Pemantauan dan Pencirian Cuaca Angkasa d

Sains Malaysiana 38(4)(2009): 463–471

Pemantauan dan Pencirian Cuaca-Angkasa di Kawasan UKM Bangi,
Selangor Menggunakan Penerima GPS
(Monitoring and Characterization of Space Weather Over
UKM Bangi, Selangor using GPS Receivers)
WAYAN SUPARTA*, BAHARUDIN YATIM
& MOHD. ALAUDDIN MOHD. ALI

ABSTRAK

Kajian ini dijalankan untuk mencirikan kepelbagaian kelakuan cuaca dalam lapisan bawah dan atas atmosfera,
terutama kebergantungannya kepada keadaan di dalam troposfera dan ionosfera pada enam stesen yang berbeza di
UKM Bangi, Selangor. Pengukuran adalah berasaskan pemonitoran jangka pendek wap air bolehmendak (PWV) dalam
troposfera dan jumlah kandungan elektron (TEC) dalam ionosfera menggunakan penerima GPS Bumi. Data PWV, TEC dan
pengukuran meteorologi permukaan adalah dicerap bermula 12 November sehingga 7 Disember 2007. Hasil pemonitoran
menunjukkan bahawa kedua-dua proil kebolehubahan PWV dan TEC memperlihatkan kitaran harian. Purata harian
PWV dan TEC adalah tinggi, masing-masing dengan nilai ~42 mm dan ~35 TECU. Perubahan kedua-duanya didapati
dipengaruhi aktiviti Matahari.
Kata kunci: Atmosfera; GPS PWV – TEC; ionosfera; UKM Bangi
ABSTRACT

This research was performed to characterize the variability of weather behavior in the lower and upper atmosphere
layers, particularly its dependence on conditions in the troposphere and ionosphere at six different stations over UKM
Bangi, Selangor. The measurements are based on short-term monitoring of precipitable water vapour (PWV) in the
troposphere and total electron content (TEC) in the ionosphere using ground-based GPS receivers. Data on PWV, TEC
and surface meteorological measurements were gathered from 12 November to 7 December 2007. Monitoring Results
showed that both proiles of PWV and TEC variations shown diurnal cycle. The PWV and TEC on daily mean generally high,
with a value of ~42 mm and ~35 TECU, respectively. It was found that both PWV and TEC variations exhibits inluenced
by solar activity.
Keywords: Atmosphere; GPS PWV – TEC; ionosphere; UKM Bangi
PENGENALAN
Fenomena cuaca di kawasan UKM Bangi, Selangor adalah
unik dan sukar diramalkan. Pemendakan (hujan) tidak
teragih dengan sekata. Di dalam kawasan tertentu seolaholah terdapat pembatasan hujan. Proses dan fenomena
evolusi sepanjang peristiwa berlakunya hujan juga sukar
difahami. Ini penting, kerana sekecil apapun perubahan
ke atas lapisan atmosfera Bumi akan memberikan kesan
meluas kepada perancangan aktiviti manusia. Cuaca
memainkan peranan penting dalam mencorakkan cara
hidup kita. Kerananya pencirian fenomena ini dalam

konteks interaksi angkasa-Bumi (geospace) adalah cabaran
terbesar dalam membina pemahaman yang lengkap
terhadap ciri-ciri perubahan iklim global dan perkaitannya
dengan aktiviti suria. Diantara parameter yang digunakan
untuk mengkaji atmosfera bahagian bawah (bermula
dari permukaan Bumi sehingga ~40 km) dan bahagian
atas (50 – 1000 km), masing-masing ialah wap air boleh
mendak (PWV) atmosferik dan jumlah kandungan elektron

(TEC) ionosferik. PWV ialah jumlah kuantiti wap air yang
terhampar per unit luas pada sebuah titik di atas permukaan
Bumi dalam sebuah turus menegak yang dinyatakan
sebagai ketinggian wap air (dalam unit mm). Manakala
TEC digambarkan sebagai keratan-rentas jumlah elektron
bebas dalam sebuah tiub seluas 1 m2 memanjang bermula
daripada penerima hingga ke satelit (dalam unit TECU;
1 TECU = 1016 elektron.m-2), yang menembusi lapisan
ionosfera.
Telah terbukti bahawa teknik sistem penentududukan
global (GPS) berpotensi untuk menderia wap air atmosferik

(Bevis et al. 1992; Rocken et al. 1995) dan telah digunakan
secara meluas sebagai peranti asas untuk mengukur
ketepatan TEC ionosferik (Fedrizzi et al. 2005) secara
global dan dalam apa jua cuaca. Dalam satu dekad terakhir,
beberapa penyelidik mula ke arah menyediakan peramalan
cuaca-angkasa dan menambah baik ketepatan pemodelan
iklim menggunakan rangkaian GPS global. Meskipun
GPS asalnya dirancang untuk navigasi ketenteraan dan

464

penentududukan, sistem ini sekarang telah diaplikasikan
secara meluas dalam pelbagai bidang antaranya industri
telekomunikasi, kehidupan rimba, geoizik dan geologi,
pertanian, penerokaan angkasa, sains angkasa dan Bumi,
dan banyak lagi. Hari ini, perkembangan teknologi GPS
dan ketersediaan penerima GPS dengan kos berpatutan
membolehkan pengukuran PWV dan TEC mengikut masa
dan ruang secara serentak dan berterusan.
Sebagaimana diketahui, lapisan ionosfera dan

troposfera melambatkan rambatan isyarat GPS. Dengan
mengeksplotasi kelewatan isyarat diantara penerima
dan satelit yang lazimnya dikenali sebagai kelewatan
ionosferik dan troposferik sepanjang tempoh perambatan,
PWV dan TEC boleh ditentukan secara serentak. Ketepatan
dan pengukuran berterusan kedua-dua parameter ini di
kawasan UKM Bangi dengan teknik GPS Bumi belum pernah
dilaporkan secara lengkap. Oleh itu kajian ini bertujuan
mengukur dan memantau PWV dalam troposfera dan TEC
dalam ionosfera berasaskan penerima GPS Bumi untuk
memahami evolusi dan proses izikalnya. Seterusnya,
perubahan variasi mengikut masa dan ruang untuk keduadua PWV dan TEC dan perkaitannya dengan pengaruh
aktiviti Matahari dalam jangka pendek juga diperhati.
Perubahan aliran arus daripada aktiviti suria ini merupakan
salah satu komponen kekunci utama daripada kajian cuaca-

angkasa termasuklah interaksinya dengan lapisan bawah
atmosfera.
METODOLOGI
LOKASI DAN PENGUKURAN

Lokasi pemantauan ialah terletak di kawasan Universiti
Kebangsaan Malaysia (UKM) Bangi, Selangor (~35
km Selatan Kuala Lumpur). Kedudukan kawasan ini
selain berhampiran dengan garisan khatulistiwa, ia juga
dilingkupi oleh beberapa kawasan tropika dan subtropika
atau secara umum boleh dikatakan sebagai kawasan
hujan tropika (atau Monsun), di mana jumlah hujan boleh
bertukar-tukar secara drastik berbanding suhu purata. Rajah
1 menunjukkan peta lokasi pemantauan melibatkan enam
stesen yang berbeza. Masing-masing lokasi pemerhatian
ditunjukkan dalam Rajah 1(b). Kedudukan geograi stesen
dan tarikh pemantauan diberikan dalam Jadual 1.
Sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 1(b), FENG
adalah pusat pemantauan (tetap) dan stesen lainnya
dikategorikan sebagai stesen bergerak. Di FENG, sistem
pengukuran terdiri daripada sebuah penerima GPS dan
sebuah instrumentasi meteorologi. Antena Trimble
Geodetik dan penerima GPS Trimble TS5700 telah dipilih

(a)
RAJAH

1. Lokasi pemantauan cuaca-angkasa di kawasan UKM Bangi, Selangor
JADUAL

Stesen
PPPI
DECT
FLAW
GENO
BUHE
FENG (L)
FENG (T)

(b)

1. Kedudukan geograi penerima GPS di UKM Bangi

Latitud (deg)

Longitud (deg)

Ketinggian (m)

Jarak (m)

Tarikh pemantauan

2°55’22.08
2°55’49.44
2°55’44.60
2°55’36.84
2°55’38.68
2°55’22.82
2°55’23.08

101°46’22.80
101°46’40.80
101°46’08.40

101°46’12.00
101°46’37.56
101°46’23.03
101°46’23.01

75.87
37.41
56.54
18.65
54.20
34.71
35.51

1,516.97
1,014.01
458.44
543.72
651.30
11.01
-

12-14 Nov 07
16-18 Nov 07
19-21 Nov 07
23-25 Nov 07
28-30 Nov 07
05-07 Dec 07
Semua masa

L dan T masing-masing bermaksud Leica dan Trimble. Semua stesen bergerak dilakukan menggunakan penerima GPS daripada Leica. Jarak diukur dari stesen tetap atau
FENG (T)

465

kerana ketepatan yang tinggi, penambahbaikan ketahanan
pelbagai alur dan lebih baik dalam menjejaki satelit pada
pelbagai sudut dongakan. Pengukuran data meteorologi
permukaan dilakukan dengan menggunakan penderia
Paroscientiic MET3A. Kedua-dua sistem diletakkan di
atas bumbung bangunan Fakulti Kejuruteraan (FENG), UKM

dan telah dipasang pada 21 Januari 2004. Untuk stesen
bergerak, pengukuran terdiri daripada satu penerima GPS
Leica GRX 1200 dan satu antena bergelang AT504 dengan
menggunakan penderia meteorologi yang sama. Antena
bergelang ini digunakan kerana mempunyai ciri-ciri
piawaian tepat, lebih berkesan dalam mengatasi penolakan
pelbagai alur dengan kemantapan pusat fasa antena (< 1
mm) dan tahan terhadap penyesakan frekuensi radio (RF).
Pemantauan atmospferik pada masing-masing stesen
bergerak dilakukan secara berterusan sepanjang 3-5 hari,
bermula pada 08:00 pagi, waktu tempatan (Local Time
LT). Rajah 2 menunjukkan rangkaian pengukuran daripada
stesen bergerak yang mana mempunyai sambungan serupa
dengan stesen tetap.
Kedua-dua penerima GPS di-set dengan sudut bukaan
13° untuk menjejak semua isyarat GPS dan menjaga kualiti
data. Selang pensampelan adalah 10 saat. Data jarak
semu (pseudorange) dan pembawa fasa (carrier phase)
kedua-duanya dikumpul pada pengukuran frekuensi L1
dan L2. Penerima GPS merakam data dalam waktu semesta

(Universal Time UT). Isyarat GPS ditukar menjadi format
RINEX menggunakan rutin Translate/Edit/Quality Check
(TEQC) yang dibangunkan oleh UNAVCO (http://www.unavco.
org). Pensampelan data pada sela 30 saat digunakan untuk

RAJAH

mengurangkan masa pemprosesan. Manakala kekerapan
pensampelan untuk pencerapan data meteorologi permukaan
(tekanan, suhu dan kelembapan relatif) dirakam 4 saat.
Purata data dirakam pada selang 1 minit.
PEMPROSESAN DATA
PENENTUAN KANDUNGAN WAP AIR BOLEHMENDAK (PWV)

Lapisan bawah atmosfera adalah jelas mempengaruhi
rambatan isyarat GPS kepada penerima. Lazimnya lapisan
ini dikenali sebagai atmosfera neutral atau ringkasnya
troposfera iaitu sebuah medium tak dispersif (kelajuan
isyarat tak bergantung frekuensi). Kelewatan isyarat dalam
lapisan ini dinyatakan sebagai selisih jarak diantara isyarat
yang melalui medium dengan isyarat dalam ruang vakum.
Jarak antara sumber pemancar gelombang elektromagnet
(atau optikal) kepada penerima dideinisikan sebagai:
(1)
dimana ∆L ialah jarak kelewatan gelombang radio (panjang
alur optikal) atau jumlah kelewatan troposferik, v dan c,
masing-masing ialah halaju isyarat dalam medium dan
ruang vakum, n(s) ialah indeks biasan medium, S dan G,
masing-masing ialah panjang alur untuk elektromagnet
dan garisan geometri yang merentasi atmosfera. Dalam
persamaan (1), kelewatan troposferik pada bahagian
pertama dan kedua, masing-masing disebabkan oleh kesan
kelewatan dan kesan bengkokan. Kesan bengkokan [S – G]
ialah sangat kecil untuk sudut dongakan lebih besar 13°,

2. Eksperimen untuk pemerhatian bergerak

466

iaitu sekitar 1 cm atau lebih rendah dan ia boleh diabaikan.
Oleh yang demikian, PWV diperolehi melalui jumlah
kelewatan isyarat akibat kesan kelewatan troposferik dalam
lapisan atmosfera neutral. Dengan kata lain, isyarat GPS
dalam lapisan ini dilewatkan oleh variasi indeks biasan
yang mana bergantung kepada ciri-ciri tekanan, suhu dan
kelembapan wap air. Dengan asas ini, PWV ditentukan
dengan menggunakan kedua-dua isyarat GPS dan data
meteorologi permukaan.
Pemprosesan dan penghitungan PWV GPS antaranya
mengandungi ∆L atau dikenali sebagai kelewatan
troposferik zenit (Zenith Tropospheric Delay, ZTD). ZTD
(dalam meter) dihitung mengikut model Hopield yang
diubahsuai dengan satu penambahbaikan, iaitu (HofmannWellenhof et al. 2001; Suparta et al. 2008):

dijelmakan ke dalam perkiraan PWV dengan menggunakan
suhu permukaan yang diukur pada masing-masing stesen.
Seterusnya, jumlah PWV (dalam mm atau setara dengan
ketinggian wap air dalam kgm-2) sekarang dapat dihitung
dengan menggunakan persamaan:

(6)
dimana parameter tak berdimensi ialah faktor penukaran
yang bergantung kepada perubahan iklim tempatan
antaranya kedudukan lokasi, musim dan cuaca; T ialah
suhu permukaan stesen yang diukur dalam unit Kelvin.
Keseluruhan langkah pemprosesan data dan
penghitungan PWV di atas ditulis dengan Matlab,
yang dipanggil sebagai program wap air troposferik
(Tropospheric water vapour, TroWav). Algoritma
dari TroWav merangkumi pengiraan sudut dongakan
penerima-satelit, ZTD, ZHD, ZWD dan fungsi pemetaan,
keseluruhannya untuk penghitungan PWV. Algoritma
pemprosesan data secara lebih terperinci dijelaskan dalam
Suparta et al. (2008). Data PWV GPS dari hasil pemprosesan
ini tersedia dengan resolusi 1 minit.

(2)
PENENTUAN JUMLAH KANDUNGAN ELEKTRON (TEC)

dan

(3)

dengan
ialah kebiasan di permukaan bumi. Dalam
kajian ini, lapisan atmosfera dipertimbangkan mempunyai
azimut tak simetrik dalam perhitungan ZTD dengan andaian
mengandungi komponen gas tidak ideal. Dalam persamaan
(3), hj (dalam meter) mengandungi hhyd dan hwet, masingmasing ialah ketinggian efektif untuk komponen hidrostatik
dan basah, sudut dongakan ke satelit (θ) diekstrak daripada
data GPS dan RE ialah 6378137 meter. Kelewatan hidrostatik
zenit (Zenith Hydrostatic Delay, ZHD) dalam meter dihitung
menggunakan model Saastamoinen.

(4)
dengan P ialah tekanan permukaan stesen (mbar), ϕ ialah
latitud stesen (darjah) dan h ialah ketinggian stesen di atas
ellipsoid (km). Untuk mengurangkan hinggar akibat siri
masa cerapan yang panjang, fungsi pemetaan basah Niell,
digunakan untuk memetakan persandaran kelewatan zenit
terhadap sudut dongakan satelit. Sekarang jumlah ZTD
vertikal dapat dihitung dengan

Sebagaimana PWV, pengiraan TEC dari data GPS adalah
berasaskan sifat semulajadi ionosfera. Lapisan ini
mempengaruhi halaju dan arah perambatan gelombang
elektromagnet yang dipancarkan oleh satelit GPS pada dua
frekuensi jalur-L (fL1 = 1575.42 MHz dan fL2 = 1227.60
MHz) semasa mereka merentasi kawasan ionosfera. Itulah
sebabnya ionosfera dikenali sebagai medium dispersif.
Perubahan isyarat perambatan satelit kepada penerima
adalah sebanding dengan ketumpatan elektron bebas
terintegrasi sepanjang alur isyarat. Pengukuran jarak
semu isyarat GPS dengan kehadiran ionosfera adalah
meningkat (kelewatan isyarat) dan pengukuran fasapembawa berkurang (keawalan fasa). Selepas kombinasi
linear terbentuk dari pengukuran ini pada frekuensi
L1 dan L2, fasa pembawa
dan jarak semua
TEC mudah diperolehi. Berikut ialah salah satu teknik
untuk menghitung TEC ionosferik sepanjang alur satelitpenerima, TEC condong (Slant TEC) dihitung menggunakan
perbezaan kelewatan masa atau perbezaan keawalan fasa
menggunakan persamaan berikut:

(7)
(5)
Untuk penyelesaian wap air, kelewatan basah zenit
(Zenith Wet Delay, ZWD) dalam meter dihitung dengan
mengurangkan ZHDSAAS daripada ZTDGPS. ZWD kemudian

dengan ΔL1,2 = L1 – L2 ialah beza awalan fasa (dalam
kitaran), ΔP1,2 = P1 – P2 ialah beza ralat jarak semu (dalam
meter), N ialah ketumpatan elektron (dalam meter isipadu)
dan diperolehi daripada indeks biasan ionosfera; n =
1– X/2 ≅ 1 – 40.3 N/f2 dan f ialah frekuensi isyarat radio
(dalam Hz).

467

Untuk memantau ciri-ciri perubahan aktiviti dan
kesan matahari dalam ionosfera, STEC lazim disekutukan
dengan istilah TEC tegak (VTEC) pada titik sub-ionosferik.
Untuk keperluan ini, keseluruhan kesan dari integrasi
ketumpatan elektron sepanjang arah zenit, disifatkan
sebagai sebuah model lapisan tunggal (model kelompang
nipis). Selengkapnya, VTEC daripada isyarat GPS dihitung
berasaskan kaedah Hofmann-Wellenhof et al. (2001) dan
Warnant dan Pottiaux (2000). Langkah pertama kaedah
ini ialah beza ralat jarak (pengukuran kod) dan beza
awalan fasa (pengukuran fasa) daripada kombinasi linear
geometri-bebas dalam persamaan (7) dihitung dengan:

(8)
Kemudian, nyatakan persamaan (8) sebagai fungsi
(Warnant & Pottiaux 2000):

STEC

(9)
Faktor ketaksaan,
dalam persamaan (9) diselesaikan
dengan mengukur fasa untuk tiap-tiap alur satelit dan
dikombinasikan dengan kod geometri-bebas:
(10)
s

dimana Prs (L1) dan Pr (L2) ialah pengukuran P-kod (dalam
meter),
(L1) dan
(L2) ialah pembawa fasa (dalam
kitaran), λ1 ialah panjang gelombang pada frekuensi f1
(meter), Dgr dan Dgs, masing-masing ialah beza kelewatan
kumpulan untuk penerima dan satelit, dan
ialah faktor
ketaksaan dalam kitar. Akhirnya, kesetaraan VTEC bagi
setiap alur satelit daripada persamaan (9) dan (10) dihitung
dengan menggunakan faktor keserongan (HofmannWellenhof et al. 2001):

(11)
dimana χ dan hm, masing-masing adalah faktor keserongan
(setara fungsi pemetaan) dan ketinggian efektif (~400 km),
kedua-duanya diukur pada titik sub-ionosfera. Seterusnya,
penghitungan VTEC (atau untuk ringkasnya TEC) dengan
melibatkan ketak-seragaman fenomena ionosferik
antaranya gangguan pergerakan ionosfera (Traveling
Ionospheric Disturbances, TIDs) dan kesan perubahan
sintilasi, lebih terperinci dapat dilihat dalam Abdul Rashid
et al. (2006). Hasil keseluruhan TEC GPS dalam kajian ini
telah dibetulkan ukurannya menggunakan nilai bias antara
penerima dan satelit daripada NTUS Singapura, diperolehi
menerusi pusat data di Universiti Bern, Switzerland. Semua
nilai-nilai TEC hasil pemprosesan ini tersedia dengan
resolusi 30 saat.

HASIL DAN PERBINCANGAN
VARIASI WAP AIR ATMOSFERIK

Proil harian PWV atmospferik di kawasan UKM Bangi
dalam selang purata 1-minit diplot dalam Rajah 3. Hasil
pemerhatian menunjukkan bahawa nilai-nilai PWV didapati
tinggi dan rendah diantara dua GPS penerima bergantung
kepada lokasi dan kedudukan diantara keduanya. Selain
diakibatkan oleh fenomena cuaca tempatan, dengan jelas
ditunjukkan bahawa kandungan PWV di PPPI adalah rendah
kerana kedudukannya yang tinggi berbanding stesen yang
lain. Manakala di FENG dengan kedudukan kedua-dua
penerima GPS berhampiran, nilai-nilai PWV adalah hampir
serupa. Oleh yang demikian, jelas bahawa corak PWV
yang diperhati diantara dua pengukuran dengan penerima
GPS berbeza di semua stesen mempamerkan keserupaan,
kecuali di BUHE, PWV jatuh agak drastik disebabkan
lokasi topograi yang kompleks. Di stesen ini, penerima
GPS dilingkupi oleh hutan, yang mana telah menghalang
penjejakan isyarat satelit ke penerima. Ini ditunjukkan
dengan bilangan satelit GPS yang diperhati lebih sedikit
berbanding kebiasaannya ~8-10 satelit pada waktu dan
tempat tertentu.
Semua nilai-nilai PWV dalam Rajah 3 diplot untuk
3 hari. Variasi nilai harian PWV di UKM Bangi didapati
relatif tinggi, tak sekata dan bertukar-tukar dari 32
kepada 52 mm. Puncak-puncak PWV yang unik (anomali)
kebanyakannya terekod pada sekitar 08:00 LT dengan
nilai tertinggi bervariasi dari 42 kepada 52 mm. Semua
puncak-puncak (maxima) PWV yang diperhati pada (b),
(c), dua puncak pertama pada (e) dan (f) adalah jelas
disebabkan oleh berlakunya hujan. Walaubagaimanapun,
puncak-puncak PWV pada (a), puncak terakhir pada (e)
dan PWV jatuh mendadak di (c) dan (f) adalah sukar
difahami, malahan keadaan cuaca dan langit pada masa itu
jelas-jelas terang. Di FENG, telah berlaku awan sepanjang
dua hari pertama dengan variasi PWV sederhana dan PWV
kemudiannya meningkat ketara akibat hujan sebagaimana
dipamerkan dalam puncak terakhir graf. Keseluruhan hasil
menunjukkan bahawa tempoh pemantauan cuaca dalam
kajian ini bersamaan waktu dengan musim Monsun Timur
Laut di semenanjung Malaysia, di mana lebih banyak
ribut petir diiringi hujan lebat di atas lautan dan daratan
tropika.
Mekanisma dan keadaan berlakunya hujan dalam
kawasan UKM Bangi boleh jadi bergantung kepada keadaan
geograi dari sebaran daratan-lautan dan keseimbangan
perolakan tenaga antara pemendakan dan kesan pemanasan
permukaan. Selain petir global dan proses pengelektrikan
dalam awan olakan (Price 2000), pengaruh angin Monsun
Timur turut membawa wap air naik ke atmosfera dan
mengagih semula wap air mengikut zon dan meridian.
Pada masa yang sama, penyerapan sinaran terrestrial
daripada awan pada lapisan atas troposfera mengakibatkan
pemanasan dan pengangkutan menjadi perlahan. Interaksi
lapisan atas-bawah atmosfera menggalakkan pembentukan
awan-awan nipis dan awan-awan ini bertambah tegar.

468

3. Proil harian PWV atmosferik di kawasan UKM Bangi, Selangor yang dipantau bermula dari
12 Nov hingga 7 Dis 2007. Garis kelabu menunjukkan hasil pemerhatian di FENG menggunakan
GPS Trimble. Tarikh pemantauan tiap-tiap stesen dimuatkan dalam Jadual 1

RAJAH

Kebanyakan daripada air yang terkondensasi di dalam
awan ini tidak akan jatuh ke bumi sebagai titisan-titisan
hujan kerana turbulens udara yang mengampaikan
awan-awan di atmosfera. Ini adalah pertanda awal yang
menunjukkan bahawa kadar kerpasan tidak sekata dan
seolah-olah berlaku blok-blok hujan akibat keadaan
atmosfera dalam kawasan ini tidak stabil bersyarat, pada
waktu petang dengan keadaan langit yang terang dan angin
tenang, bumi menjadi sejuk begitu cepat. Sebagaimana
ditunjukkan dalam Rajah 3, pagi dan siang hari berlaku
pemeluwapan air permukaan sungai atau lautan akibat
kelembapan atmosfera yang tidak kekal. Udara dipaksa
bergerak naik karena terhalang oleh bangunan tinggi,
bukit atau hutan (awan teraruh dinamik) dan membentuk
berlapis-lapis awan stratokumulus. Itulah sebabnya
hujan turun maksimum pada waktu tertentu seperti siang
hari yang dikenali sebagai hujan perolakan atau kesan
orograi.
VARIASI TEC IONOSFERIK

Fenomena pemendakan menerusi pengukuran PWV sebagai
aktiviti bahagian bawah atmosfera telah dibincangkan.
Dengan kata lain, aktiviti gangguan bahagian atas
atmosfera/plasmasfera atau fenomena Bumi-angkasa
(geospace) yang diwakili oleh TEC akan diperkenalkan.
Gangguan isyarat dalam ionosfera adalah lebih hebat
berbanding bahagian bawah atmosfera. Ini antaranya
disebabkan oleh angin suria, yang mana aliran elektron
dan partikel-partikel terion, terutamanya, pergerakan H+
dan H++ dari Matahari menuju ruang antara planet adalah
bergerak dengan kelajuan supersonik (Scarf 1970). Dalam

keadaan normal, partikel-partikel ini bergerak dengan
kelajuan angin suria antara 300 - 800 km.s-1 dan mencapai
Bumi selepas 2.2 - 5.8 hari (Suess & Tsurutani 2000).
Rajah 4 menunjukan proil harian TEC ionosferik yang
diukur di atas kawasan UKM Bangi dalam selang purata 1
minit. Hasil pemantauan menunjukkan bahawa corak TEC
yang diukur oleh dua penerima GPS di semua stesen adalah
hampir serupa, lebih tinggi pada siang hari dan lebih rendah
pada malam hari dengan nilai bertukar-tukar dari 9 kepada
45 TECU. Ralat purata pengukuran TEC dalam eksperimen
ini ialah sebanyak 1.0 TECU. Proil TEC ionosferik yang
dipamerkan dalam Rajah 4 adalah jumlah pancaran sinaran
Matahari yang berpadanan dengan banyaknya tompok pada
Matahari. Nilai-nilai TEC ini secara sistematiknya bervariasi
mengikut waktu harian, musim, kedudukan geograi dan
dipengaruhi oleh aktiviti suria (geomagnetik). Aktiviti
geomagnetik yang diwakili oleh indeks geomagnetik
planet (Ap dan Kp) dan medan magnetik antara planet
(Interplanetary Magnetic Field, IMF) adalah bersekutu
dengan angin suria. Kp dan Ap masing-masing ialah
indek purata geomagnetik aktiviti dalam julat 3-jam dan
1-hari yang dipantau dari bacaan magnetometer sejagat,
dan kedua-duanya digunakan sebagai penunjuk ribut
geomagnetik yang berpunca dari aktiviti suria. Angin suria
adalah sebuah plasma, gas-gas terion, sebagai penghantar
yang baik dalam menghantarkan tenaga dari Matahari
kepada Bumi dan akan menyebabkan gangguan dalam
medan geomagnetik. Kekuatan ribut angin geomagnetik
yang dinyatakan dengan nilai-nilai Dst (Disturbance
storm time) minimum atau Kp maksimum adalah lebih
lazim digunakan sebagai penunjuk atau pengesan aktiviti

469

RAJAH 4.

Proil harian TEC ionosferik di kawasan UKM Bangi untuk tempoh
pemerhatian bermula dari 12 Nov hingga 7 Dis 2007

geomagnetik. Dst ialah sebuah indek aktiviti geomagnetik
yang diterbitkan dari sebuah rangkaian stesen cerapan
magnet sejagat dekat khatulistiwa yang dikenali sebagai
arus cincin (the ring current). Keamatan Dst diukur dalam
unit nano Tesla (nT).
Telah diperhati bahawa variasi atau corak TEC di
kawasan UKM Bangi sepanjang tempoh pemantauan
adalah relatif normal. Meskipun Dst sama dengan -71
nT, Ap sama dengan 28 dan Kp maksimum sama dengan
6 pada 20 November 2007, tetapi pada waktu ini tiada
dikesan sebarang gangguan ionosferik secara signiikan
seperti ribut geomagnetik, gelembung plasma atau dinamik
daripada gangguan pergerakan ionosferik. Ini ditandai
dengan purata bacaan aktiviti geomagnetik yang direkod
daripada pusat data dunia (World Data Center, WDC) adalah
rendah dengan Kp purata lebih kecil daripada 3 (untuk lebih
terperinci, lihat http://swdcwww.kugi.kyoto-u.ac.jp). Itulah
sebabnya dalam Rajah 4, selain jarak cerapan antara stesen
GPS lebih kecil daripada 30 km, variasi nilai-nilai harian
TEC yang diperhati tidak diperolehi puncak-puncak unik
atau dapat mengesan perubahan TEC secara signiikannya.
Walau bagaimanapun, corak TEC keseluruhannya adalah
maksimum sepanjang petang dan minimum sebelum
Matahari terbit, waktu tempatan. Ini menunjukkan bahawa
variasi harian TEC dalam kawasan ini, dan keganjilan ini
dikenali sebagai “kesan Fountain”. Dengan kata lain,
keamatan radiasi daripada Matahari mempengaruhi
atmosfera Bumi berubah terhadap putaran harian Bumi,
sehingga pengionan paling kuat berlaku pada sebelah siang
Bumi, sebaliknya pada sebelah malam radiasi pengionan
adalah paling lemah.

VARIASI HARIAN

Rajah 5 menunjukkan perubahan harian kedua-dua
PWV dan TEC yang diperhatikan di semua stesen.
Pemplotan variasi harian ini bertujuan untuk memperhati
kemungkinan pengaruh langsung aktiviti suria terhadap
atmosfera bahagian bawah. Di dalam Rajah 5(a), variasi
harian PWV didapati tidak sekata dan memberikan
respon yang sederhana terhadap aktiviti Matahari.
Bagaimanapun, kandungan PWV pada sebelah siang (lihat
garis tebal) mengikut waktu tempatan adalah meningkat
dan membentuk kitaran harian. Ini secara tidak langsung
menunjukkan bahawa Matahari memainkan peranan
penting dalam penghasilan pemendakan maksimum.
Sebaliknya perbezaan ketara antara atmosfera bahagian
atas dengan bahagian bawah adalah jelas terlihat dalam
variasi harian TEC. TEC dengan jelas mempamerkan
variasi kitar harian, minimum sebelum Matahari terbit
(06:00 LT) dan maksimum antara 12:00 dan 16:00 LT.
Untuk keseluruhan stesen, TEC meningkat dengan cepat
bermula minimum pada pagi hari sehingga sekitar 10:00
LT dan kemudian meningkat dengan kelajuan agak
perlahan sebelum mencapai puncak (maksimum) pada
sebelah petang sekitar 16:00 LT, seterusnya minimum dan
membentuk kitaran harian.
Sebagaimana ditunjukkan dalam Rajah 5(b), nilai
TEC yang tinggi dalam kawasan ini sering dikenali
sebagai anomali khatulistiwa (Fedrizzi et al. 2005).
Maksimum TEC di atas garisan ini secara intuitifnya
disebabkan oleh radiasi paling kuat Matahari, di mana
elektron saling berinteraksi dengan medan magnet Bumi
dan menyebabkan pergerakan ion-ion (Langley 2000).

470

(a)
RAJAH

(b)

5. Corak harian proil atmospferik dalam purata 1 jam untuk (a) PWV dan (b) TEC di kawasan UKM Bangi, Selangor.
Garis tebal dalam graf menunjukkan purata kedua-dua nilai PWV dan TEC untuk keseluruhan stesen

Variasi TEC sepanjang alur isyarat bergantung kepada
proses penggabungan semula partikel-partikel termasuk
proses pengangkutan yang berlaku dalam ionosfera.
Proses pengionan dan penggabungan semula bergantung
kepada kelajuan perlanggaran diantara partikel-partikel
yang terlibat, dan bergantung kepada ciri-ciri ketumpatan,
tekanan dan suhu ionosfera. Kedua-dua proses pengionan
dan penggabungan semula ini, masing-masing berlaku
pada sebelah siang (di mana sinaran Matahari meningkat)
dan malam hari (sinaran Matahari lenyap). Itulah
sebabnya kedua-dua proses ini kemudiannya membentuk
kitaran harian (diurnal cycle). Di kawasan khatulistiwa,
nilai-nilai TEC paling tinggi, kecerunan paling kuat dan
gangguan paling hebat berlaku di kawasan antara 30°
Selatan dan Utara geomagnetik khatulistiwa sebagaimana
telah dipaparkan oleh Wanninger (1993). Seterusnya
ialah menarik untuk dikaji, bagaimana menerangkan
mekanisma (proses izikal) pergeseran anomali ini dalam
garisan rabung khatulistiwa merangkumi plasmasfera dan
putaran Faraday menggunakan variasi harian TEC dengan
mempelbagai variasi geograi yang berkemungkinan
besar boleh mengawal variasi PWV atmosferik di seluruh
kawasan khatulistiwa. Proses ini kehadapan adalah
penting ke arah memahami gandingan antara fenomena
bahagian atas atmosfera dengan lapisan bahagian bawah
di kawasan tropika.
KESIMPULAN
Variasi PWV atmosferik dan TEC ionosferik di atas kawasan
UKM Bangi, Selangor telah dimonitor dan dikenal pasti
keciriannya untuk pertama kalinya dengan menggunakan
kaedah penerima GPS Bumi. Kedua-dua proil PWV dan
TEC untuk tempoh pemerhatian bermula dari 12 November
hingga 7 Disember 2007 diukur menggunakan dua jenis
penerima GPS berbeza adalah jelas menunjukkan kitar
harian. Berasaskan purata harian, kandungan PWV dan

adalah tinggi masing-masing dengan nilai ~42 mm
dan ~35 TECU. Kedua-dua variasi PWV dan TEC adalah
didapati meningkat akibat pengaruh aktiviti Matahari.
Walaubagaimanapun, corak dan peningkatan nilai
TEC adalah lebih kuat dipengaruhi oleh aktiviti suria
berbanding PWV. Dapatan proil TEC khususnya semakin
mengukuhkan lagi bahawa aktiviti matahari memainkan
peranan penting dalam proses pemindahan tenaga secara
langsung kepada lapisan ionosfera. Pengunaan TEC sebagai
parameter aktiviti suria, kemudiannya sangat penting
untuk memahami persekaitan antara impaks dwikutub
(Antartika dan Artika) dengan khatulistiwa yang diperhati
secara kuantitatif termasuk gandingan antara perubahan
iklim dengan pelbagai peristiwa suria. Kejayaan kajian
ini akan memberi sumbangan pemahaman lebih lengkap
kepada ciri-ciri perubahan iklim global sekaligus ke arah
penambahbaikan model iklim global yang sedia ada.
TEC

PENGHARGAAN

Pengarang merakamkan terima kasih kepada Institut Sains
Angkasa (ANGKASA), Universiti Kebangsaan Malaysia
(UKM). Penulis pertama, Wayan Suparta telah menerima
pembiayaan feloship pasca doktoral ANGKASA di bawah
geran UKM-OUP-BTT 27/2007. Sistem penerima GPS Leica
dibiaya oleh UKM di bawah peruntukan RMK9, manakala
sistem penerima GPS Trimble dibiayai oleh Akademi Sains
Malaysia. Juga terima kasih kepada En. Azlan dan para
rakan kerja di ANGKASA yang banyak membantu semasa
di lapangan.
RUJUKAN

Abdul Rashid, Z.A., Momani, M.A., Sulaiman, S., Mohd Ali,
M.A., Yatim, B., Fraser, G. & Sato, N. 2006. GPS ionosferik
TEC measurement during the 23rd November 2003 total solar
eclipse at Scott Base Antarctica. J. Atmos. Sol.-Terr Phys.
68(11): 1222-1236.

471

Bevis, M., Businger, S., Herring, T.A., Rocken, C., Anthes, R.A.
& Ware, R.H. 1992. GPS meteorology: Remote sensing
of atmospheric water vapor using the Global Positioning
System. J. Geophys. Res. 97(D14): 15787−15801.
Fedrizzi, M., de Paula, E.R., Kantor, I.J., Langley, R.B.,
Komjathy, A., Batista, I.S. & Kantor, I.J. 2005. Study of the
March 31, 2001 magnetic storm effects on the ionosferik GPS
data. Adv. Space Res. 534–545.
Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H. & Collins, J. 2001.
Global Positioning System: Theory and Practice. Springer
Verlag: 5th revised edition.
Langley, R.B. 2000. GPS, the ionosferae and the solar maximum.
GPS World 11(7): 44-49.
Price, C. 2000. Evidence for link between global lightning and
upper tropospheric water vapour. Nature 406: 290-293.
Rocken, C., Ware, R., Van Hove, T., Solheim, F., Alber, C. &
Johnson, J. 1993. Sensing atmospheric water vapour with
the global positioning system. Geophys. Res. Lett. 20(23):
2631-2634.
Scarf, F.L. 1970. Microscopic structure of solar wind. Space
Science Reviews 11: 234-270.
Suess, S.T. & Tsurutani, B.T. 2000. Solar wind to appear in
Ensclopedia of Atmospheric Sciences. http://trs-new.jpl.
nasa.gov/dspace/bitstream/2014/15128/1/00-1139.pdf. [7
April 2008]
Suparta, W., Abdul Rashid, Z.A., Mohd. Ali, M.A., Yatim, B. &
Fraser, J.G. 2008. Observations of precipitable water vapour
and its responses to the solar activity at Antarctica based on
GPS sensing. J. Atmos. Sol.-Terr Phys. 70: 419-1449.

Wanninger, L. 1993. Effects of the Equatorial ionosferae on GPS.
GPS World 4(7): 48-54.
Warnant, R. & Pottiaux, E. 2000. The increase of the ionosferik
activity as measured by GPS. Earth Planets Space 52:
1055-1060.

Wayan Suparta*, Baharudin Yatim
Institut Sains Angkasa (ANGKASA)
Universiti Kebangsaan Malaysia
43600 UKM, Bangi, Selangor D.E.
Malaysia
Mohd. Alauddin Mohd. Ali
Jabatan Kejuruteraan Elektrik, Elektronik dan Sistem
Fakulti Kejuruteraan & Alam Bina
Universiti Kebangsaan Malaysia
43600 UKM, Bangi, Selangor D.E.
Malaysia
*Pengarang untuk surat-menyurat; email: wayan@ukm.my
Diserahkan: 2 Mei 2008
Diterima:
22 Disember 2008