Bab VIII Peramalan Gelombang [PDF]

Citation preview

VIII. Peramalan Gelombang



Setelah mempelajari bab ini, Anda diharapkan dapat: 1. menjelaskan kegunaan peramalan gelombang; 2. menjelaskan peramalan gelombang angin, karakteristik dan mekanisme pembangkitannya; 3. menghitung peramalan gelombang angin untuk laut dalam; 4. menghitung peramalan gelombang angin untuk laut dangkal.



8.1. Gelombang Angin Gelombang angin adalah gelombang yang dibangkitkan oleh angin (wind generated wave). Angin berhembus sejauh jarak seret angin (fetch) dengan kecepatan yang semakin besar dan durasi tertentu yang menyebabkan terjadinya pembangkitan penuh tinggi gelombang yang disebut dengan fully developed sea seperti ditunjukkan pada Gambar 8.1. di bawah ini.



Sumber : Bedard, 2005 Gambar 8.1. Pembangkitan gelombang oleh angin



167



Gelombang di laut dibagi menjadi dua yaitu gelombang sea dan gelombang swell. Gelombang sea adalah perambatan gelombang yang dekat dengan pusat lokasi pembangkitannya dari laut dalam oleh angin. Gelombang swell



adalah



rambatan



gelombang



yang



sudah



jauh



dari



pengaruh



pembangkitannya. Umumnya bentuk gelombang sea besifat acak (random wave), tidak teratur (irregular wave) dan mempunyai spectrum yang lebar. Gelombang swell mempunyai spektrum sempit (narrow spectrum), menyerupai gelombang sinusoidal, lebih seragam (uniform) untuk panjang gelombang L dan periode T. Pada gambar 8.2. di bawah adalah gambaran dari gelombang yang mempunyai spektrum lebar dimana cirinya adalah terdapat puncak di lembah dan lembah di puncak. Konsep dari spektrum lebar makna fisiknya adalah gelombang mempunyai banyak variasi frekuensi gelombang sehingga menimbulkan suatu superposisi gelombang yang acak (irreguler).



Gambar 8.2. Gelombang spektrum lebar Pada gambar 8.3. di bawah adalah gambaran dari gelombang yang mempunyai spektrum sempit dimana cirinya adalah tidak ada puncak di lembah dan tidak ada lembah di puncak. Konsep dari spektrum sempit makna fisiknya adalah gelombang mempunyai sedikit variasi frekuensi gelombang sehingga menimbulkan suatu superposisi gelombang yang lebih teratur (reguler).



Gambar 8.3. Gelombang spektrum Sempit



168



Pada Gambar 8.4. di bawah ini yang menunjukkan perbedaan variasi frekuensi dimana untuk spektrum sempit mempunyai rentang frekuensi yang lebih pendek dan untuk spektrum lebar mempunyai rentang frekuensi yang lebih



Energi



panjang.



Spektrum lebar



Spektrum sempit Frekuensi (f)



Gambar 8.4.a Perbandingan Spektrum Lebar dan Sempit



Sumber: Jeng, 2004 Gambar 8.4.b Perbandingan Spektrum swell 1 dimensi dan 2 dimensi Gambaran gelombang spektrum sempit adalah gelombang swell yang biasanya terjadi jauh dari lokasi pembangkitannya sehingga membentuk gelombang yang teratur (reguler) dan membentuk gelombang puncak panjang (long crest wave) seperti pada Gambar 8.5 di bawah ini.



169



Gambar 8.5. Swell yang membentuk gelombang puncak panjang (long crest wave) (Sumber : Douglass, 2004)



8.2. Pembangkitan Gelombang Angin. Energi angin yang bekerja pada permukaan air laut kemudian mengalami sheltering effect atau efek menyimpan energi oleh air muka laut yang mendorong terjadinya variasi besaran gelombang yang acak (random wave) (Davis and Dolan, 1993).



Sumber : Douglass, 2004 Gambar 8.6. Profil kecepatan angin di permukaan laut yang menimbulkan gelombang akibat adanya tegangan angin



170



Pembangkitan gelombang oleh angin disebabkan oleh tiga faktor utama sebagaimana sudah disebutkan di atas yaitu: a. Kecepatan angin V. b. Lama hembus angin atau durasi angin td c. Jarak seret gelombang, fetch. Kecepatan angin untuk peramalan gelombang biasanya diukur pada ketinggian 10 m dari muka air laut rata-rata (mean sea level). Kecepatan angin diperoleh dari BMG atau dari pengukuran langsung di lapangan. Distribusi kecepatan angin pada arah vertikal sampai ketinggian 100 m (Lihat Gambar 8.7. di bawah ) dapat dihitung dengan rumus berikut:



Uz =



U* ⎡ ⎛ z ⎛ z ⎞ ⎞⎤ ⎢ln ⎜⎜ −ψ s ⎜ ⎟ ⎟⎟⎥ 0.4 ⎣ ⎝ z 0 ⎝ L ⎠ ⎠⎦



(8.1)



dengan U* = kecepatan gesek Z0 = kekasaran permukaan



ψ s = efek stabilitas kolom udara pada kecepatan angin tertentu Geostrophic region 1000 m



Ekman region



100 m Constant shear layer



Gambar 8.7. Distibusi kecepatan angin Definisi fetch atau jarak seret gelombang adalah jarak yang ditempuh oleh gelombang dengan kecepatan dan arah angin yang relatif konstan. Kriteria arah angin konstan adalah masih berada pada kisaran kurang dari 150. Sedangkan



171



kecepatan angin disebut konstan bila berada pada kisaran kurang dari 2.5 m/detik (Triatmadja, 1999). Panjang fetch membatasi waktu yang diperlukan gelombang untuk dapat berkembang meskipun angin terus bertambah kecepatannya, sehingga apabila jarak fetch yang ditempuh gelombang adalah pendek (short distance) maka energi yang ditransfer oleh angin ke permukaan gelombang belum cukup untuk mendorong gelombang untuk tumbuh besar.



8.2.3. Skala Beaufort



Dalam pembangkitan gelombang, angin mempunyai pengaruh yang sangat besar. Kecepatan angin dan sifatnya dapat diprediksi berdasarkan pada skala Beaufort berikut ini. Tabel 8.1. Skala Beaufort dan kecepatan angin Beaufort Number



Wind Speed (knots)



1



WMO Description



0



64



Hurricane



1



World Meteorological Organization, from http://www.crh.noaa.gov/lot/webpage/beaufort/ (28 Aug. 2001)



172



8.3. Peramalan Gelombang



Tinggi dan periode gelombang yang dibangkitkan oleh angin merupakan fungsi dari kecepatan angin U, lama hembus angin/durasi t dan panjang fetch atau jarak tempuh gelombang F yang dapat ditunjukkan dalam gambar berikut ini: U konstan



Hs, Ts



Ts



B



U=0



F t> fetch Limited cg



Hs peluruhan



A



C



pembangkitan duration limited



t < Fmin



O



F cg



F



Gambar 8.8. Hubungan antara H, T, dan F dengan U. Berdasarkan pada Gambar 8.8. terdapat tiga kemungkinan yang dapat terjadi, yaitu: a. jika t ≥ F cg , gelombang akan mengikuti lengkung OAB dan sifatsifat gelombang pada akhir fetch, tergantung pada F dan U. Kondisi ini dinamakan fetch Limited atau dibatasi oleh panjang seret gelombang. b. Jika t ≤ F cg , gelombang akan tumbuh mengikuti OAC. Dalam hal ini t =



F min , disebut sebagai kondisi duration limited atau dibatasi Cg



oleh durasi angin. c. Jika t dan F mempunyai nilai yang sangat besar, garis lengkung OAB



akan menjadi datar dan kondisi ini disebut sebagai kondisi gelombang yang sudah mencapai berkembang penuh sehingga menjadi konstan atau dikenal sebagai Fully Developed Sea (FDS)



173



Sumber: Jeng, 2004 Gambar 8.9. Ilustrasi fully development sea Berdasarkan Shore Protection Manual (SPM) tahun 1984, untuk peramalan gelombang angin, data kecepatan angin yang digunakan dinyatakan dalam faktor tegangan angin (wind stress factor) UA, dan dihitung dengan rumus berikut : UA



= 0,71 U1.23



(8.2)



dengan U adalah kecepatan angin hasil observasi yang harus dikoreksi terhadap beberapa faktor sebagai berikut.



a. Koreksi elevasi pengukuran kecepatan angin



Kecepatan angin untuk peramalan gelombang harus diukur pada elevasi 10 m dari permukaan air diam (Still Water Level). Apabila data kecepatan angin tidak diukur pada elevasi tersebut maka harus dikonversi dengan rumus : 1



⎛ 10 ⎞ 7 U(10) = U(z) ⎜ ⎟ ⎝ z ⎠



dengan



(8.3)



U(10) : kecepatan angin pada elevasi 10 m U(z)



: kecepatan angin pada elevasi z



Z



: elevasi kecepatan angin diukur dari muka air diam



174



b. Koreksi durasi rata-rata kecepatan angin



Data kecepatan angin biasanya di BMG dicatat tiap jam (jam-jaman), sehingga data yang diperoleh merupakan kecepatan angin ekstrim dalam satu jam tersebut. Untuk peramalan gelombang, diperlukan kecepatan angin dengan durasi rata-rata 1 jam (3600 detik) sehingga perlu dikoreksi dengan rumus: untuk 1 < ti < 3600 ⎛ Ui = 1.277 + 0.296 tanh ⎜⎜ 0.9 log 10 U 3600 ⎝



⎛ 45 ⎞ ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎟ ⎟ ⎝ ti ⎠ ⎠



(8.4)



untuk 3600 < ti < 36000 Ui = -0.15 log t i + 1.5334 U 3600



dengan ti



(8.5)



: durasi angin yang ditentukan berdasarkan grafik fungsi kecepatan angin atau dapat dihitung dengan rumus :



ti =



1609 (detik) Ui



(8.6)



dengan Ui



: kecepatan angin hasil observasi



U3600 : Kecepatan angin dengan durasi rata-rata 1 jam



c. Koreksi perbedaan temperatur udara dan air Koreksi atas perbedaan suhu antara udara dan air tidak perlu dilakukan jika perbedaan suhu yang terjadi sama dengan nol.



Kecepatan angin harus



dikoreksi jika ada perbedaan suhu antara udara dengan air seperti berikut ini : U = RT . U10 dengan



(8.7)



RT : Faktor Amplifikasi U



: Kecepatan angin terkoreksi



175



Gambar 8.10. Koreksi kecepatan angin akibat perbedaan temperatur



d. Koreksi lokasi pengukuran kecepatan angin Data kecepatan angin, bila tidak diukur dari permukaan laut, tetapi dari daratan, misalnya bandar udara, atau di lokasi dekat pantai harus dikoreksi dengan persamaan di bawah ini RL =



Uw UL



dengan:



(8.8) Uw : kecepatan angin di atas permukaan air UL : kecepatan angin di darat RL : grafik faktor lokasi



176



Gambar 8.11. Koreksi kecepatan angin akibat perbedaan lokasi pengukuran



e. Koreksi pengukuran angin yang dilakukan dengan kapal Pencatatan angin biasanya dilakukan di permukaan laut dengan menggunakan kapal yang sedang berlayar. Data angin ini harus dikoreksi terlebih dahulu dengan menggunakan rumus : ⎛7⎞



U= 2.16 . U s ⎜⎝ 9 ⎟⎠ Dengan Us U



(8.9)



: kecepatan angin yang diukur oleh kapal : kecepatan angin terkoreksi



8.4. Fetch Proses penggambaran dan penghitungan fetch gelombang digambarkan dalam Gambar 8.12. di bawah ini.



177



Gambar 8.12. Ilustrasi perhitungan fetch



SPM



(1984)



sebagaimana



dapat



dilihat



pada



gambar



di



atas



merekomendasikan untuk membuat fetch sebanyak 9 buah dengan interval sudut 30. Sehingga panjang fetch adalah : 9



∑F F=



i



i =1



(8.10)



9



Untuk keperluan peramalan gelombang, digunakan panjang fetch efektif yang dapat dihitung dengan persamaan berikut ini



dengan



∑X ∑



i



cos α



Feff



=



Feff



: fetch rerata effektif



Xi



: panjang segmen fetch ke-i



α



: deviasi pada kedua sisi arah angin, dengan pertambahan



cos α



(8.11)



60 sampai sudut sebesar 420 pada kedua sisi arah angin



178



8.5. Rumus Peramalan Gelombang Angin a. Peramalan gelombang angin di laut dalam



⎞⎛ g F ⎟⎟ ⎜⎜ 2 ⎠⎝ U A



⎞ ⎟⎟ ⎠



0 .5



Hmo



⎛ U A2 = 0.0016 ⎜⎜ ⎝ g



T



⎛ U ⎞⎛ gF ⎞ 3 = 0.2857 ⎜⎜ A ⎟⎟⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ g ⎠⎝ U A ⎠



(8.13)



t



⎛ F2 ⎞ ⎟⎟ = 0.893 ⎜⎜ ⎝U A ⎠



(8.14)



(8.12)



1



1 3



untuk kondisi Fully developed sea, rumusnya adalah sebagai berikut Hfds



⎛U 2 ⎞ = 0.2433 ⎜⎜ A ⎟⎟ ⎝ g ⎠



(8.15)



Tfds



⎛U ⎞ = 8.134 ⎜⎜ A ⎟⎟ ⎝ g ⎠



(8.16)



Hmo



= min (Hmo, Hfds) → pilih yang paling kecil (minimum)



Tp



= min (T, Tfds)



Hs



= Hmo



Ts



= 0.95 Tp



→ pilih yang paling kecil (minimum)



b. Peramalan gelombang angin di laut dangkal



Hmo



⎧ ⎫ ⎪ 1 ⎪ ⎪ ⎪ ⎛ ⎞ ⎪ 0 ,0016 ⎜ gF ⎟ 2 ⎪ 3⎤ ⎡ ⎪ ⎪ ⎜ ⎟ ⎢ ⎞4 ⎥ ⎛ ⎪ 0,283 ⎜ U 2 ⎟ ⎪ U2 ⎟ ⎜ g h ⎪ ⎪ (8.17) ⎥ ⎝ A⎠ = A 0,283 tanh ⎢0,53 tanh ⎨ ⎬ ⎜ 2⎟ ⎥ ⎢ 3 g ⎡ ⎤ ⎜U ⎟ ⎥ ⎪ ⎪ ⎢ ⎝ A⎠ ⎢ ⎛ ⎞4 ⎥⎪ ⎪ ⎢ ⎥ ⎣ ⎦ ⎪ tanh ⎢0,53 ⎜ g h ⎟ ⎥ ⎪ ⎜ 2 ⎟ ⎥⎪ ⎢ ⎪ ⎜U ⎟ ⎥ ⎢ ⎪ ⎝ A⎠ ⎪ ⎢ ⎥⎪ ⎪⎩ ⎣ ⎦⎭



179



UA g



⎧ ⎫ 1 ⎪ ⎪ 3 ⎛ ⎞ 3 ⎪ 0,2857 ⎜ gF ⎟ ⎪ ⎡ ⎤ 2 ⎟ ⎜ 8 ⎪ ⎪⎪ 7 54 , U ⎛ ⎞ gh ⎪ ⎝ A⎠ 7 ,54 tanh ⎢0,833 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎥ tanh ⎨ ⎬ (8.18) 3 ⎢ UA ⎠ ⎥ ⎡ ⎤ ⎝ ⎪ ⎛ gh ⎞ 8 ⎪ ⎢⎣ ⎥⎦ ⎪ tanh ⎢0,833⎜ 2 ⎟ ⎥ ⎪ ⎜U ⎟ ⎥⎪ ⎢ ⎪ ⎝ A ⎠ ⎥⎪ ⎢⎣ ⎪⎩ ⎦⎭



Tp



=



t



⎛ U ⎞⎛ g T ⎞ 3 ⎟⎟ = 5,37.102 ⎜⎜ A ⎟⎟⎜⎜ ⎝ g ⎠⎝ U A ⎠



7



(8.19)



dengan: Hmo



: tinggi gelombang signifikan berdasarkan spektrum gelombang Tp



: periode puncak spektrum



Hs



: tinggi gelombang signifikan



Ts



: periode gelombang signifikan



F



: panjang Fetch efektif



t



: durasi kecepatan angin



h



: kedalaman air



8.6. Peramalan Gelombang berdasarkan SPM 1984 Peramalan gelombang angin untuk gelombang di laut dalam dengan menggunakan rumus-rumus yang sudah dijabarkan di atas dapat dipersingkat dengan menggunakan bantuan Nomogram dari Shore Protection Manual (1984) sebagaimana ditunjukkan pada Nomogram di Gambar 8.13. di bawah ini.



180



181



Gambar 8.13. Nomogram peramalan tinggi gelombang dan periode untuk gelombang laut dalam



Nomogram pada Gambar 8.13 dapat dibuat program sederhana dengan bahasa Visual Basic 6.0 sehingga dapat menentukan tinggi gelombang dan periode dengan lebih teliti. Biasanya pembacaan dengan nomogram butuh ketelitian karena untuk menentukan tinggi gelombang membutuhkan pembacaan dari sumbu x dan y. Titik pertemuan dari sumbu x dan y adalah nilai tinggi gelombang dan periode gelombang yang biasanya tdalam penentuannya kurang mempunyai ketelitian yang memadai. Dengan bantuan program komputer sederhana akan dapat dihitung dengan tingkat ketelitian yang tinggi. Berikut ini adalah contoh program sederhana dengan bahasa Visual basic 6.0 seperti ditunjukkan pada Gambar 8.14. di bawah ini.



Kotak Input data



Gambar 8.14. Tampilan program hitung cepat peramalan gelombang angin



182



Kotak output data



Gambar 8.15. Tampilan program hitung cepat peramalan gelombang angin Rumus untuk hitung cepat peramalan tinggi gelombang dan periode atau durasi adalah sebagai berikut (Triatmadja, 2000).



a. Tinggi gelombang signifikan H33 = 5.112 x 10-4 UA F1/2



(8.20)



b. Periode gelombang signifikan T33 = 6.23 x 10-2 (UA F)1/3



(8.21)



c. Durasi angin ⎛ F2 ⎞ ⎟⎟ t = 31.25 ⎜⎜ ⎝U A ⎠



1/ 3



(8.22)



183



Satuan untuk input data angin UA adalah meter/detik, sedangkan satuan untuk panjang fetch adalah dalam meter sedangkan pada grafik nomogram, satuan fetch adalah kilometer. Subroutine untuk menghitung cepat peramalam gelombang dengan menggunakan Visual Basic 6.0 adalah sebagai berikut. -------------------------------------------Private Sub CmdHitung_Click() TxtHs = 5.112 * 10 ^ (-4) * (TxtUa.Text) * (TxtFetch.Text) ^ 0.5 TxtTs = 6.23 * 10 ^ (-2) * (TxtUa.Text * TxtFetch.Text) ^ (1 / 3) Txtdurasi = 31.25 * ((TxtFetch.Text) ^ 2 / TxtUa.Text) ^ (1 / 3) Txtdurasi = Txtdurasi / (60 * 60) End Sub Private Sub CmdSelesai_Click() Unload Me End Sub



----------------------------------------------



8.7. Peramalan Gelombang berdasarkan Darbyshire Disamping peramalan gelombang berdasarkan metode SPM, Darbyshire juga mengusulkan peramalan gelombang berdasarkan grafik nomogram. Nomogram Darbyshire berdasarkan pada tinggi gelombang H10 untuk laut dalam dan laut dangkal (Gambar 8.16 dan 8.17) serta nomogram berdasarkan tinggi gelombang signifikan H33 untuk laut dalam dan laut dangkal (Gambar 8.18 dan 8.19).



184



Gambar 8.16. Nomogram peramalan gelombang H10 untuk laut dalam



Gambar 8.17. Nomogram peramalan gelombang H10 untuk laut dangkal



185



Gambar 8.18. Nomogram peramalan gelombang H33 untuk laut dalam



Gambar 8.19. Nomogram peramalan gelombang H33 untuk laut dangkal



186



8.8. Contoh penerapan metode SPM 1984 Pengamatan data angin secara berurutan selama 8 jam, diperoleh kecepatan angin U0 = 20 m/detik.yang diukur di darat pada elevasi z = 6 m, sekitar 5 kilometer dari pantai. Perbedaan temperatur udara dan air laut adalah -60C. Hitunglah tinggi gelombang Hmo dan periode gelombang Tp untuk panjang fetch 100 km pada laut dalam. Jawaban : 1. Koreksi Elevasi U10 = Uz(10/z)1/7 U10 = 20 ( 10/6) 1/7



= 21.5 m/s 2. Koreksi lokasi Dihitung RL = 0.9, sehingga U10 = 0.9 × 21.5 = 19.4 m/s.



3. Koreksi Temperatur RT = 1.14, sehingga U10 1.14 × 19.4 = 22.1 m/s.



4. Koreksi Durasi t =1609/22.1 = 72.8 s



sehingga dipakai rumus



U t = 72.8 U t = 3600



Ut =3600 =



⎛ ⎛ 45 ⎞ ⎞ = 1.277 + 0.296 tanh ⎜⎜ 0.9 log 10 ⎜ ⎟ ⎟⎟ = 1.22 ⎝ 72.8 ⎠ ⎠ ⎝



U t =72.8 = 18.1 m/s 1.22



5. Faktor tegangan angin (wind stress factor) UA = 0.71 (18.1)1.23 = 25 m/s



187



6. durasi gelombang angin (wind wave duration) Durasi angin adalah konstan selama 8 jam sehingga minimum durasi angin adalah



⎛gF⎞ t min = 68.8 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ UA ⎠



2/3



⎛U A ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = 23688 detik = 6.6 jam < 8 jam ⎝ g ⎠



sehingga kondisi gelombang adalah fetch-limited condition. gF = 1568 < 23123 maka belum mencapai gelombang U A2 terkembang penuh (fully arisen sea).



Karena



7. Penentuan Hm0 and Tp adalah sebagai berikut. ⎛gF⎞ H m 0 = 0.0016 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝UA ⎠ ⎛gF⎞ T p = 0.2857 ⎜⎜ 2 ⎟⎟ ⎝ UA ⎠



1/ 2



1/ 3



⎛ U A2 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = 4.04 m ⎝ g ⎠



⎛U A ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ = 8.47 detik ⎝ g ⎠



RANGKUMAN 1. Gelombang angin dibagi menjadi 2, yaitu sea dan swell 2. Gelombang sea, adalah gelombang yang dekat dengan lokasi pembangkitannya dan bersifat acak serta ireguler. 3. Gelombang swell, adalah gelombang yang sudah jauh dengan lokasi pembangkitannya dan lebih teratur dan reguler. 4. Permalan gelombang penting untuk mengetahui karakteristik gelombang yang terjadi. 5. Gelombang dapat diramal tinggi dan periodenya untuk laut dalam dan untuk laut dangkal. 6. Peramalan gelombang diperlukan dalam perencanaan pada bangunan pantai seperti pelabuhan, wisata pantai, pemecah gelombang dan lain-lain.



188