Confronto fra le misure di DNI a Terrae
quelle satellitari
Manuel Floris Cagliari, 16 marzo 2011
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
● L'interazione della radiazione solare con l'atmosfera
● I modelli per l'estrapolazione delle misure della DNI dalle misure satellitari:
✔ i modelli clear-sky✔ Il metodo Heliosat-2
● Confronti fra le misure a terra e quelle satellitari:
➢ Anno di misura➢ Serie storiche
● Conclusioni e sviluppi futuri
●Scattering di Rayleigh: interazione con le molecole d’aria●Scattering di Mie: interazione con le polveri e gli inquinanti atmosferici,chiamati Aerosol
●Assorbimento molecolare dovuto alla presenza di: O3, H
2O, O
2, CO
2
●Fenomeni di riflessione a livello di atmosfera
Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche e dalla massa d'aria
Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera
● All'aumentare della copertura nuvolosa:
➔ diminuisce la radiazione solare diretta
➔ diminuisce la radiazione solare globale orizzontale
➔ aumenta la radiazione diffusa
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 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 satellitariDNI dalle misure satellitari
Le misure raccolte a terra sono state confrontate con le misure ricavate dal:
● SoDa, database HelioClim per il 2009/2010:● Modello clear-sky ESRA (2000)● Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2
● SOLEMI (DLR), per gli anni fra il 1996 ed il 2005:● Modello clear-sky di Bird & Hulstrom (1981)● Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2
Il modello clear-sky ESRAIl modello clear-sky ESRA
Legge empirica di Lambert−BeerI T= I 0 e
−
Massa d'aria Massa d'aria mm: è : è 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∝ 1cosz
; z= angolo zenitale
Modello ESRA: modello semiempirico che parte dalla Legge empirica di Lambert-Beer
Legge modificata di Lambert−BeerI T= I 0e
−mi⋅ i
Modello ESRA
DNI clear sky=I 0e−0,8662m⋅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.● τ
Linke =1 per cielo estremamente trasparente; τ
Linke =6-7 per cielo inquinato
●Valori della profondità ottica di Rayleigh al variare della massa d'aria:
Il modello clear-sky ESRAIl modello clear-sky ESRA
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 modello di 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
● Input satellitari diretti● Ozono: NASA/AURA-OMI
● Input satellitari ottimizzati con modelli:● Vapor d'acqua: NCEP-
NCAR reanalysis project● Aerosol: GACP, MATCH,
Aerocom
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● Aerosol 110 Km x 110 Km● Ozono 110 Km x 110 Km
● Un confronto preciso con i dati a terra può essere fatto solo con misure spettrofotometriche
● 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
Indice di nuvolosità 0n1
n t , x , y=c t , x , y− suolot , x , y max t , x , y−suolo t , x , y
c=albedo del pixel esaminato suolo=albedodel suolomax=albedomassimo per uno stratodi nubi intenso
● I dati del modello del SoDa sottostimano ampiamente il valore della DNI per Macchiareddu
Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra le misure a terra e satellitari
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 del 2009/2010 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
● Dal confronto fra le misure a terra e le misure del modello SoDa si vede che il modello sottostima la radiazione solare diretta di circa il 10% in un anno
● 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 nei due siti sardi esaminati
ConclusioniConclusioni
● Il CRS4 ha stipulato a fine gennaio una convenzione triennale con il Ministero della Difesa per l'accesso ai dati Meteosat, storici ed in tempo reale, questo permetterà:● Sviluppo di entrambi i modelli esaminati● Determinazione accurata della torbidità di Linke per i siti in
esame e implementazione di modelli correttivi del modello ESRA per i siti in esame
● Confronto delle misure del modello Solemi con le misure a terra e selezione dei migliori valori di input (aerosol) per i siti in esame
● Creazione di accurate serie storiche di DNI per i siti in esame, utilizzando le ulteriori misure a terra
Sviluppi futuriSviluppi futuri
● Si auspicano ulteriori campagne di misura in vari siti della Sardegna, in modo da permettere la realizzazione di mappe accurate della DNI per la Sardegna
● La presenza di un maggior numero di centraline di rilevamento potrà permettere lo sviluppo di modelli previsionali su scala giornaliera della DNI, basati sugli attuali modelli predittivi meteorologici
Sviluppi futuriSviluppi futuri
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