La misura della radiazione solare diretta DNI in Sardegna: confronti fra misure a terra e satellitari

La radiazione solare diretta:la misura da satellite

e il confronto con le misure a terra

Manuel [email protected]

Cagliari, 19 aprile 2012

Ricerca co-finanziata con fondi a valere sul PO Sardegna FSE 2007-2013 sulla L.R.7/2007 Ricerca co-finanziata con fondi a valere sul PO Sardegna FSE 2007-2013 sulla L.R.7/2007 ““Promozione della ricerca scientifica e dell’innovazione tecnologica in Sardegna”Promozione della ricerca scientifica e dell’innovazione tecnologica in Sardegna”

IntroduzioneIntroduzione● Interazione della radiazione

solare con l'atmosfera:

● ScatteringScattering

– Rayleigh– Mie– geometrico

● AssorbimentoAssorbimento● Emissione

● Estrapolazione delle misure della DNI dalle misure satellitari:

● i modelli clear-sky● Il metodo Heliosat

IntroduzioneIntroduzione

● I Modelli: Solemi ed Helioclim

● Gli input dei modelli Clear-Sky: Torbidità di Linke,Ozono,Vapor d'acqua, Aerosol

● La copertura nuvolosa: Immagini METEOSAT

● Confronti con le misure a Terra:

● Analisi statistiche● Giorni Limite

● Conclusioni

Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera

dI =−ka I dIk a=K n

n concentrazione particelle−molecole sezione particelle−molecoleK fattore di efficenza adimens.

Legge empiricadi Lambert−Beer

I l =I 0,e−∫

0

l

a ndl

= I 0,e− a , l

− a , l spessore ottico

Sezioned ' urto /assorbimentoa =K


Interazione Radiazione-Atmosfera: scatteringInterazione Radiazione-Atmosfera: scattering

Condizione per lo scattering

=2 a/a=raggio elemento

≪1

poiché ∝K

Scatt. Rayleigh K ∝4

Scatt.Mie−3K −0.5

Ottica geometricaK ≥

Scattering di Rayleigh

● interessa le molecole con dimensione <<λ: O2, N

2, H

2O (ghiaccio), che causano le

diffusione della radiazione nel visibile e nell'ultravioletto● lo scattering di Rayleigh tende a diminuire se λ cresce, quindi è maggiore nel blu

che nel rosso ● durante il giorno lo scattering nel blu tende a dominare● durante le albe e i tramonti (percorso ottico più lungo), il cielo diventa rosso poiché

le radiazioni di lunghezza d'onda maggiore interagiscono meno e aumentano a causa di una maggiore presenza di polveri

Scattering di Mie

● diffusione con il fumo, le polveri, gli inquinanti atmosferici chiamati Aerosol e le molecole d'acqua

Scattering geometrico

● al crescere delle dimensioni delle particelle rispetto a λ, si entra nel regime dello scattering geometrico, descritto dalle leggi dell'ottica classica.

● le goccioline delle nubi, le gocce di pioggia e le particelle di ghiaccio, producono diversi fenomeni ottici tra cui l'arcobaleno e gli aloni.

Interazione Radiazione-Atmosfera: scatteringInterazione Radiazione-Atmosfera: scattering

Radiazione-Atmosfera: assorbimentoRadiazione-Atmosfera: assorbimento

Sezioned ' urto/assorbimentoa=K K =K , scattK ,ass

● Assorbimento molecolare dovuto alla presenza di:

● O3 ultravioletto e visibile

● O2 visibile

● H2O e CO

2 infrarosso

● Altre molecole

Legge empiricadi Lambert−Beer

I l =I 0,e−∫

0

l

a ndl

= I 0,e− a , l

− a , l spessore ottico

Interazione Radiazione-Atmosfera: aerosolInterazione Radiazione-Atmosfera: aerosol

● Interazione della radiazione con gli Aerosol:● Scattering Mie● Assorbimento e riemissione della radiazione

● Difficoltà nel separare i diversi effetti

Equazionedi Angstrom

k =−

Torbiditàdi Angstrom Esponente di Angstrom−0,53

● Gli Aerosol sono difficili da determinare:● Alta variabilità nello spazio e nel tempo● L'interazione degli Aerosol con le nuvole è

complessa


● Equazione Trasporto Radiativo:

tiene conto della diffusione, dell'assorbimento e della riemissione della radiazione

dI =−ka I −J dIJ =riemissione

EquazioneTrasportoRadiativo

I l = I 0e− l ,0∫0

l

J l ' e− l ,l ' k dl

Spessoreottico fra l ed l '

l , l ' =∫l '

l

k dl

in ogni punto, l’intensità di radiazione in una data direzione dipende dall'emissione occorsa in tutti i punti prima di s’, ridotto del fattore esponenziale che dà conto dell’assorbimento prodotto dalla stessa materia attraversata

●Scattering di Rayleigh: interazione con le molecole d’aria

●Scattering di Mie: interazione con gli Aerosol

●Scattering geometrico: diffusione dovuta al ghiaccio e alle gocce d'acqua

●Assorbimento molecolare di: O3, H

2O, O

2, CO

2

Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche e dalla massa d'aria


La massa d'aria mÈ il rapporto tra il cammino percorso da un raggio di sole nell’atmosfera ed il cammino minimo allo zenit, quando il raggio solare incide normalmente alla superficie terrestre.

m=0 assenza di massa d'aria

m=1 massa d'aria allo zenith

m= 1cosz0,50596,07995 °−z

−1,6364

Kasten1989

m∝ 1cosz


● Misura Diretta:

con campagne di misure a terra, realizzate utilizzando centraline meteo-solari

● Vantaggi:

elevata precisione

● Svantaggi:

misure valide solo per il sito in esame e per il periodo temporale della campagna

Misura della DNIMisura della DNI

● Misura Indiretta:

attraverso un modello che utilizza le misure satellitari sulle densità di colonna di O

3, H

2O, O

2, CO

2,

Aerosol e della copertura nuvolosa.

● Vantaggi:

i. ampia copertura geografica

ii. realizzazione di serie storiche

● Svantaggi:

i. minor precisione delle misure

ii. non comprende le variazioni dovute al microclima locale

DNI dalle misure satellitariDNI dalle misure satellitari

Costruzione del Modello

a) Modulo Clear-Sky: implementazione di un modello che descriva l'interazione fra la radiazione e l'atmosfera in assenza di nuvole

b) Calcolo della copertura nuvolosa

Input del Modello

a) Clear-Sky: misure satellitari densità di colonna dell'ozono, vapor d'acqua, aerosol (O

2, CO

2

ed N2, si assumono costanti)

b) Copertura nuvolosa: immagini METEOSAT e GOES

DNI dalle misure satellitari: i modelliDNI dalle misure satellitari: i modelli

Le misure raccolte a terra sono state confrontate con le misure ricavate dai modelli:

● HelioClim3 (SoDa, Airmines-Paris Tech):● Modello clear-sky ESRA (2000)● Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2● Misure ogni 15 minuti di: DNI, GHI, DHI, GTI● Copertura temporale: dal 2005 fino a oggi

● SOLEMI (DLR):● Modello clear-sky di Bird & Hulstrom (1981)● Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2● Misure orarie di DNI e GHI● Copertura temporale 1996-2005

Il modello clear-sky ESRAIl modello clear-sky ESRA

Legge empiricadi Lambert−BeerI T= I 0 e

−

Modello ESRA: modello semiempirico che parte dalla Legge empirica di Lambert-Beer

Legge modificata di Lambert−BeerI T= I 0e

−m i⋅ i

Modello ESRA

DNI clear sky=I 0e−0,8662 m⋅ Linkema=2 rma

Linke=torbidità di Linkerma= profondità ottica di Rayleigh

Il modello clear-sky ESRAIl modello clear-sky ESRA●La torbidità di Linke è un coefficiente ricavato sperimentalmente, da misure satellitari e terrestri, descrive l'assorbimento e lo scattering causato dagli aerosol, dal vapor d'acqua e dalle molecole dell'aria.

● τLinke

= 1 cielo estremamente trasparente

● τLinke

= 2 aria fredda e pulita

● τLinke

= 3 aria tiepida e pulita

● τLinke

= 4-6 per cielo umido o aria stagnante

● τLinke

> 6 per cielo inquinato

Andamento della radiazione diffusa per differenti valori della torbidità di Linke


●I valori della profondità ottica di Rayleigh al variare della massa d'aria sono ricavati da misure a terra realizzate in condizioni di clear-sky (Kasten 1996)


Pregi

● La τLinke

è disponibile su celle

di 10Kmx10Km

● La τLinke

è confrontabile con

le misure dirette a terra

Difetti

La τLinke

è calcolata effettuando la media mensile sui valori

mensili di 7 anni di riferimento, dunque non tiene conto delle variazioni giornaliere degli aerosol e del vapor d'acqua

Il modello clear-sky di Bird & HulstromIl modello clear-sky di Bird & Hulstrom

Il modellodi Bird−HulstromDNI clear sky=0,9751 I 0⋅rayleighozono gasvapor d ' acqua aerosol

Modello di Bird & Hulstrom: modello parametrico ottenuto dal confronto di misure a terra con vari modelli di trasporto radiativo

m= 1cosz0,50596,07995 °−z

−1,6364

Kasten1989

Massa d ' aria localema=m e−0,001184 h

l spessore strato di ozono in cm

w spessore acqua precipitabile in cm


Equazione di Machler: se sono disponibili α e β

● Input satellitari diretti

Ozono: NASA/AURA-OMI● Ris. Spaziale:

27,5Km x 27,5 Km● Ris. Temporale:

media giornaliera

● Input satellitari ottimizzati con modelli:

Vapor d'acqua: NCEP-NCAR reanalysis project● Ris. Spaziale:

275Km x 275Km● Ris. Temporale:

media giornaliera o ogni 6 ore


● Aerosol: modelli trasporto chimico

GACP (Global Areosol Climatology Project) 1981-2006

● Ris. Spaziale: 440Km x 550Km● Ris. Temporale: media mensile

MATCH (Model of Atmospheric Transport and Chemistry) 2000-2005


● Aerosol: comparazione modelli e dati terrestri e satellitari

Aerocom




Pregi● E' un modello che tiene conto di tutti i fenomeni di

interazione radiazione-atmosfera

Difetti● Le misure in input hanno basse risoluzioni spaziali:

● Vapor d'acqua 275Kmx275Km● Ozono 13 Km x 24 Km

● Validità set misure aerosol

● Un confronto preciso con i dati a terra può essere fatto solo con misure spettrofotometriche per gli aerosol e il vapor d'acqua (rete AERONET)

● Meteosat 2°generazione

Risol. Spaziale: 2,5 Km x 2,5 Km

Risol. Temporale: 15 minuti

Bande principali esaminate:

● VIS (0,5 - 1) μm● IR (10,5 - 12,5) μm● WV (5,7 - 7,1) μm

La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2

La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2

Indice di nuvolosità 0n1

n t , x , y=t t , x , y− suolot , x , ymax t , x , y−suolo t , x , y

t=albedo del pixel esaminato suolo=albedodel suolomax=albedomassimo per uno stratodi nubi intenso

● Albedo ρ:

è la frazione di luce riflessa da una superficie

0<ρ<1

max=0,78−0,13 1−e−4cos z5

cielo sereno t=suolo

cielonuvoloso t=max

CalcoloDNI

DNI=DNI clear sky e−10⋅n

DNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMIDNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMI

Confronto diretto misure a terra e satellitariConfronto diretto misure a terra e satellitari

MBDMean BiasDeviation

MBD=100⋅∑1

n1n⋅x i−g i

∑1

n1n⋅mi

negativo : sottopredicepositivo : sovrapredice

MBE Mean Bias Error

MBE=∑1

n1n⋅x i−g i

●Mean Bias Error (MBE) Wh/m2:

fornisce l'indicazione sulla deviazione

media fra i valori predetti xi e quelli

misurati gi (è la media degli scarti);

●MBD, valore relativo di MBE %


RMSD Root MeanSquare Deviation

RMSD=100⋅ ∑1

n1n⋅x i−g i

2

∑1

n1n⋅x i

RMSE Root Mean Square Error

RMSE=∑1

n1n⋅ xi−g i

2

●Root Mean Square Error (RMSE)

Wh/m2:

è la misura della variazione dei valori

predetti xi intorno a quelli misurati g

i;

●RMSD, valore relativo di RMSE % il

valore ideale è pari a 0


CCCoefficiente di Correlazione

CC=∑

1

n

x i− x i⋅g i−g i

[∑1

n

x i−x i2]⋅[∑

1

n

g i−g i2]

Coefficiente di Correlazione Lineare:

indica il grado di correlazione lineare fra le grandezze previste x

i e quelle misurate g

i;

è pari a 1 quando la correlazione è totale

Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari

Modello Helioclim3: Coeff. Correlazione Ottana


Modello Helioclim3: RMSD Ottana

Valor medio sui 2 anni e 8 mesi

della variazione dei valori predetti intorno a quelli misurati


Modello Helioclim3


Modello Solemi

Confronto fra i modelli per l'anno 2005


Non potendo confrontare le misure raccolte dal 2009 al 2012 con quelle ricavate dal modello del Solemi, abbiamo confrontato l'andamento dei giorni limite per i due siti


Ottana

Macchiareddu


Ottana

Macchiareddu

Il giorno limite permette di determinare l'errore dovuto

allo sporcamento degli strumenti

Errore causato dalla deposizione di polveriErrore causato dalla deposizione di polveri

Altri modelliAltri modelli

● I modelli per ricavare la misura della DNI da misure satellitari soffrono di un'elevata imprecisione nelle stime giornaliere e mensili

● I punti critici di questi modelli sono legati all'ampio errore che si compie nel misurare da satellite i coefficienti di Angstrom per gli aerosol

● I modelli non tengono conto delle variazioni microclimatiche locali dell'abbondanza e specie degli aerosol e della densità del vapore d'acqua

● Il confronto con le misure a terra della DNI, e con quelle spettrofotometriche può permettere una correzione locale per i modelli

ConclusioniConclusioni

● Dal confronto fra le misure a terra e le misure del modello Helioclim3 si vede che il modello non riesce a parametrizzare correttamente le condizioni di Clear Sky nei mesi sottoposti a una copertura nuvolosa intensa o variabile

● Dal confronto dei giorni limite, si deduce che il modello del Solemi tende a sottostimare i valori massimi della DNI nelle condizioni di clear-sky nei mesi primaverili ed estivi

● Entrambi i modelli analizzati sottostimano la radiazione solare diretta nelle condizioni di cielo sereno nei due siti sardi esaminati

ConclusioniConclusioni

R2Coefficiente di Determinazione

R2=∑

1

n

x i−x i2⋅ g i− g i

2

[∑1

n

x i−x i2]⋅[∑

1

n

g i− g i2]

Deviazione Standard

= RMSE2−MBE2

MBE Mean Bias Error

MBE=∑1

n1n⋅x i−g i

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