Interaksi Mikrofisika Awan dan Konveksi Kumulus dalam model GCM

Interaction between Cloud Microphysics and Cumulus Convection in a General Circulation Model

Laura D. Fowler and David A. Randall

(Journal of the Atmospheric Sciences, 2002)

Direview oleh

Andi S. Muttaqin (22412004)

Riza Adriat (22412008)

MK. Mikrofisika Awan dan Hujan

Sains Kebumian

2013

POKOK BAHASAN

Pengaruh Sirkulasi Umum Atmosfer

Pengaruh terhadap Konveksi

Percobaan Sensitivitas

Model Awan Kumulus

Persamaan Budget Skala-Besar

Pendahuluan

Pengaruh terhadap Proses Skala-Besar

Kesimpulan

PENDAHULUAN

Beberapa dekade terakhir parameterisasi dari moist proses dalam GCMdifokuskan dalam pengembangan interaksi realistik antara awan konvektifdan awan stratiform.

Banyak usaha yang dilakukan untuk membuat persamaan prognostik yangdigunakan dalam menggambarkan perkembangan spasial dan temporaldari uap air yang digunakan sebagai parameterisasi konveksi untukmerepresentasikan formasi awan yang disebabkan oleh konveksi.

Tiedke (1993) menyatakan bahwa : “representasi formasi awan oleh konveksi lebih mudah jika konveksi kumulus diparameterisasi menggunakan skema flux massa”.

Colorado State University (CSU) General Circulation Model (GCM) menggunakanparameterisasi konveksi yang berbasis AS74 (Arakawa and Schubert, 1974) danmodel awan Lord (1978) yang telah dimodifikasi.

http://www.egu.eu/awards-medals/vilhelm-bjerknes/2010/akio-arakawa/

Akio Arakawa

http://schubert.atmos.colostate.edu/personnel/schubert.jpg

Schuberthttp://www.ametsoc.org/boardpges/cwce/docs/profiles/LordStephenJ/profile.html

Lord

http://www.egu.eu/awards-medals/vilhelm-bjerknes/2010/akio-arakawa/

http://www.ametsoc.org/boardpges/cwce/docs/profiles/LordStephenJ/profile.html

Tujuan dari studi ini adalah untuk mendapatkanlangkah awal dalam menggambarkan konvektifdan proses mikrofisika awan dan hujan skala besardengan sebuah parametererisasi tunggal denganharapan mendapatkan parameterisasi yang lebihrealistik untuk interaksi antara awan konvektif danawan stratiform.

Selain itu kajian ini fokus terhadap sensitivitas dari model CSU GCM denganmemperbolehkan adanya salju konvektif yang terbentuk didalam fase dinginawan kumulus. Parameterisasi yang baru dibentuk disebut “EAUCUP”.

Aspek mikrofisika dari parameterisasi konveksi yang digunakan dalam model - modeliklim masih belum terlalu diperhatikan (Emanuel and Pierrehumbert, 1996). Padahalkandungan uap air atmosfer sangat bergantung pada proses mikrofisika di dalamkonvektif dan awan stratiform.

http://kamusmeteorology.blogspot.com

http://kamusmeteorology.blogspot.com/

Gambar 1. menunjukkan dua awan skala besar yang dibentuk dari prosesdetrainment pada masing-masing puncaknya.

Dimana E adalah Entrainment yang merepresentasikan laju massa yang masuk darilingkungan baik yang bebas awan maupun berawan kedalam konvektif updraft. Jikalingkungan adalah bebas awan, hanya moist statik energi dan uap air yangmengalami entrainment. Sedangkan apabila lingkungan berawan maka moist statikenergy, uap air, cloud water dan cloud ice.

Detrainment merepresentasikan penyebaran massa pada puncak konvektif updraftdilambangkan D.

Cloud water dan cloud ice yangmengalami detrainment bertindaksebagai sumber dari cloud water dancloud ice untuk parameterisasimikrofisika awan skala besar(EAULIQ).




Model Awan Kumulus

Pendahuluan


Kesimpulan


Persamaan kontinuitas pada permukaan sigma untuk konvektif, kondensasi skala besar dan proses radiatif, bisa ditulis :

vq = mixing ratio uap air skala besar= mixing rasio cloud water skala besar= mixing rasio cloud ice skala besar= mixing rasio rain skala besar= mixing rasio snow skala besar= laju perubahan didalam konveksi updraft= kecenderungan proses kondensasi

cq

iq

rq

sq

xxxxxx

SLSPqwgSCUPqqVqt

'*** '

.....(1)

xSLSPxSCUP

= operator divergen di permukaan = skala tekanan= vektor angin horizontal = kecepatan vertikal skala besar= energi statis kering skala besar= kecenderungan proses radiasi gelombang panjang dan pendek

*V

TTT

SRADSLSPswgSCUPssVst

''***

s

.....(2)

TSRAD

Transpor vertikal eddy dari spesies air dari awan kumulus untuk tipe awan tunggal dan energi statis kering masing-masing dapat ditunjukkan dengan

xxccx

qqMqw ''

vcq = mixing rasio uap air di dalam awan

= mixing rasio cloud water di dalam awan= mixing rasio cloud ice di dalam awan= mixing rasio rain di dalam awan= mixing rasio snow di dalam awan= flux massa konvektif= energi statis kering di dalam awan

ccq

icq

rcq

scq

cM

cs

ssMswcc''

.....(3)

.....(4)

Profil vertikal flux massa η(λ) yang digunakan didalam AS74 yang awalnya eksponensial dalam kajian ini diganti oleh profil linier :

untuk

dimana z = ketinggian updraft kumulus= tinggi dasar awan= level detrainment dari masing-masing awan kumulus= jumlah entrainment pada puncak awan

TOPB

zzz 1,

DB

zzz

Bz

Dz

TOP

.....(7)

Konveksi tidak dibatasi hanya dimulai dari puncak Planetary Boundary Layer (PBL),tapi juga dimungkinkan mulai terjadi pada semua level di troposfer bebas

Flux massa konvektif diperoleh menggunakan persamaan ini :

Bc

MzzM ,, .....(8)

= flux massa dasar awan= Profil vertikal flux massa= laju entrainment fraksional

BM

,z

Persamaan untuk mencari energi kinetik vertikal kumulus adalah :

D

B

KAMK

dt

d .....(5)

K

BM

D

Dimana, = laju entrainment fraksional= integrasi vertikal energi kinetik kumulus= flux massa dasar awan= skala waktu disipasi= fungsi kerja awan

Kemudian diasumsikan

dimana α adalah faktor konversi yang menghubungkan flux massa dasar awankumulus dengan energi kinetik kumulus.

2

BMK .....(6)

A




Model Awan Kumulus


Pendahuluan


Kesimpulan

Lord (1978) mengasumsikan untuk tiap tipe awan konvergensi flux dari total air (uapair ditambah cloud water dan cloud ice) bergantung pada entrainment total darilingkungan dan detrainment total pada puncak konvektif updraft dan produksihujan.

Lord (1978) mengasumsikan cloud water dan cloudice skala besar adalah nol maka entrainment totaldari lingkungan akan mengurangi: uap air, cloudwater dan cloud ice di dalam awan, sehinggadetrainment pada puncak awan dengan seketikamengalami evaporasi.

Lord juga mengasumsikan fraksi air yang dibentuk dari konvektif updraft adalahsupercooled jadi akan meningkatkan produksi cloud ice. Fraksi air supercooledtersebut bergantung dengan temperatur didalam awan dan jumlah air didalamawan. Fraksi sisa dari cloud water itu terkonveksi menjadi hujan, yang akan jatuhseketika ke permukaan.

Kehadiran EAUCUP dan EAULIQ memungkinkan entrainment, tidak hanya uap airskala besar tapi juga cloud water dan cloud ice skala besar masuk kedalam konvektifupdraft. Ini juga diikuti detrainment tidak hanya dari konvektif uap air tapi jugakonvektif cloud water dan cloud ice yang membentuk anvil skala besar.

Ketika uap air, cloud water dan cloud ice naik keatas menuju puncak awan, disiniterjadi proses mikrofisika. Cloud water dan cloud ice yang berlebihan keluar dalambentuk hujan konvektif atau salju konvektif. EAUCUP mengizinkan adanya fraksikandungan es di dalam awan yang akan menjadi presipitasi dalam bentuk saljukonvektif.

Kemudian dihitung secara terpisah profil vertikal dari uap air, cloud water dan cloud ice menggunakan :

xcxxc

CUPqqzz

, .....(9)

Didefinisikan energi statis kering sebagai : s

gzTcsp

= temperatur skala besar= ketinggian geopotensial= kelembaban spesifik udara kering

Tgz

pc

.....(10)

dan menunjukkan energi statis virtual skala besar dan generalisasi moist static energy, didefinisikan :

vs h

sircvpv

qqqqqTcss 608.0 dan

sifvc

qqLqLsh

= Panas laten kondensasi= Panas laten fusi

cL

fL

.....(11)

.....(12)

KetikaL diinterpolasi linier sebagai fungsi

dan . Ketika temperaturberada di ambang batas,ditetapkan konsistensi digunakanparameterisasi mikrofisika awanskala besar (Fowler,1996).

CTC 020

cLsL

Didefinisikan dan sebagai saturation moist static energi dan saturationmixing ratio. Dimana : ,

adalah saturation mixing ratio yang berhubungan dengan dengan air ketikadan ketika .

Pada temperature diantara , saturasi uap air diperoleh dariinterpolasi linear antara saturasi tekanan uap dengan hubungan antara air dan es.

dihitung menggunakan , dan L menjadi ketika dan menjadipanas laten sublimasi ketika

sh vsq

vsq

CT 0CTC 020 )(Te

s

vsq

cL CT 0

sL

)(Tes

vspsqLTch .....(13)

CT 20

CT 20

Di dasar dari konvektif updraft diasumsikan :

0======

scrciic

cccvvcc

qqqqqqqqhh

;;;; .....(14)

BiK

kkickBiK

ickzz

hzhzzh

,2/1

,2/1,2/1

,2/11

1

dan

xc

BiK

xkkixckBiK

ixck SCUPzz

qzqzzq

,2/1

,2/1,2/1

,2/11

1

.....(15)

.....(16)

Normalisasi flux massa dilakukan pendekatan dengan :

kkickBiKickBiK hzhzzhzz ,2/1,2/1,2/1,2/1 11

xcxkkixckBiKixckBiK SCUPqzqzzqzz ,2/1,2/1,2/1,2/1 11

Temperatur di dalam awan dapat dituliskan

scicfc

p

cqqLhh

cTT

1

11.....(20)

1

vscvc

vc

qqdq

Mixing ratio saturasi dihitung dengan pendekatan deret Taylor yaitu :

scicfsc

c

vsvsqqLhh

Lqq

1

1

Dimana

P

vs

T

q

.....(19)

.....(18)

.....(17)

Laju perubahan mixing rasio :

Berikutnya akan dibagi jumlah dari air kondensat yang terbentuk didalam konvektifupdraft menjadi cloud water dan cloud ice sebagai fungsi ,kemudiandiperolehlah parameterisasi dari mikrofisika awan skala besar (Fowler et al,1996)

vcdq ccdq icdqcT

Diasumsikan

dimana didefinisikan :

jadi untuk dan, untuk Didalam persamaan diatas adalah temperatur beku dan batas terendah untuk supercooled cloud water

vcccdqdq

vcic

dqdq 1

000

00

TT

TTc

0 00TTc 1 0TTc

0T CT 00

00T CT 2000

.....(22)

.....(21)

.....(23)

Jumlah air dan es di dalam awan yang berubah menjadi hujan dihitung dengan asumsi laju perubahan konversi adalah

zc

zcP

0

0

1

= ketebalan lapisan updraft= 2 x 10-3 m-1

0cz

.....(24)

vccc

dqPdq 1

vcic

dqPdq 11

vcrcdqPdq

vcsc

dqPdq 1

.....(27)

.....(26)

.....(25)

.....(28)

Setelah terjadi hujan




Model Awan Kumulus


Pendahuluan


Kesimpulan

Sebelumnya deskripsi dari model parameterisasi AS74 menjelaskan bahwahujan konvektif diasumsikan seketika jatuh ke tanah sedangkan asumsialternatif (EAUCUP) yang dibuat pada kajian ini adalah denganmemperhatikkan salju yang terbentuk pada konvektif updraft.

Disini akan diinvestigasi sensitivitas siklus hidrologi dan sirkulasi umumatmosfer untuk mendapatkan asumsi alternatif di dalam tiga percobaanberikut :1. Detsnow2. Fallout3. Fallin

Disini tidak ada proses kehilangan salju baik diluar maupun didalam updraft ataumendapat tambahan salju dari entrainment dari pinggir updraft, didalam awanmoist static energy dipertahankan selama pertumbuhan awan.

Asumsi salju tersebut tumbuh dipuncak awan tanpa presipitasi,ini sungguh ekstreme namuntidak sepenuhnya tidak beralasansejak kita ketahui kecepatanterminal dari salju padaumumnya lebih kecil darikecepatan vertikal updraft jadisalju tersebut akan tertekankeatas menuju puncak awan.

Pada percobaan ini diasumsikan semua salju naik dan mengalami detrainmentpada puncak updraft. Salju yang mengalami detrainment digunakan sebagaisumber parameterisasi mikrofisika awan skala besar

scsc

CUPqzz

, = konversi cloud ice menjadi salju

scCUP

DETSNOW

Disini diasumsikan suatu bentuk dimana salju konvektif dengan seketika jatuhkeluar dari konvektif updraft dimana salju tersebut menjadi sumber dari saljuuntuk mikrofisika awan skala besar.

Suatu yang berbeda dengan Detsnow yang mana didalam awan moist staticenerginya dipertahankan. Fallout meningkatkan moist static energi didalamawan ketika kehilangan salju selama pertumbuhan updraft.

0' '

s

qw

FALLOUT

Pada percobaan terakhir salju konvektif diasumsikan jatuh seketika ke dasar updraft.Dibawah dari dasar awan konvektif presipitasi salju mungkin menguap atau mencair.Jika temperatur dasar awan lebih hangat dari es, salju akan mencair dan menjadihujan konvektif yang akan jatuh seketika ke permukaan.

Sama dengan fallout, disini tidak ada transpor vertikal dari sirkulasi konvektif dandidalam awan moist static energi meningkat.

FALLIN

Detsnow dan Fallin adalah simulasi yangmemiliki batas ekstrem dari formasi danpresipitasi hujan dan salju didalam konvektifupdraft yang sebenarnya. Asumsi salju tersebutmenjadi ekstrem karena detrainment tanpapresipitasi atau hujan tanpa evaporasi sepertitidak realistik.

Meskipun demikian ini dapat membantu untukpenyelidikan terhadap sensitivitas dari simulasisiklus hidrologi oleh CSU GCM dibawah asumsiyang ekstrem.

a) Simulasi kolom-tunggalb) Presipitasi

c) Kecenderungan konvektifPengaruh terhadap Sirkulasi Umum Atmosfer



Model Awan Kumulus


Pendahuluan


Kesimpulan

Sumber: www.cs.toronto.edu

a) Simulasi Kolom-Tunggal

Sebelum menerapkan pada model GCM, parameterisasi EAUCUP diuji terlebih dahulu menggunakan versi model kolom-tunggal dalam CSU GCM (SCM).

Salah satu masukan SCM adalahkecenderungan advektif total yang didapatdari observasi.

Observasi dilakukan pada Periode ObservasiIntensif (IOP) Juli 1995 di Southern Great Plains(SGP) di bawah proyek Atmospheric RadiationMeasurement (ARM) (Stokes dan Schwartz,1994).

IOP berlangsung selama 18 hari, bermula00.00 UTC 18 Juli 1995 hingga 23.00 UTC pada4 Agustus 1995.Sumber: http://library.ndsu.edu/

SCM merupakan model yang berguna untukmenguji parameterisasi yang dikembangkanuntuk digunakan dalam model-model skala besar(Randall et al, 1996).

ARM Climate Research Facility

o Kecenderungan advektif (temperaturdan uap air) ditentukanmenggunakan metode Revealed forcing (Randall dan Cripe, 1999).

Penentuan Kecenderungan Advektif(Randall dan Cripe, 1999)

Revealed forcing

Horizontal advective

forcing

Relaxation forcing

Top of the prognostic PBL

Too

WA

RM To

o D

RY

Perbed

aanan

taraFA

LLIN d

anD

ETSNO

W: kecil

b) Presipitasi

Global meanJanuary

DETSNOW FALLOUT FALLIN

Cumulus precip.

0.81 0.75 1.33

Large-scale precip.

2.15 2.17 1.62

Total precip. 2.96 2.92 2.95

Cumulus incidence (%)

24.3 23.8 22.3

Global meanJuly


Cumulus precip.

0.93 0.87 1.49

Large-scale precip.

2.22 2.25 1.66

Total precip. 3.15 3.12 3.15

Cumulus incidence (%)

26.8 26.4 24.7

Table 1. Global means of cumulus, large-scale,total precipitations, and cumulusincidence simulated by DETSNOW,FALLOUT, and FALLIN. Units aremillimeter per day for precipitation, andpercent for cumulus incidence.

25%

45%

75%

55%

Tujuan dari TRMM adalah menyediakan estimasiglobal dari presipitasi kumulus dan skala-besar(Kummerow et al, 1998, Simpson et al, 1996).

Partisi antara hujan konvektif dan skala-besardapat dilakukan dengan dua cara, yaitu:1. Brightness temperature (TRMM Microwave

Imager, TMI)2. Reflectivity (Precipitation Radar, PR)

Gambar 10 menunjukkan data TRMM PR versi 5yang dirata-rata antara Desember 1999 hinggaFebruari 2000.

Total > (Convective + Stratiform) + Warm Rain

c) Kecenderungan Konvektif

xxxxxx

SLSPqwgSCUPqqVqt

'*** '

TTT

SRADSLSPswgSCUPssVst

''***

Heating

Moist static energy

Cloud ice +salju

Uap air

Pengaruh terhadap Sirkulasi Umum Atmosfer



Model Awan Kumulus


Pendahuluan


Kesimpulan

Seperti telah dijelaskan pada Bab 3 (Model Awan Kumulus), terdapat dua carainteraksi antara proses EAUCUP dan EAULIQ.

EAUCUP memodifikasi EAULIQ

EAULIQ memodifikasiEAUCUP

• Cloud water• Cloud ice• Snow

• Cloud water• Cloud ice• Snow

Large-scale

Selanjutnya akan dikaji mengenai kecenderungan skala besar dari temperatur(large-scale heating rate), uap air (large-scale moistening rate), dan cloud ice + snow, untuk simulasi DETSNOW, FALLOUT, dan FALLIN.

Convective Heating Large-scale Cooling

Convective Drying Large-scale Moistening

Convective Moistening Large-scale Warming




Model Awan Kumulus


Pendahuluan


Kesimpulan

Table 2. Global mean of vertically integrated cloud fraction (%), TOA outgoing longwave radiation, and planetary albedo (%)

Global meanJanuary


Cloudfraction (%)

83.3 81.5 78.4

OLR 207.2 209.3 214.0

Planetary albedo (%)

35.9 34.9 32.8

Global meanJuly


Cloudfraction (%)

78.6 76.5 73.6

OLR 216.0 218.3 222.5

Planetary albedo (%)

34.9 34.6 32.8

Pada bagian ini, akan dibahas pengaruh EAUCUP terhadap sirkulasi umum atmosfer.

Merubah kecenderungan cloud ice dan salju dari EAUCUP dan EAULIC akan secaralangsung mempengaruhi distribusi vertikal dari laju pemanasan gelombang panjangdan pendek melalui perubahan keawanan troposfer-atas di antara tiga eksperimeniklim.

Warming below cloud-base

Cooling above cloud-top

Net Warming

Net Cooling

Perbedaan hasilsimulasi terbesar

Iklim: lebih basah Iklim:

lebih dingin

Too cold

Too Warm

UnrealisticallyStrong westerly jet




Model Awan Kumulus


Pendahuluan


Kesimpulan

Di dalam skema parameterisasi EAUCUP,penulis telah mengambil langkah awal kearah peningkatan simulasi interaksi antaraproses skala-besar dan konvektif denganmembiarkan cloud water dan cloude iceskala-besar dapat masuk (entrained) kedalam updraft konvektif.

Unsur kunci untuk meningkatkan interaksi antara proseskonvektif dan proses-proses skala-besar (khususnya melaluiproses pembentukan anvil skala-besar) adalah: Menyertakan proses mikrofisika awan dan presipitasi yang sudah

ditingkatkan (improved) ke dalam parameterisasi konveksi.

Proses subsidensi dari cloud water, cloud ice, dan snow skala-besardimasukkan ke dalam perhitungan dari kecenderungan konvektif.

Selanjutnya, penulis menyelidiki bagaiman perlakuan terhadap saljumengubah iklim dari model CSU GCM dengan membiarkan salju tersebar dipuncak awan, atau jatuh seketika di dalam atau di luar updraft konvektif.

Penulis juga telah mengambil langkah awal ke arah peningkatan prosespresipitasi dengan membiarkan fraksi dari cloud ice (yang terbentuk dalamupdraft konvektif) untuk menjadi salju, sebagai pengganti dari proses yang hanya membiarkan semua cloud ice tersebar (detrained) di puncak awan.

o Hasil yang didapat dalam kajian ini mendukungkesimpulan dari Emanuel dan Pierrehumbert(1996) dan Emanuel dan Zivkovic-Rothman(1999) bahwa skema konveksi kumulus yangdigunakan di dalam model-model iklim harusmenggambarkan proses mikrofisik daripembentukan presipitasi secara lebih detail,khususnya untuk fase (awan) dingin.

o Pentingnya parameterisasi yang tepat dari fraksiair terkondensasi yang menjadi presipitasi atautersebar (detrained) pada puncak awanditekankan dari hasil simulasi yang menunjukkanperbedaan suhu dan RH (rata-rata zonal) antaraFALLOUT dan DETSNOW dan antara FALLIN danDETSNOW.

o Hasil utama yang didapat dalam kajian inimenunjukkan bahwa iklim yang disimulasikandengan model CSU GCM sangat sensitif terhadapperlakuan dari presipitasi untuk fase es.

o Penurunan presipitasi konvektif menghasilkan iklim yang lebih lembab namun lebihdingin, seperti dalam perlakuan DETSNOW.

o Penulis mengusulkan bahwa perbedaan skala-waktu antara parameterisasi konveksidan kondensasi skala-besar, dan jumlah dari kondensat yang tersebar (detrained)pada puncak updraft relatif terhadap jumlah yang menjadi presipitasi ke permukaanmenjelaskan perbedaan utama antara FALLIN dan DETSNOW.

Steve Platnick, NASA

o Entrainment dari cloud water dan cloud iceskala-besar ke dalam updraft konvektifmensimulasikan pertukaran massa antaraawan stratiform dan konvektif di dalamsebuah kotak grid model.

o Perbaikan parameterisasai mikrofisika awan skala-besar (EAULIQ) yang saat inidigunakan dengan parameterisasi lain yang memasukan persamaan prognostikuntuk fraksi awan horizontal akan membantu menghasilkan simulasi OLR danalbedo planeter di puncak atmosfer (TOA) lebih dekat dengan nilai observasi.

o Menggunakan paramaeterisasi EAUCUP sebagai titik awal, beberapa hal dapatdiselidiki. Khususnya, peningkatan interaksi antara proses-proses skala-besar dankonvektif melalui proses entrainment dari uap air, cloud water, dan cloud ice skala-besar ke dalam updraft konvektif, dan subsidensi skala-besar, merupakan salahsatu unsur kunci dari parameterisasi fraksi keawanan(EAULIQNG, Randall dan Fowler 1999).

www2.ucar.edu

Daftar Pustaka

Fowler, L.D., dan Randall, D.A. (2002) : Interactions between cloudmicrophysics and cumulus convection in a GCM, J. of the Atm. Sci.,59, 3074 – 3098 .

Terima Kasih

LAMPIRAN

Fowler et.al. (1996)

Fowler et.al. (1996)