Skema Konveksi dalam Model (macam skema dan pengaruhnya)

1
Skema Konveksi dalam Model(macam skema dan
pengaruhnya)
2
Peran Konveksi di Alam

• Untuk menghasilkan hujan.
• Membawa panas ke atas.
• Menyebarkan uap air.
• Menimbulkan aliran jet.
• Menimbulkan vorteks level menengah.
• Menggerakkan sirkulasi atmosfer skala besar.

3
(No Transcript)
4
(No Transcript)
5
Parameterisasi Konveksi (CP)

• Model iklim harus memperhitungkan efek-efek yang
  bisa ditimbulkan oleh konveksi.
• Karena skala konveksi jauh lebih kecil daripada
  resolusi model iklim, maka model belum mampu
  merepresentasikan proses konveksi secara
  eksplisit dan harus melakukannya lewat
  parameterisasi.

6
Konsep Perancangan CP

• Memperhitungkan perpindahan vertikal dari panas
  laten, yang menggerakkan sirkulasi udara di
  daerah tropis.
• Mengurangi ke-tidak-stabil-an termodinamis,
  sehingga tidak tercipta konveksi skala besar yang
  tidak realistis.
• Skema CP mengurangi ke-tidak-stabil-an tsb.
  Dengan mengatur ulang temperatur dan uap air
  dalam sebuah kolom grid.

7
Esensi Skema CP

• Apa yang memicu konveksi dalam sebuah kolom grid.
• Bagaimana keberadaan konveksi mengubah sounding
  dalam kolom grid tersebut.
• Bagaimana konveksi dan dinamika skala grid
  mempengaruhi satu sama lain.

8
Lima Kelompok Utama Skema CP

• Skema Kuo
• Skema Betts-Miller-Janjic (BMJ)
• Skema Arakawa-Schubert (AS)
• Skema Kain-Fritsch (KF)
• Skema Konveksi Eksplisit

9
Skema Kuo

• Merupakan skema sederhana yang memproduksi hujan
  dan meningkatkan kestabilan statis dengan
  menirukan kenaikan adiabatis basah sebuah parsel.
  Skema ini mendorong profil temperatur dan uap air
  menuju adiabatis basah.
• Skema Kuo digunakan sebagai sebuah pilihan dalam
  banyak model riset dan lokal.
• Proses konveksi dipicu oleh sejumlah CAPE dan
  konvergensi uap air yang terintegrasi dalam kolom
  yang telah melewati nilai batas tertentu.
• Mendorong profil temperatur melewati ketebalan
  awan menuju adiabat basah level rendah. Sebagian
  uap air membasahi sounding, dan sebagian lainnya
  jatuh sebagai hujan.

10
(No Transcript)
11
Keadaan akhir Mendekati profil temperatur dan
uap air agak jenuh adiabatik basah, namun tidak
mencapinya. Ini disebabkan skema berasumsi bahwa
konveksi tidak menempati seluruh kolom grid,
meskipun keadaan akhir terus berembun dan
mendekati adiabatik basah ketika konveksi
bertahan.
12
Skema BMJ

• Skema ini sedikit lebih kompleks daripada skema
  Kuo. Sounding didorong ke arah suatu profil
  referensi pasca konveksi yang telah ditentukan
  sebelumnya, yang diturunkan dari klimatologi.
• Tiga kondisi yang diperlukan untuk memicu
  konveksi
• Paling sedikit ada CAPE yang tersedia
• Ketebalan awan konveksi melebihi suatu harga
  batas
• Sounding basah untuk mengaktifkannya.

13
(No Transcript)
14
Proses Konveksi dalam Skema BMJ

• Mulai dengan sebuah profil referensi, lalu ubah
  sounding awalnya ke arah profil tsb.
• Profil referensi didefinisi-kan oleh titik-titik
  di dasar awan, puncak awan, dan level titik
  beku. Profil referensi berbeda dapat dibentuk dan
  digunakan oleh skema ini sesuai keperluan
  (misalnya untuk musim dan tempat yang berbeda).

15
Dibandingkan dengan sounding awal, sounding
referensi mempunyai jumlah precipitable water
yang berbeda dan sedikit pemanasan atau
pendinginan netto.
16
Keadaan akhir Balik ke profil referensi. Bahkan
dengan forcing model lainnya, output soundings
model sangat menyerupai profil referensi.
Perhatikan bahwa profil temperatur and uap air
dalam awan tidak diubah olah skema CP. Skema ini
tidak mempunyai pendinginan downdraft namun
proses-proses non-CP lainnya (seperti
berkurangnya radiasi matahari yang datang atau
pendinginan evaporatif dari presipitasi model)
mungkin berperan dalam pendinginan level-level
rendah.
17
Skema Arakawa-Schubert

• Merupakan skema yang kompleks. Skema ini
  mengandung efek-efek detrainment uap air dari
  awan konvektif, pemanasan dari subsidensi
  lingkungan, dan stabilisasi konvektif dalam
  kesetimbangan dengan laju de-stabilisasi skala
  besar.
• Untuk memicu konveksi, skema ini memerlukan
  sedikit CAPE lapisan batas.
• Formulasi umum memerlukan adanya de-stabilisasi
  atmosfer skala besar thd waktu. Cara skema ini
  mengkaji proses destabilisasi sangat kompleks
  misalnya, skema ini harus memperhitungkan
  efek-efek entrainment dan awan-awan dengan
  berbagai ketebalan.

18
(No Transcript)
19
Perubahan Konvektif dalam Skema AS

• Perubahan berasal dari proses-proses awan bukan
  dari penyesuaian ke arah suatu keadaan tertentu.
• Kumulus yang mengakar di lapisan batas dengan
  berbagai laju entrainment tinggi berbeda
  diasumsikan ada yang paling tinggi adalah yang
  tanpaentrainment.
• Awan mengalami detrainment pada puncaknya,
  menyebabkan pembasahan dan berpotensial
  mendinginkan atau penambahan kondensasi pada
  level puncak awan.
• Sebagian besar kolom grid column ditempati oleh
  subsidensi kompensasi, yang menyebabkan pemanasan
  dan pengeringan.
• Perubahan lapisan batas berasal dari downdrafts
  konvektif (jika versi skema ini memasukkan
  downdrafts).
• Karena menara konvektif menempati hanya sedikit
  daerah kotak grid, temperatur dan uap air
  internal awan diabaikan dalam memperhitungkan
  efek-efekkonveksi pada variabel-variabel
  forecast.

20
Pada akhirnya semua awan-awan dalam skema AS
yang mengandung downdrafts diasumsikan mempunyai
pucuk seperti awan A. Untuk mudahnya, hal ini
hanya digambarkan untuk awan A.
21
Perubahan konvektif (lanjutan)

• Sifat-sifat updraft awan ditentukan dengan
  menjalankan sebuah model awan 1-dimensi untuk
  awan-awan pada tiap ketinggian. Sifat-sifat awan
  ini digunakan untuk menentukan temperatur, uap
  air, dan jumlah udara awan yang dilepaskan ke
  lingkung-an, jumlah presipitasi yang tersedia
  untuk penguapan ke suatu downdraft (sisanya jatuh
  ke tanah), dan subsidensi lingkungan.
• Selain entrainment, beberapa versi
  memperhitungkan proses-proses mikrofisik dan
  presipitasi, efek-efek shear pada kemi-ringan
  awan dan presipitasi yang jatuh ke bagian sisi
  menjadi sebuah downdraft tak jenuh di luar awan,
  dan detail-detail lainnya. Hydrometeor dapat
  diprediksi dan dimasukkan ke suatu skema PCP yang
  kompleks daripada jatuh langsung.
• Model downdraft, jika digunakan, digerakkan oleh
  presipitasi yang menguap dan membawa udara yang
  telah didinginkan ke lapisan batas.
• Profile awan sangat sensitive terhadap
  fitur-fitur yang ada dalam model awan 1-dimensi
  (bervariasi dengan implementasi skema).

22
(No Transcript)
23
Perubahan konvektif (lanjutan)

• Jumlah udara yang naik lewat tiap lapisan model
  dalam awan ditentukan dengan model awan
  1-dimensi. Subsidensi lingkungan diasumsikan
  menjadi kompensasi bagi gerakan vertikal ini (dan
  bagi gerakan vertikal dalam downdraft konvektif,
  jika digunakan), mengakibatkan pemanasan dan
  biasanya pengeringan di seluruh ketebalan lapisan
  awan. Skema demikian disebut "mass flux schemes."
  
• Perubahan sounding berasal dari efek total thd
  waktu dari awan yang meluruh di bagian puncaknya,
  dari subsidensi lingkungan, dan dari stabilisasi
  lapisan batas dari downdraft konvektif. Berbagai
  efek sebagian saling menutupi, sehingga secara
  keseluruhan hanya sedikit terjadi perubahan.

24
Fluks masa updraft dan downdraft konvektif, dan
subsidensi lingkungandihitung pada tiap level
model (hanya beberapa level ditampilkan).
25
Keadaan Akhir dalam Skema AS

• Perubahan pada keadaan akhir umumnya kecil.
  Setelah skema berjalan, atmosfer masih bisa
  mengalami destabilisasi dengan mudah, misalnya
  oleh adveksi atau sinar matahari yang menyebabkan
  terjadi konveksi lagi.
• Tak ada sounding yang khas sounding bervariasi
  pada tiap kasus, meskipun demikian biasanya
  mempunyai pendinginan lapisan batas dan pemanasan
  troposfer atas yang mengakibatkan stabilisasi
  secara keseluruhan.
• Perubahan keseluruhan yang terlihat pada sounding
  contoh model berasal dari dinamika dan fisika
  model yang me-respond forcing CP dan mungkin
  kelihatan berbeda dengan efek CP sendiri.

26
(No Transcript)
27
Skema Kain Fritsch

• Merupakan sebuah skema kompleks dirancang untuk
  mengatur ulang masa dalam sebuah kolom agar
  CAPEterpakai.
• Kondisi-kondisi yang diperlukan untuk memiicu
  terjadinya konveksi dalam skema in adalah
• Sounding mempunyai CAPE untuk parsel sumber/asal
  dari lapisan level rendah dgn ketebalan 50 to 100
  hPa
• Tudungnya cukup kecil untuk parsel menembusnya
  dengan kecepatan beberapa m/s (sebuah fungsi
  gerakan vertikal skala besar pada LCL)
• Ketabalan awan konvektif melebihi harga ambang

28
(No Transcript)
29
Perubahan Konvektif dalam Skema KF

• Seperti skema AS, perubahan pada sounding berasal
  dari peluruhan awan, subsidensi lingkungan, dan
  downdraft yang digerakkan secara evaporatif yang
  terbuang ke lapisan sumber yang mengalami
  konveksi tsb. Sama seperti skema AS, efek-efek
  ini didasarkan pada sifat-sifat awan yang
  ditentukan dalam sebuah model 1-dimensional.

30
Perubahan Konvektif dalam Skema KF (lanjutan)

• Tidak seperti skema A-S, awan dengan hanya satu
  ketinggian (awan paling tinggi yang diizinkan
  oleh sounding) diasumsikan ada dan berkembang dan
  meluruh pada banyak level. Entrainment
  diasumsikan menghasilkan banyak campuran, bukan
  campuran tunggal antara awan dan lingkungan, yang
  mempunyai sifat-sifat gaya apung yang berbeda dan
  dengan demikian meluruh pada level yang berbeda.
  Hal ini membuat skema KF jauh lebih responsif dan
  sensitif thd sounding yang berbeda-beda daripada
  skema AS. Peluruhan hidrometeor yang lebih
  realistik ke skema PCP kompleks PCP pada
  level-level yang berbeda juga dibolehkan, jika
  modelnya dilengkapi dengan prosedur yang
  memindahkan hidrometeor dari skema CP ke skema
  PCP.

31
(No Transcript)
32
Perubahan Konvektif dalam Skema KF (lanjutan)

• Sepert dalam skema A-S, presipitasi dihasilkan
  dalam model awan, dengan sebagian presipitasi
  menguap pada downdraft dan sebagian langsung
  jatuh sebagai hujan

33
Perubahan Konvektif dalam Skema KF (lanjutan)

• Dua perbedaan utama antara AS dan KF terletak
  pada proses pemicuan konveksi (yang menentukan di
  mana dan kapan konveksi terbentuk) dan hubungan
  ke skala besar (yang menentukan intensitas
  perubahannya). Keduanya mempunyai pendekatan
  fluks masa yang memperhitungkan efek konveksi
  skala grid yang fundamental (peluruhan awan,
  downdraft, dan subsidensi lingkungan). Keduanya
  juga sangat sensitif terhadap parameter-parameter
  yang dipilih oleh pemodel dalam model-model awan
  yang digunakan untuk menghitung efek-efek ini.
• Perubahan sounding merupakan jumlah efek-efek
  subsidensi kompensasi, sumber-sumber awan pada
  level detrainment, dan downdrafts. Efek-efek ini
  diterapkan pada laju tetap (tanpa memperhitungkan
  perubahan lingkungan) selama jangka waktu yang
  ditetapkan sebelumnya yang menggambarkan siklus
  kehidupan sel konvektif.

34
(No Transcript)
35
Keadaan akhir

• Sounding changes occur after source-layer CAPE
  has been depleted during the 30- to 60-minute
  convective cycle.

36
Keadaan Akhir (lanjutan)

• Namun demikian, respon model terhadap pemanasan
  CP dapat menghasilkan pembalikan yang kuat dalam
  kolom dalam jangka waktu tertentu, sehingga
  menghasilkan sounding model yang tak mirip
  perubahan sederhana yang langsung diakibat-kan
  oleh skema tsb. Grafik yang ditampilkan pada
  halaman berikut menunjukkan dua sounding yang
  berasal dari sounding awal yang sama. Sounding
  merah dan hijau dihasilkan oleh satu siklus
  konveksi yang dibentuk oleh hanya skema KF.
  Sounding ungu dan biru adalah profil yang
  dihasilkan setelah beberapa siklus konvektif
  dalam Model Eta menggunakan skema CP KF yang
  menimbulkan pembalikan kuat.
• Tak ada sounding akhir yang khas Tiap sounding
  bervariasi tiap kasus. Namun jika konveksi aktif
  beberapa waktu di wilayah yang sama, model
  cenderung membentuk lapisan jenuh yang tebal
  dengan dasarnya pada level-level rendah.

37
(No Transcript)
38
Skema Konveksi Eksplisit

• Parameterisasi konveksi digunakan dalam
  model-model hidrostatis untuk memperhitungkan
  efek-efek konveksi, karena model yang ada
  sekarang tak dapat menguraikan gerakan konvektif
  secara eksplisit. Namun model-model non
  hidrostatis resolusi tinggi (satu sampai dua km)
  dapat dijalankan tanpa skema CP, sebab jarak
  antar grid cukup kecil untuk mulai menguraikan
  gerakan konvektif. Sebagai contoh, dengan
  resolusi halus seluruh kotak grid dapat terisi
  oleh udara updraft dan berkondensasi sementara
  kotak grid lainnya terisi oleh downdrafts.
• Kopling cepat dan rapat antara dinamika dan skema
  PCP berakibat pada
• Updraft yang cukup kuat untuk mengangkat
  hidrometeor ke level kesetimbangan disimulasikan
  secara eksplisit
• Downdraft dan front angin kencang yang
  mengikutinya disimulasikan secara eksplisit.

39
(No Transcript)
40
Skema Konveksi Eksplisit (lanjutan)

• Hal ini membuat penyebaran panas dan uap air
  lebih realistis daripada ketika menggunakan skema
  CP. Skema ini juga memungkinkan angin dan gerakan
  vertikal diubah oleh konveksi secara langsung.
  Konveksi eksplisit pada akhirnya menyediakan
  sebuah prediksi langsung untuk hujan konvektif.
  (Ingat skema CP hanya dapat memprediksi hujan
  konvektif secara tak langsung sebagai sebuah
  by-product dari menghi-langkan ke-tidak-stabilan
  sehingga hasilnya kurang bagus.)
• Animasi berikut memperlihatkan bagaimana model
  ARPS non-hidrostatis eksperimental menggunakan
  konveksi eksplisit untuk mensimulasikan secara
  realistis sel super tornadoOKC tanggal 3 Mei 1999
  dibandingkan thd pengamatan radar untuk badai
  yang sama.
• Model hidrostatis tidak menggunakan persamaan
  prognostik untuk gerakan vertikal, sehingga efek
  gaya apung hanya dapat dimasukkan secara tak
  langsung. Model non-hidrostatis Memasukkan
  persamaan prognostik untuk gerakan vertikal
  sehingga secara langsung memasukkan proses-proses
  gaya apung dan gangguan tekanan dinamis.

41
Keterbatasan Konveksi Eksplisit

• Konveksi model yang diprediksi secara
  eksplisit masih mempunyai banyak keterbatasan.
  Sebagai contoh,
• Inisiasi konveksi merupakan masalah besar yang
  belum terselesaikan. Model mungkin tak memicu
  konveksi pada tempat dan waktu yang tepat.
  (Simulasi ARPS hanya berhasil ketika awal badai
  dimasukkan ke model sebagai konveksi pertama!)
• Resolusi satu sampai dua km atau lebih halus
  sering diperlukan untuk mensimulasikan struktur
  dan evolusi awan konvektif internal, demikian
  juga dengan inisiasi sel generasi kedua oleh
  front angin kencang. Hal ini berpengaruh pada
  timing, intensitas, dan penyebaran hujan dan
  mempengaruhi awan, temperatur, dan angin arah
  hilir (downstream).
• Pada resolusi satu sampai dua km, sumber daya
  komputer yang sangat besar diperlukan bahkan
  untuk domain wilayah yang kecil.
• Bahkan pada resolusi satu sampai dua km, awan
  konvektif masih sangat kasar dan struktur cuaca
  yang sangat buruk tak dapat diuraikan.

42
Sumberwww.meted.ucar.edu/nwp
TERIMAKASIH