Bab 2 Curahan (Precipitation) 2.1 Pengenalan - Bab2 Curahan

DDA3332 Nota Kuliah Hidrologi
Bab 2 Curahan (Precipitation)
2.1 Pengenalan



Bermula dengan sejatan dari tasik, sungai, atau laut sebagai wap. Juga melalui proses
perpeluhan (transpiration) dari pokok.
Wap air naik ke atas dan menyejuk disebabkan suhu menurun dengan ketinggian pada kadar
5-6.5°C/1000m (adiabatic lapse rate).
0°C
5000 m
10°C

4000 m
3000 m
20°C

2000 m
1000 m
30°C



0m

Wap air menjadi tepu dan berlaku pengewapan (condensation) lalu membentuk awan dan
titisan hujan. Satu biji zarah (aerosol) diperlukan untuk membina setiap titis hujan.
zarah (debu, hablur, garam, pasir,
dan lain-lain)
air dari proses pengewapan



Keupayaan udara untuk mengekalkan air bergantung dengan suhu udara.
Garis tepu atau suhu embun
3

Wap, gm H2O vapor per m udara
g

hujan atau embun

Suhu, °C

Bentuk Curahan
 Bentuk cecair (fluid) – hujan
 Bentuk pepejal (solid) – salji (snow), sleet (small ball of ice), hail (large ball of ice)
 Titis-titis hujan mempunyai garispusat 400-5000 micron (μm) atau 0.4-5 mm
 Keamatan (intensity):
< 2.5-mm/jam
= hujan renyai/gerimis (light rainfall)
2.5 – 7.5-mm/jam
= sederhana hebat (intermediate rainfall)
> 7.5-mm/jam
= hujan lebat (heavy rainfall or downpour)
1

2.2 Jenis Hujan
Bergantung kepada cara bagaimana wap air diangkat naik dan disejukkan bagi membentuk titis
hujan. Ada empat jenis hujan:

i.
ii.
iii.
iv.

Hujan olakan (convective)
Hujan orografi (orographic)
Hujan perenggan (frontal)
Hujan puting beliung (cyclonic)

2.2.1 Ribut Hujan Olakan (Convective storms)
 Biasa berlaku di kawasan tropika
 Udara panas di permukaan bumi naik ke atas dan menyejuk melalui proses adiabatik dan
membentuk awan
 Suhu sejuk menyebabkan wap air terpeluhwap (condensed) pada suhu embun (dew point)
 Menghasilkan hujan lebat (dgn petir, guruh) tetapi dalam masa yang singkat
 Berlaku pada lewat tengahari dan awal senja
2.2.2 Ribut Hujan Orografi (Orographic storms)
 Berlaku apabila jisim udara yang mengandungi wap air bergerak ke kawasan pergunungan
 Menghasilkan hujan lebat dalam tempoh yang agak lama

2.2.3 Ribut Hujan Perenggan (Frontal storms)
 Pertembungan udara sejuk dan udara panas
 Penerubusan udara sejuk dari bawah menolak udara panas ke atas. Menghasilkan hujan
lebat tetapi meliputi kawasan kecil.
 Jika cerun baji perenggan mendatar → hujan kurang lebat tetapi meliputi kawasan yang
lebih luas.
2.2.4 Hujan Puting Beliung (Cyclonic storms)
 Berlaku kerana ada perbezaan tekanan
 Udara lembap bergerak menuju kawasan tekanan rendah.
 Angin bergerak pantas secara berpusar – mengikut pusingan jam di hemisfera utara dan
lawan jam di hemisfera selatan.
Lihat Fig. II.1 dan II.2

2.3 Pengukuran dan Pencerapan Data Hujan (Rainfall Observation and Measurement)



Hujan disukat menggunakan tolok hujan (raingauge)
Berada dua jenis:
i) Manual (Non-recording)

ii) Automatik (Recording)

2

3

2.3.1 Tolok Hujan Manual (Non-recording Raingauge)
 Tidak dapat merekod data secara sendiri
 Mengumpul isipadu hujan sahaja dan perlu disukat menggunakan silinder penyukat
Skala pengukur

corong

50cm

20cm




Satu cerapan untuk sekali pemeriksaan, contoh, sekali sehari, seminggu, sebulan dll
Kedalaman (depth) hujan dikira sebagai
mm atau cm hujan =



Keamatan tidak boleh ditentukan, hanya jumlah di dalam setempoh antara cerapan.

2.3.2 Tolok Hujan Automatik
Ada tiga jenis:
i)
Jenis “Tipping bucket”
ii)
Jenis timbang “Weighing type”
iii)
Jenis pelampung “Float type”
Mengandungi Beberapa Komponen
 Jam perakam waktu mekanikal atau digerakan dengan bateri
 Drum serta carta
 Pen untuk mencatat rekod hujan

 Terkini menggunakan digital data-logger yang simpan data di dalam mikroprosesor
 Jenis perakam
i)
tipping bucket
ii)
timbang (weighing)
iii)
pelampung (float)

4

Tipping Bucket

Setiap “tip”:
Air masuk
Air keluar
1 “tip” = 0.1 mm






Air dari corong dialirkan ke dalam “tipping bucket” (ada dua bahagian)
Setiap bahagian mewakili 0.1-mm hujan
Satu “tip” = 0.1-mm hujan di atas carta
Keamatan tinggi
Hujan, mm

Keamatan rendah

Masa




Jatuh ke kiri dan ke kanan secara berterusan hingga hujan selesai
Boleh tentukan keamatan dari carta (mm/jam)

Weighing Type
 Hujan dikumpul dalam timba yang berat tidak henti-henti diukur dengan berat penimbang

 Berat air ditukar ke kedalaman yang benar dan rekod di atas carta
 Boleh tentukan keamatan dari carta (mm/jam)
Float Type
 Hujan dikumpul dalam timba dan paras air di dalam timba tidak henti-henti diukur
 Perubahan paras air ditukar ke dalaman yang benar dan rekod di atas carta
 Boleh tentukan keamatan dari carta (mm/jam)
Kelebihan
 Merekod hujan secara automatic di atas carta atau disimpan dalam data logger (data berterusan)
 Selain kedalaman hujan ia juga merekod masa dan tempoh hujan
 Keamatan hujan boleh dikira
 Jenis “tipping bucket” menghasilkan litar letrik, cerapan boleh dipancar terus secara elektronik
ke bilik kawalan

5

2.3.3 Faktor Berikut Boleh Menyebabkan Ralat (Error) Data Hujan
 Percikan (splash) titisan hujan. Bahagian tepi corong mestilah tirus dan tajam untuk
mengurangkan percikan.

tidak

boleh






bibir corong

boleh

Sebahagian air diperlukan untuk membasahi komponen sebelah dalam tolok hujan
Tiupan angin, jika serius perlu adangan (wind shield)
Lekuk (dent)
Lihat lampiran, Fig. II.23 Radio-Reporting Storage Gauge

2.3.4 Lokasi Tolok Hujan
1) Di kawasan lapang (open field) pada ketinggian 75 cm hingga 100 cm dari permukaan tanah
untuk mengurangkan ralat daripada percikan.
2) Sudut bukaan dari corong antara 30-45º, atau pada jarak > 1x ketinggian (1*H) bangunan atau

pokok disekelilingnya

1*H

0.75-1m
1*H

< 45°
> 1*H

>1*H

2.3.5 Rangkaian Tolok Hujan (Raingauge Network)
Kawasan rata: 600-900 km2 / stesen
Berbukit: 100-250 km2 / stesen
Boleh juga ditentukan secara statistik

N=
Yang mana:
N = bilangan tolok hujan (bilangan stesen)
Cv = pekali sisihan; (sisihan piawai / purata) × 100
E = peratus ralat yang dibenarkan
Sisihan piawai (σ)

σ=
Yang mana:
6

n = bilangan stesen sediada
x = hujan (mm atau cm) pada stesen
= purata semua stesen
Contoh,
Dalam satu tadahan terdapat empat stesen hujan dengan purata 800, 620, 400 dan 540 mm/tahun,
masing-masing. Tentukan bilangan stesen optima untuk mendapatkan ralat purata hujan tahunan
kurang dari 10%.
2.4 Menganalisis Data Hujan (Analysis of Rainfall Data)
Dua jenis data hujan:
1) Hujan Titik (Point Rainfall) = Data hujan dari satu stesen dan mewakili satu tempat sahaja
2) Hujan Kawasan (Areal Rainfall) = Data hujan dari beberapa stesen dan mewakili satu kawasan
yang lebih luas; ditentukan dari rekod hujan titik dari beberapa stesen




Hujan Titik tidak dapat memberi anggaran hujan yang tepat untuk kawasan yang lebih luas.
Maklumat hujan kawasan penting bagi merekabentuk struktur hidraul, contoh empangan,
pencegahan banjir, saliran dan lain-lain.
Hujan Kawasan dikira dari Hujan Titik dari beberapa stesen.

Untuk mengurangkan data hujan (reduce data from many numbers to fewer, more useful numbers),
boleh menggunakan empat kaedah untuk mendapat Hujan Kawasan bagi satu kawasan dari data
Hujan Titik:
1) Kaedah Purata Mudah (Simple Average)
2) Kaedah Purata Berpemberat (Weighted Average) menggunakan Poligon Thiessen (Thiessen
Polygon)
3) Kaedah Interpolasi Garisan Sehujan (Isohyetal Interpolation)
4) Kaedah Sukuan (Quadrant Method) menggunakan Kaedah Purata Berpemberat
2.4.1 Kaedah Purata Mudah (Simple Average)
 Untuk merupakan purata mudah dari rekod Hujan Titik dari setiap stesen yang berhampiran
 Sesuai bagi kawasan yang landai dan rata
PK = (P1 + P2 + P3 + ….. + Pn)
yang mana:
PK = Hujan Kawasan (purata mudah Hujan Titik dari semua stesen yg dekat)
n = bilangan stesen hujan yang diguna
P1, P2, … = rekod hujan stesen yang diguna (Hujan Titik)
2.4.2 Kaedah Purata Berpemberat (Weighted Average)
 Dikira dari data hujan stesen yang berhampiran (biasanya 3 stesen)
 Diguna apabila perbezaan purata hujan tahunan antara setiap stesen melebihi 10%
PK =
yang mana:
PK = Hujan Kawasan (purata mudah Hujan Titik dari semua stesen yg dekat)
7

n = bilangan stesen hujan yang diguna
P1, P2, … = rekod hujan stesen yang diguna (Hujan Titik)
= faktor berpemberat; nisbah keluasan, nisbah hujan purata tahunan, dan lain-lain
Contoh, A1 … An = Purata Hujan Tahunan untuk Stesen 1 …. n, dan AT = Purata semua nilai A1 …
An
2.4.2.1 Poligon Thiessen (Thiessen Polygon)
 Lebih baik dari Kaedah Purata Mudah
 Mengambil kira keluasan yang diwakili oleh setiap stesen
 Sesuai untuk kawasan rata tetapi tidak untuk kawasan berbukit
 Boleh mengatasi masalah ketidakseragaman hujan stesen
Prosedur:
1) Dapatkan peta tadahan atau kawasan dan kedudukan stesen-stesen hujan yang terlibat.
2) Lakarkan garisan lurus menyambungkan stesen-stesen hujan bagi membentuk beberapa segitiga.
3) Buat garisan bersudut tepat yang membahagi dua sama antara dua stesen.
4) Bentukkan poligon-poligon dengan menyambungkan titik-titik pertemuan di antara garisan
tegak.
5) Menggunakan Kaedah Purata Berpemberat untuk dapatkan Hujan Kawasan.

=
yang mana:
P1, P2, P3 , …., Pn = hujan pada stesen yang berkaitan
A1 , A2, A3, …., An = luas polygon
A = jumlah luas tadahan (A1 + A2 + A3 + … + An)
Lihat Fig. II.33 Contoh, Carta Isohyetal dan Thiessen Poligon
2.4.2.2 Kaedah Interpolasi Garisan Sehujan (Isohyetal Interpolation)
 Garisan sehujan (isohyet) mempunyai hujan yang sama
 Garisan ini dilukis di atas peta dengan pengalaman dan akal (experience and common sense)
 Lebih tepat dari Kaedah Thiessen dan Kaedah Purata Mudah
 Sesuai untuk kawasan bukit
 Kelemahan: mesti guna banyak stesen hujan
 Keluasan antara garisan ditentukan dengan planimeter atau kertas graf

yang mana:
= hujan purata (Hujan Kawasan)
Pi
= nilai hujan bagi garisan sehujan i
Pi+1
= nilai hujan bagi garisan sehujan i+1
Ai
= luas antara garis sehujan

8

2.5 Menganggar Data yang Hilang
 Data hujan perlu dianggar bila data gagal direkod atau hilang (contoh, tolok hujan rosak,
petugas cuti, atau hilang dari simpanan)
2.5.1 Kaedah Purata Mudah (Simple Average)
Sesuai untuk menganggar data jika perbezaan hujan tahunan normal bagi Stesen X kurang
10% dari mana-mana stesen berhampiran
PX = (P1 + P2 + P3 + ….. + Pn)
yang mana:
PX = Hujan Stesen X yang mesti dianggar dari data stesen lain (stesen yang dekat)
n = bilangan stesen hujan yang diguna
P1, P2, … = rekod hujan stesen yang diguna
2.5.2 Kaedah Purata Berpemberat (Weighted Average)
Sesuai untuk menganggar data yang hilang untuk tempoh yang lama, contoh Bulanan,
Tahunan
PX =
yang mana:
PX
= Hujan Bulanan bagi Stesen X yang dianggar dari data stesen lain (stesen yang dekat)
n
= bilangan stesen hujan yang diguna
P1, P2, … = rekod Hujan Bulanan stesen-stesen yang diguna
AX
= Purata Hujan Tahunan untuk Stesen X
A1
= Purata Hujan Tahunan untuk Stesen 1, dan sebagainya
2.5.2.1 Kaedah Interpolasi Garisan Sehujan (Isohyetal Interpolation)
Sesuai untuk data dari satu ribut atau hujan bagi tempoh yang singkat.
Kaedah:
1) Dapatkan data hujan harian (atau ribut) stesen yang berdekatan
2) Lakarkan garisan sehujan (isohyet = garis yang mana sama nilai hujan)
3) Dari garisan sehujan (isohyet) yang dilakar anggarkan (interpolate) nilai hujan bagi
stesen X
2.5.2.2 Kaedah Sukuan (Quadrant Method)
Menggunakan untuk menganggar data yang hilang sahaja
Lebih baik sebab:
1) Kaedah Purata Mudah tidak mengambil kira jarak di antara stesen yang terlibat dan keamatan

(intensity) rangkaian stesen
2) Kaedah Purata Berpemberat memerlukan hujan purata tahunan setiap stesen selain dari hujan
bulanan stesen berhampiran (mesti ada dua nilai purata hujan)
3) Kaedah Garisan Sehujan pula memerlukan rangkaian stesen hujan yang banyak
Kekurangan di atas boleh ditampung dengan Kaedah Sukuan
 Juga menggunakan purata berpemberat
 Berdasarkan jarak stesen yang hendak dianggar dengan stesen terdekat
9



Semakin jauh stesen yang dipilih dengan stesen X, semakin rendah nilai pemberat

Kaedah:
1) Pada titik X, bahagikan kawasan kepada empat sukuan dengan garisan utara-selatan dan timurbarat.
2) Dapatkan koordinet setiap stesen supaya jarak setiap stesen dari X dapat dikira.
3) Hanya satu stesen sahaja dipilih untuk setiap sukuan, iaitu stesen yang terdekat dengan X.
4) Pemberat dikira dengan rumus:
=
yang mana:
di
= adalah jarak stesen „i‟ dari stesen X
Wi
= faktor pemberat (weighting factor) bagi stesen „i‟
Hujan X =
2.6 Mengesahkan Keseragaman Data Hujan (Verify the Uniformity of Rainfall Data)
Hujan yang direkod pada satu stesen boleh berubah kalau keadaan berubah, contoh, pokok dekat
stesen membesar dan menjadi pengadang, alat tolok menjadi rosak, corong tersumbat, dan
sebagainya.
Keseragaman data hujan boleh ditentukan dengan Kaedah Lengkung Jisim Berganda (Double
Mass Curve).
Kaedah:
1) Dapatkan hujan tahunan (banyak tahun) bagi stesen yang diragui, X.
2) Dapatkan hujan tahunan stesen yang berdekatan (5-10 stesen) dengan stesen X.
3) Dapatkan purata tahunan untuk semua stesen.
4) Susunkan hujan tahunan secara kronologi.
5) Plotkan hujan tahunan kumulatif stesen X melawan purata hujan dari stesen-stesen berhampiran.
6) Tahun di mana berlaku perubahan rekod hujan boleh dilihat dari perbezaan cerun garisan yang
diplot
7) Kira nisbah cerun sebelum berlaku berubahan, M 0, dan selepas berlaku perubahan, M1
8) Rekod hujan boleh dibetulkan dengan rumus berikut:

yang mana:
P1 = rekod hujan stesen yang hendak dibetulkan
P0 = rekod hujan stesen X asal
M1 = cerun garis lurus selepas berlaku perubahan
M0 = cerun garis lurus asal

10

Garis selepas data
Stesen X dibetulkan

Tahun berlaku perubahan
Kumulatif
Hujan
Tahunan
Stesen X

M1
M0

Kumulatif Hujan Purata Tahunan Stesen Berhampiran

Contoh: Diberi rekod hujan selama 12 tahun bagi Stesen X dan purata 10 stesen yang berhampiran.
Semak keseragaman data jika berlaku perubahan betulkan data hujan yang terlibat.
Tahun
1971
1972
1973
1974
1975
1976

Stesen X
(mm)
178
162
194
168
196
144

Purata 10 Stesen
berhampiran (mm)
146
147
161
155
152
117

Tahun
1977
1978
1979
1980
1981
1982

Stesen X
(mm)
160
196
141
158
145
132

Purata 10 Stesen
berhampiran (mm)
128
193
156
164
155
143

Penyelesaian:
1) Dapatkan kumulatif hujan stesen tahunan bagi Stesen X.
2) Dapatkan kumulatif purata hujan tahunan bagi 10 stesen.
3) Plotkan #1 melawan #2.
4) Tentukan perubahan cerun dengan mata (penglihatan). Pada apa tahun cerun berubah?
5) Kira nisbah pembetulan, M0/M1.

11

M1
M0

M0/M1

12

2.7 Perbandingan Data Hujan (Analysis of Rainfall Data)
Empat bentuk digunakan untuk analisa asas:
1) Kedalaman (mm, cm)
2) Tempoh (min, jam)
3) Kekerapan atau frekuensi (hujan 20-tahun, hujan 50-tahun)
4) Keamatan – kadar hujan yg turun (mm/jam, cm/hari)
e.g.
5 mm dalam masa 10 min
==
30 mm/jam
10 mm dalam masa 15 min ==
40 mm/jam
30 mm dalam masa 2 jam
==
15 mm/jam
Kaedah-kaedah
2.7.1 Kaedah ‘Scatter Plot’
Contoh, Mukasurat 1 – Hujan Tahunan Pd 3 Stesen (A, B, C)



Guna untuk periksa variasi di dalam rekod data
Boleh mendapat purata ( , average) dan sisihan piawai (σ, standard deviation)

σ=


Kalau menggunakan statistik biasa (normal-distribution statistics):

68% data hujan di dalam julat:
Contoh, Stesen A:
57.22 dan
15.18
maka, 68% data hujan di dalam julat: 42.04 – 72.40
95% data hujan di dalam julat:
99% data hujan di dalam julat:
2.7.2 Kaedah Analisa Siri-Masa (Time Series Analysis)
Contoh, Mukasurat 2 – Analisa Siri-Masa Stesen A dan B




Walaupun statistik analisa siri-masa lebih susah, boleh guna MS Excel plugin
Data dibahagikan ke dalam dua komponen: komponen secara rawak dan trend
Guna trend untuk menganalisa perubahan yang jangka panjang

2.7.3 Lengkung Jisim Hujan (Mass Curve Rainfall)
Contoh, Mukasurat 3 – Lengkung Jisim Hujan, Stesen A, B, C






Kirakan secara kaedah yang dijelaskan seksyen Mengesahkan Keseragaman Data Hujan
Adalah lengkung jumlah hujan kumulatif melawan masa
Pada kebiasaan, cerun lengkung naik dengan cepat pada permulaan hujan dan kemudian mula
mendatar
Periksa perubahan di dalam cerun: kenapa hubungan berubah?
Juga guna untuk mencari data yang luar biasa (outliers)

13

2.7.4 Hitograf (Hyetograph)
Contoh, Mukasurat 5





Adalah graf histogram keamatan hujan (mm/jam) melawan masa
Keamatan hujan tidak sekata, biasanya lebih tinggi pada peringkat awal hujan
Keluasan di bawah lengkung mewakili jumlah hujan
Keamatan hujan

2.7.5 Lengkung Keamatan-Tempoh-Kekerapan (Intensity-Duration-Frequency Curve)
Contoh, Mukasurat 5 (Figure 4.7)



Adalah penerangan secara grafik yang merangkumkan tiga maklumat penting hujan iaitu,
keamatan, tempoh, dan kekerapan
Akan guna bila belajar seksyen Urban Hydrology

2.7.6 Kekerapan / Kala Kembali Hujan (Rainfall Frequency / Return Period)
Contoh, Mukasurat 5 (Fig. II.35)





Kala kembali adalah tempoh (dalam tahun) secara purata di mana satu magnitud atau nilai
hujan disamai atau dilebihi
Contoh, Hujan-5-Tahun (5-Year Rainfall) : bermaksud nilai hujan yang berlaku secara purata
sekali dalam tempoh 5 tahun. Tetapi tidak semestinya berlaku sekali dalam tempoh 5 tahun
ATAU mungkin lebih sekali (kebarangkalian sahaja).
Untuk tempoh yang lama, contoh, Hujan-100-Tahun, kebarangkalian untuk mendapat 20 kali
hujan > adalah lebih tinggi
Rumus:

yang mana:
Tr = kala kembali (return period)
m = pangkat (rank)
n = jumlah rekod, bilangan tahun (record length, number of years of data)


Kebarangkalian (p) hujan × mm disamai atau dilebihi adalah

yang mana:
p = kebarangkalian hujan × disamai atau dilebihi
Tr = kala kembali (tahun)
Contoh, Mukasurat 4 – Kala Kembali Hujan, Stesen A dan B


Lebih baik menggunakan kertas graf yang Semi-Log sebab Hujan lawan T r ialah fungsi yang
logarithmic

14

Storage Rain Gauge

15

16

Mukasurat 1
17

Mukasurat 2

18

Mukasurat 3

19

Mukasurat 4

20

Mukasurat 5
21