la radiazione solare diretta: la misura da satellite e il confronto con le misure a terra
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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”
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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
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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
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Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera
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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
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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 ≥
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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
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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
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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
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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
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●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
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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
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● 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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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Il modello clear-sky di Bird & HulstromIl modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Equazione di Machler: se sono disponibili α e β
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● 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
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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)
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● 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
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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
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CalcoloDNI
DNI=DNI clear sky e−10⋅n
DNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMIDNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMI
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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 %
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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
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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
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Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3: Coeff. Correlazione Ottana
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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
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Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3
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Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Solemi
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Confronto fra i modelli per l'anno 2005
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
![Page 36: La radiazione solare diretta: la misura da satellite e il confronto con le misure a terra](https://reader030.vdocuments.mx/reader030/viewer/2022020720/55599c45d8b42aa4288b4578/html5/thumbnails/36.jpg)
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
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Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
Ottana
Macchiareddu
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Il giorno limite permette di determinare l'errore dovuto
allo sporcamento degli strumenti
Errore causato dalla deposizione di polveriErrore causato dalla deposizione di polveri
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Altri modelliAltri modelli
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● 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
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● 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
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