QBO (Quasi-Biennial Oscillation) Part I

QBO (Quasi-biennial Oscillation)

Analysis by Sandro Lubis 
Undergraduate Student of Institute of Meteorology, Bogor Agricultural Unviersity, Indonesia

IPB 2009

 

Fig 1.  (Upper) Time-height section of the monthly-mean zonal wind component (m s-1), with the seasonal cycle removed, for 1964–1990. Below 31 km, equatorial radiosonde data are used from Canton Island (2.8°N, Jan 1964 to Aug 1967), Gan/Maledive Islands (0.7°S, Sep 1967 to Dec 1975), and Singapore (1.4°N, Jan 1976 to Feb 1990). Above 31 km, rocketsonde data from Kwajalein (8.7°N) and Ascension Island (8.0°S) are shown. The contour interval is 6 m s-1; unshaded between -3 and +3. Red represents positive (westerly) winds. (Lower) Data are filtered to retain periods between 9 and 48 months. (from Baldwin et al. 2001)

Pada awal 1960-an para ahli menemukan adanya variabilitas angin stratosfer yang berada di wilayah ekuator. Osilasi variabilitas ini didominasi oleh angin stratospher  timuran dan  angin stratosfer baratan dalam periode dua tahunan (quasi biennial). Keragaman angin  stratosfer semi dua tahunan ini dikenal sebagai Quasi-Biennial Oscillation. QBO atau quasi-biennial oscillation merupakan bentuk dari variabilitas iklim. Variabilitas iklim adalah variasi secara statistik  pada iklim bumi dalam skala ruang dan waktu yang bersifat sementara diluar gejala cuaca itu sendiri.

QBO merupakan osilasi atmosfer yang jarang diperbincangkan oleh para ilmuwan, karena osilasi ini terjadi pada lapisan tengah atmosphere (lapisan stratosfer) pada frekuensi waktu yang panjang yaitu 1-2 tahun. Beberapa berpendapat bahwa dampaknya fenomena ini (QBO) tidak begitu nyata dirasakan jika dibandingkan dengan variabelitas iklim yang terjadi pada lapisan troposfer seperti MJO, ENSO, IODM, Monsoon, dan sebagainya . Namun sebenarnya, QBO memberikan dampak yang signifikan terhadap variabilitas  iklim di Bumi.

Pada tulisan ini, fenomena QBO akan dibahas secara sederhana yang meliputi teori pembentukan, karakteristik, dan manfaat yang diperoleh dengan mempelajari QBO.

1 Pengertian  QBO

QBO merupakan osilasi atmosfer yang terjadi pada lapisan stratosfer. Osilasi ini ditandai oleh adanya pergerakan angin atau massa udara  ke arah timur dalam satu tahun dan ke arah barat pada tahun berikutnya. Berdasarkan kamus meteorologi, secara umum Oscillation dapat diartikan sebagai variasi berulang (repetitive variation) medan dalam suatu medium. Sebagai ilustrasinya adalah dinamika sederhana pada gerakan bandul. QBO dikenal juga sebagai osilasi stratosfer semi dua tahunan. Karakter dari QBO sendiri dapat diketahui melalui analisis data runtun waktu angin zonal pada lapisan stratosfer di ketinggian 30-50 mb.

2  Penemuan QBO

Penemuan quasi-biennial oscillation berawal dari adanya variasi gerakan angin stratosfer diatas ekuator. Bermula dari  erupsi gunung berapi Krakatau (6 ° S 105 ° E) pada tanggal 27 Agustus 1883, erupsi ini melontarkan debu hingga ke lapisan stratosfer, terbawa di sepanjang ekuator, dan mengelilingi bumi selama 13 hari dengan arah menuju barat. Hal ini yang mendorong ilmuwan untuk percaya bahwa adanya tiupan angin stratosfer di atas ekuator dengan arah menuju barat (timuran). Angin lapisan udara atas ini dikenal dengan angin Timuran Krakatau (Krakatau easterlies).

Pada tahun 1908 Berson meluncurkan ballon sounding pengamatannya ke atas danau Victoria di Afrika dan ia menemukan adanya pergerakan angin dari arah barat (menuju ke timur) pada ketinggian sekitar 15 km (120mb). Angin dari arah barat ini dikenal dengan sebutan Berson’s westerlies.

Hasil observasi yang berlawanan ini akhirnya dipecahkan malalui serangkaian penelitian dan pekerjaan yang dilakukan oleh Reed (1961) dan  Veryard dan Edbon (1961), yang menunjukan bahwa angin di atas ekuator mengalami osilasi arah. Hal ini diindikasikan oleh adanya proses bolak-balik timur dan barat dari angin stratosfer  yang resimnya menurun bersama waktu (merambat vertikal) dalam periode 26-28 bulan.

3 Teori  dan Mekanisme QBO

Holton dan Lindzen adalah orang yang pertama sekali mengusulkan model QBO yang didasarkan pada perambatan gelombang vertikal (Kelvin and Rossby-gravity vawe). Awalnya osilasi perambatan gelombang vertikal ini diduga sebagai efek dari Semi Annual Oscillation (SAO) pada lapisan atas stratosfer yang memegang peranan penting dalam proses QBO. Namun ternyata dugaan ini tidak tepat. Efek ini merupakan karakter dari QBO. Selain itu, mereka mampu menunjukan bahwa meskipun SAO adalah fenomena yang penting, namun SAO tidak berperan sama sekali dalam proses pembentukan QBO. Mekanisme ini lebih jauh dijelaskan oleh Plumb (1977), dalam teorinya ia menunjukan bahwa Jika percepatan maksimum osilasi angin pada QBO terjadi tepat di bawah kecepatan maksimum fase gelombang pembangkit, maka akan menyebabkan percepatan maksimum angin QBO bergeak (merambat) kebawah relatif terhadap waktu. Plumb (1977) juga mengembangkan model simulasi QBO dengan menggunakan dua gelombang gravitas (Gravity waves) with equal and opposite flux and phase speed.

Pada lapisan stratosfer, pengaruh signifikan dari perambatan vertikal gelombang Kelvin dan gelombang gravitasi Rossby sangat besar. Kedua gelombang ini bergerak lebih cepat pada lapisan ini dan merupakan faktor yang sangat penting untuk kesetimbangan momentum pada atmosfer tengah ekuator. Kelvin wave menetukan aliran angin barat dan Rossby-gravity wave menentukan angin timur.  Skala meridional gelombang Kelvin mencapai 1300-1700km dan gelombang gravitasi Rossby mencapai 1000-1500km. Kedua gelombang ini akan memberikan momentum untuk terbentuknya QBO. Ketika momentum mengalami perubahan maka akan timbul gaya yang menggerakan massa udara ( Hk. Newton dan teorema impuls-momentum). Jadi secara garis besar kedua gelombang ini berfungsi sebagai gaya yang menggerakan massa udara. Ini adalah gagasan yang digunakan oleh Plumb untuk menentukan osilasi QBO, bahwa gelombang Kelvin ekuatorial menyediakan momentum angin baratan dan gelombang gravitasi Rossby menyediakan momentum angin timuran yang keduanya akan mengahasilkan osilasi QBO di stratosfer.

Fig 2. Analogi Plumb untuk  konsep Model QBO dalam 6 tingkatan (Plumb, 1977)

Keterangan :

Kita mulai dari panel a, pada ketinggian yang rendah, aliran mean flow baratan (Westerly Jet) menghalangi perambatan gelombang Kelvin ke level yang lebih tinggi sedangkan gelombang  mixed Rossby-gravity masih dapat merambat hingga level ketinggian dimana aliran mean flow timuran maximum (Easterly Max Wind). Kedua gelombang mentransfer (depositing) momentum pada masing2 meanflow menyebabakan lapisan menjadi tidak stabil (unstable). MRG memberikan deposit momentum terhadap perambatan aliran timuran sehingga aliran ini menguat dan angin cenderung bergerak menuju barat (lead to mixes between easterlies– and the westerly jet), sehingga memungkinkan gelombang Kelvin dapat merambat secara vertikal melalui level yang lebih tinggi (panel b).

Gelombang Kelvin, mulai memberikan deposit momentum pada angin baratan di level yang lebih tinggi ( panel c),  ketika momentum yang didepositkan semakin bertambah besar, lapisan ini mengalami ekspansi  dan angin timuran dipaksa (forced) dapa juga bergerak pada level yang lebih rendah (panel d).  Ketika transfer momentum gelombang Kelvin terus beralangsung, massa udara akan cenderung bergerak menuju timur. Hal ini merupakan fase kelbalikan dari siklus QBO (e). Gelombang MRG dapat bergerak menuju lapisan yang lebih tinggi dan siap meyediakan momentum untuk siklus QBO selanjutnya (f).

Secara teoritis kita dapat menyimpulkan gambar di atas bahwa jika momentum perambatan gelombang vertikal meredam ( amplitudo mengecil dan energi melemah) dan gelombang ini searah dengan distribusi angin zonal maka akan terbentuk penguatan angin baratan atau timuran.

Jadi dapat kita simpulkan bahwa QBO terbentuk karena adanya momentum yang dihasilkan oleh kedua gelombang ini. Selain itu untuk terbentuknya QBO dibutuhkan juga energi yang tinggi (konvektif skala besar) untuk digunakan sebagai gaya pendorong kedua gelombang atmosfer tersebut. QBO hanya terjadi di daerah sekitar ekuator karena Kelvin dan Rossby gravity wave hanya akan terbentuk secara kuat di daerah konveksi tinggi yaitu di sekitar ekuator 12o LU/LS. Ekuator ini menyediakan energi yang cukup besar untuk membangkitkan kedua gelombang ini hingga ke lapisan stratosfer. Meskipun daerah subtropik memiliki daerah front atau daerah pembentukan awan tetapi QBO tidak terjadi di daerah ini karena energi yang dihasilkan tidak cukup kuat untuk mengangkat gelombang atmosfer ini ke lapisan atas (stratosfer) untuk menghasilkan osilasi.

4 Karakteristik QBO

Berikut adalah data contoh profile angin, temperature yang diperoleh dari satelit dan data pengukuran balon (sounding) yang dikombinasikan dengan model global atmospheric weather untuk meghasilkan gambaran terbaik dari pergerakan atmosfer. Level teratas pada pengaturan data adalah 0.316 mb (57 km) sehingga membuatnya ideal untuk menangkap fenomena stratosfer.

Berikut adalah tampilan osilasi QBO dari gabungan beberapa data atmosfer. (keterangan gambar dibawah).

100mb

Fig 3. Zonal mean wind as a function of time and latitude at 100mb. [NERC, 2009]

Tampilan QBO berdasarkan lintang pada permukaan tekanan  terutama pada daerah equator. Permulaan arah angin timur dan barat membuat perubahan QBO sendiri dari yang sangat kuat pada ketinggian 10 mb menjadi sangat lemah pada ketinggian 100 mb.

Angin timur ditandai dengan warna kuning hingga biru dan angin barat diwarnai oranye hingga merah. Garis nol ditandai dengan garis hitam tebal dan setiap 5 m/s dilukiskan dengan garis hitam tipis. QBO secara kasar diperlihatkan  antara 10 mb hingga 100mb berdasarkan ketinggian.

Dari gambar di atas (Naujokat, 1986)kita  dapat mendefinisikan karaketrisik QBO diantaranya adalah:

  • QBO merambat secara vertikal (downward) dengan laju 1 km/ bulan
  • Osilasi berbentuk simetri terhadap ekuator dengan amplitudo maksimum rata-rata 20 m/s
  • Periode osilasi adalah antara 20-36 bulan dengan rata-rata sekitar 28 bulan
  • Dimulai dari ketinggian 10 mb menurun hingga ketinggian 100 mb
  • Amplitudo maksimum adalah 40 sampai dengan 50 m/s pada ketinggian 20 mb.
  • Angin dari arah timur umumnya lebih kuat dari arah barat
  • Angin dari arah barat bergerak ke bawah lebih cepat dari pada angin dari arah timur
  • Transisi antara angin dari arah barat dan timur sering tertunda antara ketinggian 30-50 mb
  • Di atas 50 mb, QBO tidak berubah secara drastis tetapi dibawah level ini berubah dengan cepat (rapid attenuation below 23 km).

5  Manfaat Mempelajari QBO

Meskipun fenomena QBO hanya terjadi di lapisan stratosfer namun perannya sangatlah penting dalam dinamika lapisan udara atas, tengah , dan bawah atmosfer. Sebagai contoh pada saat terbentuk siklon tropis maka bagian puncak siklon tersebut yang terdapat di lapisan stratosfer/stratopause akan diredam atau dinetralkan oleh angin osilasi QBO. Contoh lainnya adalah dalam pembuatan model untuk efek monsoon dapat pula digunakan pendekatan data QBO, SST dan ENSO karena sirkulasi udara bawah juga dipengaruhi oleh udara atas (adanya gerakan vertikal). Berikut adalah beberapa manfaat dari mempelajari karakter QBO yaitu:

  1. Fase QBO akan mempengaruhi Hurricane di Atlantik dan luas penggunaannya dalam peramalan Hurricane. Peningkatan aktifitas Huricane terjadi karena angin barat atau zona anomali angin (positif), dan akan menurun karena angin timur atau zona anomali angin negatif.
  2. Adanya korelasi yang baik antara QBO  dengan SST dan ENSO dalam assessment efek moonson.
  3. Frekuensi siklon tropis meningkat di Pasifik Utara selama terbentuknya fase angin barat QBO. Namun aktifitas pada basin India Tenggara meningkat selama fase angin timur QBO.
  4. Prediksi ENSO dengan menggunakan anomali angin pada ketinggian 30 mb dan 50 mb (stratosfer), sangat bermanfaat untuk menentukan magnitude dan waktu terjadinya ENSO.
  5. QBO mempengaruhi pola curah regional sehingga sering diperhitungkan dalam regional forecast.
  6. Analisis distribusi Aerosol.  Kehilangan muatan aerosol hasil erupsi gunung berapi bergantung pada fase QBO.
  7. Kombinasi QBO dengan SO dan 40-50 hari MJO dapat digunakan untuk peramalan iklim jangka panjang.

6 Formulasi QBO

Untuk memahami proses QBO kita harus mengerti konsep perhitungan gelombang Kelvin dan Rossby juga konsep angin perhitungan angin termal .Karena formulasi QBO diturunkan dari persamaan diatas.  QBO merupakan fenomena yang terjadi di atmosfer ekuator, jadi formulasi QBO disesuaikan dengan konsep equatorial atmospheric dynamic.

Pendekatan sederhana dibawah ini dapat digunakan untuk menghitung laju perubahan aliran mean flow terhadapa ketinggian pada saat terjadinya QBO.

β y (δū / δz)= -RH -1 (δT / δy)

Untuk ekuator yang simetri δT / δy adalah 0 di  y= 0 , dan dengan aturan L’Hospital kesetimbangan  angin termal di ekuator memiliki bentuk:

δū / δz = -R(H β)-12T / δy2)

Persamaan ini dapat digunakan untuk memperkirakan besarnya gangguan temperatur QBO di ekuator. Artinya kita dapat menggunkan persamaan di atas untuk menghitung laju pergerakan osilasi QBO terhadapat suhu rata-rata atmosfer.

Pada QBO kita juga mengetahui bahwa kecepatan angin timur lebih besar dari angin barat karena kecepatan sudut yang dihasilkan angin timur > dari angin barat. Sesuai persamaan dasar fisika berikut:

L= I α

= (m r2) α

= (m r2)  V/r

= m V r……………….V adalah kecepatan sudut terhadap sumbu bumi,

Artinya jika V menigkat maka L juga akan meningkat dan I= Inersia juga mempengaruhi nilai L yang adalah momentum.

Keterangan: β= df/dy variasi parameter coriolis dengan lintang atau merupakan formulasi dari (2Ω) / a dimana a adalah radius bumi dan Ω adalah kecepatan angular bumi.

y= jarak menuju utara

ū= kecepatan  komponen x menuju timur barat

z= jarak menuju ke atas

R= Vektor dalam taraf arah ekuator dari aksis rotasi ke titik muka   bumi

H= Skala ketinggian

T= temperatur rata-rata

Read Also:

QBO (Quasi-Biennial Oscillation) Part II

-Sandro Lubis-

~ by sandrolubis on October 16, 2009.

8 Responses to “QBO (Quasi-Biennial Oscillation) Part I”

  1. makasiiihh bang, buat tugas bikin slide nih

  2. […] QBO (Quasi-Biennial Oscillation) Part I […]

  3. terima kasih materinya, kebetulan lagi nyari bahan QBO bwt tugas Meteo Dinamis.

  4. wah..maksih buat materinya,,😉

  5. Bagus banger

  6. Thanks buat postingannya ya bang.
    buat UTS Klimtrop nih
    hehehehe

  7. ok dek, tulisan ini sudah lama bgt saya buat waktu sem 4 dulu..hehe ya agak sibuk saja sekarang..ok2 GBU

  8. postingnya di update lagi ya ka..
    semangat buat skripsinya.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

 
%d bloggers like this: