Forecasting summer temperature across the Northern Hemisphere: Assessing the predictive limits To what extent can summer surface air temperature over Northern Hemisphere continents be predicted?
//

Memperkirakan suhu musim panas di seluruh Belahan Bumi Utara: Menilai batas prediksi

Sejauh mana suhu udara permukaan musim panas di atas benua-benua di Belahan Bumi Utara dapat diprediksi?

Perubahan suhu udara permukaan pada musim panas mempunyai dampak yang luas bagi masyarakat manusia, terutama yang berkaitan dengan kejadian dan intensitas gelombang panas. Suhu ekstrem ini secara langsung terkait dengan penyakit yang berhubungan dengan panas, termasuk kelelahan akibat panas dan sengatan panas, yang merupakan ancaman besar bagi kesehatan masyarakat. Peristiwa bersejarah seperti gelombang panas Eropa pada tahun 2003 dan gelombang panas Rusia pada tahun 2010 menjadi pengingat yang jelas akan dampak mematikan dari kenaikan suhu, yang menyebabkan puluhan ribu korban jiwa. Selain risiko kesehatan, gelombang panas musim panas juga mengganggu pengelolaan energi, perencanaan pertanian, siklus hidrologi, dan sumber daya air.

Menyadari pentingnya memahami penyebab di balik perubahan suhu udara permukaan di musim panas, prediksi yang akurat menjadi sangat penting untuk pengambilan keputusan yang tepat di berbagai sektor. Hal ini, pada gilirannya, dapat membuka jalan bagi peningkatan pengelolaan sumber daya, peningkatan kesehatan masyarakat, dan pengembangan masyarakat yang lebih tangguh dan berkelanjutan.

Seberapa mudahkah gelombang panas di benua-benua di Belahan Bumi Utara diprediksi? Dengan mengidentifikasi dan memprediksi pola sirkulasi atmosfer yang dominan melalui model empiris berbasis fisik, kami menawarkan alat yang berharga untuk mencapai prakiraan musim yang lebih akurat.

Chunzai Wang

Sirkulasi atmosfer dapat mempengaruhi suhu udara permukaan

Penelitian telah mengungkapkan bahwa perubahan suhu udara permukaan selama musim panas di atas benua Belahan Bumi Utara dapat sangat dipengaruhi oleh apa yang disebut "jembatan atmosfer" - sebuah hubungan jarak jauh antara berbagai wilayah atmosfer Bumi melalui pergerakan udara, yang mentransmisikan sinyal dari satu bagian dunia ke bagian lainnya. Jembatan atmosfer ini memainkan peran penting dalam membentuk peristiwa cuaca, seperti kekeringan, banjir, atau perubahan suhu, di lokasi yang jauh dari tempat terjadinya perubahan awal. Salah satu jenis jembatan atmosfer yang umum adalah telekoneksi atmosfer, yang melibatkan penggabungan pola sirkulasi atmosfer di area yang terpisah jauh.

Ada banyak pola sirkulasi atmosfer yang teridentifikasi dalam sistem iklim bumi. Setiap pola memiliki pengaruh yang berbeda pada suhu udara permukaan musim panas di wilayah tertentu. Sebagai contoh, suhu udara permukaan musim panas di atas benua Eurasia dapat dipengaruhi oleh pola sirkulasi atmosfer di atas wilayah Koridor Inggris-Baikal dan Jalur Sutra. Pola Osilasi Atlantik Timur, Skandinavia, dan Mediterania Barat dapat memberikan pengaruh yang signifikan terhadap variasi suhu udara permukaan di timur laut Spanyol.

Studi kami mengidentifikasi lima pola sirkulasi atmosfer dominan yang memiliki kontribusi penting terhadap variabilitas suhu udara permukaan musim panas di atas benua-benua di Belahan Bumi Utara. Pola-pola ini terletak di atas garis lintang menengah-tinggi Belahan Bumi Utara dengan karakteristik yang berbeda (Gambar 1). Suhu udara permukaan musim panas di atas benua-benua di Belahan Bumi Utara dapat dibuat dengan baik dengan menggabungkan kelima pola sirkulasi atmosfer tersebut. Oleh karena itu, untuk mendapatkan prediksi yang akurat mengenai perubahan suhu udara permukaan, kita perlu membuat prakiraan pola sirkulasi atmosfer ini.

Gambar 1. a) - e) Peta korelasi anomali ketinggian geopotensial rata-rata 500hPa bulan Juni-Agustus (bayangan warna) dan suhu udara permukaan (kontur) dengan mengacu pada masing-masing 5 pola sirkulasi atmosfer.
Kredit. Penulis

Prediksi pola sirkulasi atmosfer

Model iklim adalah alat yang ampuh untuk mensimulasikan dan memprediksi pola iklim yang tidak wajar. Namun, bahkan model-model dinamika iklim yang paling canggih sekalipun masih kesulitan untuk menangkap variasi pola sirkulasi iklim dari tahun ke tahun di belahan bumi utara yang berada di garis lintang tinggi. Hal ini dikarenakan kemampuan prediksi model iklim sangat bergantung pada interaksi udara-laut tropis. Pada saat yang sama, pola sirkulasi lintang menengah juga sangat termodulasi oleh gangguan stokastik internal atmosfer, sehingga kurang dapat diprediksi.Β 

Dengan mempertimbangkan bahwa model dinamik tidak dapat memprediksi pola-pola tersebut secara memuaskan, penelitian ini mengembangkan model empiris berbasis fisik untuk membuat prediksi. Model fisik-empiris telah diterapkan secara luas untuk prediksi iklim, termasuk memprediksi curah hujan musim panas di Asia, musim dingin yang ekstrim di Asia Timur dan sistem iklim lainnya. Penelitian-penelitian ini menunjukkan bahwa model ini merupakan pendekatan yang ampuh untuk prediksi musiman dibandingkan dengan model dinamik, terutama untuk wilayah daratan subtropis hingga lintang tinggi.

Langkah pertama dalam membangun model fisik-empiris adalah mengeksplorasi proses fisik dan prediktor yang dapat mereproduksi karakteristik anomali yang terkait dengan prediksi. Tidak seperti model prediksi statistik murni, model dalam penelitian ini bertujuan untuk mengidentifikasi prediktor yang paling berpengaruh berdasarkan pemahaman dasar fisik dari hubungan lead-lag antara prediktor dan yang diprediksi. Untuk memilih prediktor yang bermakna secara fisik secara obyektif, kami memeriksa tiga bidang, yaitu suhu udara permukaan, tekanan permukaan laut, dan ketinggian geopotensial 500-hPa. Dua variabel pertama menggambarkan kondisi termodinamika batas bawah yang anomali, dan variabel terakhir mewakili pola sirkulasi atmosfer.

Karena kami bertujuan untuk memprediksi pola sirkulasi selama musim panas boreal (Juli-Agustus), kami mencari sinyal-sinyal anomali selama bulan April dan Mei untuk mendeteksi prediktor pada musim sebelumnya. Prosedur pemilihan ini objektif dan dapat dibuat ulang, dan pada saat yang sama, mudah untuk diterapkan pada masalah prediksi iklim lainnya. Ketika memilih prediktor, kami memprioritaskan pemahaman proses fisik yang mendasari hubungan utama antara prediktor dan pola sirkulasi atmosfer musim panas.

Kemudian, kami menggunakan prediktor yang dipilih untuk membuat model prediksi dan mendapatkan perkiraan indeks sirkulasi. Koefisien korelasi antara prediksi dan observasi kami, yang mengevaluasi kemampuan prediksi dengan mengukur kemiripan antara keduanya, adalah ~0.5-0.6, yang menunjukkan bahwa kelima indeks tersebut dapat diprediksi dengan cukup baik dengan menggunakan model kami.

Prediksi suhu udara permukaan belahan bumi utara

Kami melanjutkan dengan membuat prakiraan suhu udara permukaan musim panas dengan menggunakan pola sirkulasi yang telah diprediksi dengan sepenuhnya mempertimbangkan kenaikan suhu global yang terus berlanjut akibat emisi gas rumah kaca yang disebabkan oleh manusia. Hasil prediksi kami menunjukkan kemampuan prediksi yang tinggi di hampir seluruh wilayah daratan di Belahan Bumi Utara, terutama di wilayah pesisir barat dan Amerika Utara bagian tengah, Asia Tenggara bagian utara dan selatan, Eropa, Timur Tengah, dan Afrika, di mana kemampuan prediksinya cukup terbatas dengan menggunakan model dinamik (Gbr. 2a).

Kekuatan prediksi model kami untuk perubahan suhu udara permukaan setiap tahun juga diperkirakan. Kami menemukan bahwa meskipun pola prediksi suhu udara permukaan secara umum mendekati observasi, prediksi kurang berhasil pada tahun-tahun tertentu seperti 1980, 1991, dan 2018 (Gbr. 2b). Kemampuan yang rendah pada tahun-tahun ini mungkin berasal dari kekurangan model kami atau prediktabilitas yang buruk dari pola sirkulasi atmosfer. Studi kasus per kasus diperlukan untuk mengatasi masalah ini lebih lanjut.Β 

Gambar 2. a) Kemampuan prediksi temporal untuk prediksi suhu udara permukaan musim panas di atas wilayah daratan Belahan Bumi Utara. b) Kemampuan prediksi pola untuk prediksi suhu udara permukaan musim panas di atas wilayah daratan Belahan Bumi Utara sebagai fungsi tahun prakiraan.
Kredit. Penulis

Kontribusi dan implikasi praktis dari penelitian ini

Dengan mengidentifikasi dan memprediksi pola sirkulasi atmosfer yang dominan melalui model empiris berbasis fisik, kami menawarkan alat yang berharga untuk mencapai prakiraan musim yang lebih akurat. Meskipun mengakui adanya tantangan yang ditimbulkan pada tahun-tahun tertentu, model kami menunjukkan kemampuan prediksi yang tinggi, terutama di wilayah-wilayah di mana model dinamik tradisional gagal. Penelitian ini berkontribusi pada pengambilan keputusan yang tepat di berbagai sektor, mendorong pengelolaan sumber daya, meningkatkan hasil kesehatan masyarakat, dan mendorong masyarakat yang tangguh dan berkelanjutan dalam menghadapi kondisi iklim yang terus berubah.

Mengingat dampak gelombang panas yang sangat besar terhadap kesehatan manusia, kebutuhan energi, dan pertanian, penting untuk memahami penyebab dan prediktabilitas suhu udara permukaan musim panas. Berdasarkan temuan kami, kami dapat menggunakan model prediksi yang dibuat dalam penelitian ini untuk membuat prakiraan suhu udara permukaan selama bulan Juni-Agustus pada akhir bulan Mei setiap tahunnya. Hasilnya dapat meningkatkan kesiapan masyarakat dalam menghadapi bencana yang berhubungan dengan gelombang panas. Di masa depan, prediksi jangka panjang juga dapat dicapai dengan mempertimbangkan lebih lanjut pengaruh lautan tropis, dan dikombinasikan dengan prediktor berdasarkan pola sirkulasi atmosfer yang diidentifikasi dalam penelitian ini.

πŸ”¬πŸ§«πŸ§ͺπŸ”πŸ€“πŸ‘©β€πŸ”¬πŸ¦ πŸ”­πŸ“š

Referensi jurnal

Xing, W., Wang, C., Zhang, L., & Zheng, J. (2024). Prediction of summer surface air temperature over Northern Hemisphere continents by a physically based empirical model. Climate Dynamics, 1-15. https://doi.org/10.1007/s00382-023-07065-2

Dr. Wang adalah seorang pakar internasional di bidang oseanografi fisik dan ilmu iklim. Selama hampir 30 tahun karier akademisnya, ia telah menjabat sebagai Ahli Oseanografi di Administrasi Kelautan dan Atmosfer Nasional dan peneliti yang ditunjuk secara khusus di Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. Penelitiannya berfokus pada interaksi laut dan atmosfer serta perubahan iklim. Dia telah terpilih sebagai ilmuwan yang banyak dikutip oleh Elsevier, salah satu dari "2% Ilmuwan Terbaik di Dunia" oleh Universitas Stanford di Amerika Serikat, dan salah satu dari 1000 ilmuwan paling berpengaruh di bidang perubahan iklim oleh Reuters di Inggris.

Dr. Xing adalah seorang ilmuwan peneliti di Laboratorium Kunci Negara Oseanografi Tropis, Institut Oseanologi Laut Cina Selatan, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. Penelitiannya terutama berfokus pada "dinamika monsun Asia", termasuk "variabilitas antar-tahunan dari awal monsun Asia", "proses dinamis yang mempengaruhi curah hujan monsun Asia Timur", dan "prediktabilitas curah hujan monsun musim panas di Asia".

Dr. Zhang adalah seorang ilmuwan peneliti di Laboratorium Kunci Negara Oseanografi Tropis, Institut Oseanologi Laut Cina Selatan, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok. Fokus utamanya adalah mempelajari "interaksi atmosfer-laut berskala besar", dengan fokus khusus pada "proses interaksi antar cekungan dan dampak iklimnya". Zhang telah menerbitkan lebih dari 50 makalah di jurnal termasuk Science Advances dan Nature Communications. Beliau menjabat sebagai Editor Madya untuk "Geophysical Research Letters" dan "Journal of Climate", dan merupakan anggota dari CLIVAR Climate Dynamics Panel.

Dr. Zheng adalah seorang profesor madya di Institut Oseanologi Laut Cina Selatan (SCSIO), Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok (CAS). Penelitiannya berfokus pada interaksi udara-laut dan peristiwa iklim ekstrem. Salah satu makalahnya telah terpilih sebagai Makalah ESI yang Sangat Dikutip. Sebelum bergabung dengan SCSIO, ia menyelesaikan gelar PhD di bidang ilmu iklim di Institut Fisika Atmosfer, CAS, dan melakukan penelitian pascadoktoral di Institut Oseanografi Kedua, Kementerian Sumber Daya Alam.