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La radiazione solare diretta:la misura da satellite
e il confronto con le misure a terra
Manuel Floris 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-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera
Interazione Radiazione-Atmosfera: scatteringInterazione Radiazione-Atmosfera: scattering
Condizione per loscattering
=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
Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera
● 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
Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera
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
Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera
● 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 geograficaii. realizzazione di serie storiche
● Svantaggi:i. minor precisione delle misureii. non comprende le variazioni
dovute al microclima locale
DNI dalle misure satellitariDNI dalle misure satellitari
Costruzione del Modelloa) 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 Modelloa) 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
Il modello clear-sky ESRAIl modello clear-sky ESRA
●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)
Il modello clear-sky ESRAIl modello clear-sky ESRA
Pregi● La τ
Linkeè disponibile su celle
di 10Kmx10Km● La τ
Linke è confrontabile con
le misure dirette a terra
DifettiLa τ
Linkeè 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⋅rayleighozonogasvapor d ' acquaaerosol
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
Il modello clear-sky di Bird & HulstromIl modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Equazione di Machler: se sono disponibili α e β
● 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● Ris. Spaziale: 210Km x 210Km● Ris. Temporale: media mensile
● Aerosol: comparazione modelli e dati terrestri e satellitariAerocom● Ris. Spaziale: 110Km x 110Km● Ris. Temporale: media mensile
Il modello clear-sky di Bird & HulstromIl modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Il modello clear-sky di Bird & HulstromIl modello clear-sky di Bird & Hulstrom
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°generazioneRisol. 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
Indicedi 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 superficie0<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
n 1n⋅x i−g i
∑1
n 1n⋅mi
negativo : sottopredicepositivo : sovrapredice
MBE Mean Bias Error
MBE=∑1
n 1n⋅x i−g i
●Mean Bias Error (MBE) Wh/m2: fornisce l'indicazione sulla deviazionemedia fra i valori predetti x
i e quelli
misurati gi (è la media degli scarti);
●MBD, valore relativo di MBE %
Confronto diretto misure a terra e satellitariConfronto diretto misure a terra e satellitari
RMSD Root MeanSquare Deviation
RMSD=100⋅∑1
n 1n⋅x i−g i
2
∑1
n 1n⋅x i
RMSE Root Mean Square Error
RMSE=∑1
n 1n⋅ xi−g i
2
●Root Mean Square Error (RMSE)Wh/m2: è la misura della variazione dei valoripredetti x
i intorno a quelli misurati g
i;
●RMSD, valore relativo di RMSE % il
valore ideale è pari a 0
Confronto diretto misure a terra e satellitariConfronto diretto misure a terra e satellitari
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
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3: RMSD Ottana
Valor medio sui 2 anni e 8 mesi della variazione dei valori predetti intorno a quelli misurati
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Solemi
Confronto fra i modelli per l'anno 2005
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
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
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Ottana
Macchiareddu
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
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