Materi 1 - Materi Pemodelan Udara [PDF]

Citation preview

Pengenalan Model Pencemaran Udara oleh : Alvin Pratama, M.T



Definisi Model • Model dapat diartikan sebagai penggambaran, penyederhanaan, miniature, atau



peniruan • Pemodelan merupakan salah satu cabang dari analisis ilmiah • Kegiatan pemodelan meliputi:



• Pembuatan konsep, • Pegorganisasian, komunikasi, pemahaman, • Analisis, ujicoba pengukuran lapangan • Ramalan, prediksi, peringatan dini (early warning), dan • Optimasi pengambilan keputusan



• Pemodelan menggunakan persamaan matematika dan metode numerik (komputasi)



Pemodelan Pencemaran Udara (PPU) • PPU menggambarkan proses pencemaran udara, mengaitkan semua komponen/variabel pembentuknya dengan menggunakan representasi logika dan matematika.



• PPU merupakan perumusan matematika dari proses-proses fisika/kimia/biologi fenomena pencemaran udara, seperti proses adveksi, difusi, dispersi, deposisi, reaksi, dampak kesehatan, dsb.



Mengapa Diperlukan Model? • Keterbatasan kegiatan pengukuran/monitoring • Keterbatasan analisis data • Keinginan untuk mensimulasikan dampak sebuah kebijakan /



proyek baru • Keinginan untuk mengetahui skenario terbaik untuk rencana jangka pendek/panjang • Keinginan untuk analisis resiko terhadap kesehatan



Manfaat Pemodelan Pencemaran Udara (PPU) •



Kepentingan regulasi (AMDAL, dsb)



•



Mengidentifikasi kontribusi sumber emisi ketika ada masalah pencemaran



udara •



Membantu dalam mendesain alat pengendali pencemaran udara



•



Menghitung konsentrasi ketika tidak ada stasiun pemantauan



• Menghitung dampak kesehatan dari pencemaran udara •



Memprediksi konsentrasi pencemaran udara ketika sebuah regulasi baru ditetapkan



• Membuat skenario dan simulasi kebijakan sebelum kebijakan itu dibuat



Perbandingan Konsentrasi O3



Konsep Utama Dalam PPU



Kondisi Yang Perlu Diperhatikan Next: Topographic complexity induces local flows and circulations



Kondisi Yang Perlu Diperhatikan Next: Interaction between plumes of different buoyancy and an inversion layer



Model Pencemaran Udara •



9 November 2005, EPA adopt AERMOD as the



preferred model for near-field dispersion of emissions for distance up to 50 km •



CALPUFF was the EPA preferred model for long-



range transport for the purposes of assessing NAAQS •



March 2012 integrated mesoscale model interface (MMIF) prognostic meteorological data for dispersion models



Source: Guideline on Air Quality Models (“Appendix W” to 40 CFR Part 51)



Pengenalan: Model CALPUFF • Calpuff menggunakan pendekatan non steady state yang memperhitungkan efek perubahan spasial dari komponen meteorologi dan karakteristik permukaan. • Mampu memodelkan penumpukan polutan yang berjam-jam, resirkulasi dan efek kausalitas yang tidak dapat dimodelkan oleh model steady state • Model Calpuff memiliki akurasi hingga 75% di wilayah Kamojang, Jawa Barat dengan resolusi hingga 250 meter (Mukti, 2014).



Sejarah Model CALPUFF Awal Perkembang an



Model CALPUFF dikembangkan oleh Sigma Research Corporation (sekarang bagian dari Earth Tech, Inc) dan System Application, Inc (SAI) yang disponsori oleh California Air Resources Board (CARB)



Tahun 1987



CARB dan Sigma Research mengembangkan dan memperbarui algoritma teknis dari model CALPUFF dengan memperbaiki skema difusi, dry deposition, chemical mechanism dan chemical integration solver.



Tahun 1995 & 1998



Intergency Workgroup on Air Quality Modeling (IWAQM) merekomendasikan penggunaan model CALPUFF dan CALMET setelah melakukan berbagai uji coba untuk National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) dan Prevention of Significant Deterioration (PSD)



Tahun 1996



Model CALPUFF dikembangkan dengan mengintegrasikan pengaruh photochemical dan kinetic simulation particle (KSP) yang disponsori oleh German Umweldbundesamt



- Sampai sekarang



Model CALPUFF terus dikembangkan dan diperbaiki oleh IWAQM, U.S. EPA, U.S.D.A. Forest Service, the Environmental Protection Authority of Victoria (Australia), industri, berbagai peneliti di U.S dan berbagai negara negara lainnya



Pengenalan: Model CALPUFF Kelebihan model CALPUFF: • Kemampuan untuk memperlakukan sumber berupa titik, garis, area dan volume • Kemampuan untuk memodelkan sebaran polutan dari puluhan meter hingga ratusan kilometer dari sumber pencemar • Mampu memprediksi untuk waktu rata-rata dari satu jam sampai satu tahun • Mampu untuk memodelkan polutan polutan yang tidak reaktif serta perpindahannya secara linear mempertimbangkan konversi kimia • Dapat diaplikasikan untuk wilayah yang tidak rata dan kompleks



Persamaan Dasar Model Pencemaran Udara 𝑄 𝐶= 𝑔 exp −𝑑𝑎2 / 2𝜎𝑥2 2𝜋𝜎𝑦 𝑔=



∞



2



(2𝜋)



1



exp −𝑑𝑐2 / 2𝜎𝑦2



2 𝜎𝑧



exp −𝐻𝑒 + 2𝑛ℎ 2 /(2𝜎𝑧2 ) 𝑛=−∞



Dimana: g C : Konsentrasi (g/m3) H Q : Masa pollutant (g) 𝜎𝑥 : Standar deviasi (m) sepanjang wind direction 𝜎𝑦 : Standar deviasi (m) sepanjang cross-wind direction h 𝜎𝑧 : Standar deviasi di vertical direction da : Jarak dari pusat puff ke receptor (wind direction) dc : Jarak dari pusat puff ke receptor (cross wind direction)



: vertical term (m) : Tinggi efektif dari permukaan tanah ke pusat puff : Ketinggian mixed layer



Pengenalan: Model CALPUFF •



•



•



Sistem model CALPUFF telah digunakan oleh U.S EPA (US Environmental Protection Agency) sebagai guideline model Calpuff sangat direkomendasikan oleh Federal Land Managers Air Quality (FLAG,2008) dan Intergency Workgroup on Air Quality Modelling (IWAQM, 1998) Calpuff terdiri dari 3 komponen utama, yaitu: • CALMET • CALPUFF • CALPOST



Komponen Utama Model CALPUFF



• model meteorologi yang memperhitungkan analisis objektif dan parameterisasi • Parameterisasi: aliran kemiringan, efek topografi, efek hambatan, divergensi, dsb • Analisis Objectif: Interpolasi, smoothing, perhitungan O’brien dan minimalisasi divergensi



• Model Lagrangian Gaussian yang memperhitungkan beberapa parameter • Parameter: efek topografi komplek, perpindahan di atas perairan, efek interaksi pesisir, efek downwash dan transformasi kimia.



CALPOST merupakan program postprocessing yang menghitung rata-rata konsentrasi dan prediksi deposisi fluks dari hasil model CALPUFF.



Pengenalan: Model CALPUFF •



•



•



CALMET No-Observation (No-Obs) Mode, menggunakan hasil model numerik skala meso seperti WRF, MM5, RAMS, RUC, TAPM CALMET Hybrid Mode, menggunakan kombinasi dari keluaran model dengan data informasi geografis dan data observasi CALMET Observation-Only Mode. Melakukan perhitungan menggunakan input data observasi yang berasal dari beberapa stasiun seperti data radiosonde, data AWS/meteorologi, data buoy, dsb



Mulai



Model WRF



Data topografi dan tutupan lahan



Data emisi polutan



Output WRF



Konversi Data (CALWRF)



Running dengan CALMET



Diagram Alir Model Model Pencemaran Udara



Data medan angin CALMET



Running dengan CALPUFF



Pengolahan dengan PRTMET



Running dengan CALPOST



Kondisi meteorologi



CALVIEW



Visualisasi persebaran polutan



Visualisasi keadaan meteorologi



Selesai



Data Masukan untuk Model Pencemaran Udara Geophysical Data



• Data landuse, terrain elevation, leaf area indices, surface roughness lengths



Meteorological Data



• Wind speed & direction, temperature, stability class, mixing height for rural/urban, precipitation, relative humidity, short wave solar radiation, dsb • Berasal dari data observasi dan model (WRF, MM5, dsb)



Emission Data



• Data emisi (flow rate) dan karakteristik sumber pencemar (titik, garis, area atau volume)



Data lainnya



• Data Deposition velocity, ozone monitoring data, chemical transformation data, receptor data, hill data, building data



Website: www.src.com



Sumber Data (www.src.com)



Karakteristik Data Topografi • Data topografi digunakan sebagai salah satu parameter dalam



perhitungan medan angin dalam model CALMET • Data dapat di download di situs: Pilih Eurasia – di:



http://dds.cr.usgs.gov/srtm/version2_1/SRTM3/ atau



https://www.usgs.gov/centers/eros/science/usgs-eros-archive-



digital-elevation-global-30-arc-second-elevation-gtopo30?qtscience_center_objects=0#qt-science_center_objects • Download SRTM berdasarkan koordinat lokasi kajian • Format: S09E146.hgt.zip -> (lintang U/S)(koordinat lintang)(bujur E/W)(koordinat bujur) (sebaiknya mendownload lebih dari 1 lokasi) • Ekstrak seluruh data



Karakteristik Data LandUse • Data tutupan lahan menggunakan Modis Land Cover yang merupakan produk dari U.S Geological Survey (USGS) • Data ini memiliki resolusi 500 meter dan dapat diunduh di website:



https://archive.usgs.gov/archive/sites/landcover.usgs.gov/globallandcover.html atau http://due.esrin.esa.int/page_globcover.php • Data tutupan lahan ini memiliki beberapa kategori berdasarkan jenis tutupan lahannya



https://www.weblakes.co m/products/calpuff/featu res.html



US$ 2950



https://weblakes.myshopify.c om/collections/featuredproducts/products/aermodview US$ 1590



Pengenalan: Model AERMOD • AERMOD merupakan model penyebaran polutan



dengan pendekatan Gaussian yang dikembangkan oleh AERMIC (American meteorological society) • AERMOD menghasilkan dispersi polutan di udara



ambien dalam periode jam, harian, bulanan maupun tahunan • AERMOD dapat digunakan untuk area perkotaan



dan pedesaan, permukaan data dan berelevasi, dan dari berbagai sumber emisi



Pengenalan: Model AERMOD



Output



Control



Met data: surface, upper air, on site



Aermet



Surface characteristics



Source: location and emission data



Application site information



AERMEP



Terrain



BPIP



Building Data



Aermod



Receptor location



Emission Sources 1. Point sources -> pollutant release rate (mass/time), stack location, stack height and diameter, stack gas temperature and exit velocity. Example: stacks



2. Area sources -> pollutant release rate (mass/time/area), release height, location and dimensions. Examples: forest fires, landfills, 3. Volume source -> pollutant release rate (mass/time), location, release height, initial lateral and vertical dimension. Examples: building roof monitors, multiple vents, conveyor belts, haul roads



4. Open pit sources -> similar to area sources -> pollutant release rate (mass/time/area), average release height, dimensions and volume, orientation angle. Example surface mines and quarries



Summary Processing



CALPUFF vs AERMOD



Keluaran Model Pencemaran Udara



(a)



(b)



(c)



Gambar 1. Ouput model pencemaran udara (a) keluaran dengan format kmz, (b) Overlay polutan dengan topografi dan angin, (c) Overlay polutan dengan landuse dan angin



Rata-rata pesebaran polutan



Tampilan 3D pesebaran polutan



Contoh Hasil Tampilan



Terima Kasih f



Email: [email protected] HP: 083821561006