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La radiazione solare diretta: la misura da satellite e il confronto con le misure a terra

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Manuel Floris
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  • 1. La radiazione solare diretta: la misura da satellite e il confronto con le misure a terra Manuel Floris Cagliari, 19 aprile 2012Ricerca 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”
  • 2. Introduzione ● Interazione della radiazione solare con latmosfera: ● Scattering – Rayleigh – Mie – geometrico ● Assorbimento ● Emissione● Estrapolazione delle misure della DNI dalle misure satellitari: ● i modelli clear-sky ● Il metodo Heliosat
  • 3. Introduzione ● I Modelli: Solemi ed Helioclim ● Gli input dei modelli Clear-Sky: Torbidità di Linke,Ozono,Vapor dacqua, Aerosol ● La copertura nuvolosa: Immagini METEOSAT● Confronti con le misure a Terra: ● Analisi statistiche ● Giorni Limite● Conclusioni
  • 4. Interazione Radiazione-Atmosfera
  • 5. Interazione Radiazione-AtmosferadI  =−k a  I  dIk a = K   nn concentrazione particelle−molecole sezione particelle− molecoleK  fattore di efficenza adimens.Sezione d urto /assorbimento a =K   Legge empirica di Lambert−Beer l −∫  a n dl − a , l  I  l =I 0,  e 0 = I 0,  e − a  , l  spessore ottico
  • 6. Interazione Radiazione-Atmosfera: scatteringCondizione per lo scattering=2 a/ a=raggio elemento≪1poiché ∝ K Scatt. Rayleigh K  ∝4Scatt. Mie −3 −0.5 K Ottica geometricaK  ≥
  • 7. Interazione Radiazione-Atmosfera: scatteringScattering di Rayleigh● interessa le molecole con dimensione <<λ: O2, N2, H2O (ghiaccio), che causano le diffusione della radiazione nel visibile e nellultravioletto● 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 donda maggiore interagiscono meno e aumentano a causa di una maggiore presenza di polveriScattering di Mie● diffusione con il fumo, le polveri, gli inquinanti atmosferici chiamati Aerosol e le molecole dacquaScattering geometrico● al crescere delle dimensioni delle particelle rispetto a λ, si entra nel regime dello scattering geometrico, descritto dalle leggi dellottica classica.● le goccioline delle nubi, le gocce di pioggia e le particelle di ghiaccio, producono diversi fenomeni ottici tra cui larcobaleno e gli aloni.
  • 8. Radiazione-Atmosfera: assorbimento ● Assorbimento molecolare dovuto alla presenza di: ● O3 ultravioletto e visibile ● O2 visibile ● H2O e CO2 infrarosso ● Altre molecole Legge empirica di Lambert−BeerSezione d urto/ assorbimento a = K   l −∫  a n dl − a , l K  =K , scatt K  ,ass I  l =I 0,  e 0 = I 0,  e − a  , l  spessore ottico
  • 9. Interazione Radiazione-Atmosfera: aerosol● Interazione della radiazione con gli Aerosol: ● Scattering Mie ● Assorbimento e riemissione della radiazione● Difficoltà nel separare i diversi effetti Equazione di Angstrom  Torbidità di Angstrom  Esponente di Angstrom − k  = −0,53● Gli Aerosol sono difficili da determinare: ● Alta variabilità nello spazio e nel tempo ● Linterazione degli Aerosol con le nuvole è complessa
  • 10. Interazione Radiazione-Atmosfera ● Equazione Trasporto Radiativo: tiene conto della diffusione, dellassorbimento e della riemissione della radiazione Equazione Trasporto Radiativo dI  =−k a I − J  dI l J  =riemissione I l = I 0e − l ,0 ∫ J l e − l ,l  k  dl 0 Spessoreottico fra l ed l l l , l =∫ k  dl lin ogni punto, l’intensità di radiazione in una data direzione dipendedallemissione occorsa in tutti i punti prima di s’, ridotto del fattoreesponenziale che dà conto dell’assorbimento prodotto dalla stessamateria attraversata
  • 11. Interazione Radiazione-AtmosferaScattering di Rayleigh: interazione con le molecole d’aria●Scattering di Mie: interazione con gli Aerosol●Scattering geometrico: diffusione dovuta al ghiaccio e alle gocce dacqua●Assorbimento molecolare di: O3, H2O, O2, CO2● Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche e dalla massa daria
  • 12. Interazione Radiazione-Atmosfera La massa daria mÈ il rapporto tra il camminopercorso da un raggio di solenell’atmosfera ed il camminominimo allo zenit, quando il raggiosolare incide normalmente allasuperficie terrestre.m=0 assenza di massa dariam=1 massa daria allo zenith 1 m∝ cos z 1 m= cos z0,50596,07995 °− z −1,6364  Kasten 1989
  • 13. Misura della DNI● Misura Diretta: ● Misura Indiretta: con campagne di misure a attraverso un modello che utilizza terra, realizzate utilizzando le misure satellitari sulle densità centraline meteo-solari di colonna di O3, H2O, O2, CO2,● Vantaggi: Aerosol e della copertura nuvolosa. elevata precisione ● Vantaggi:● Svantaggi: i. ampia copertura geografica misure valide solo per il sito in esame e per il periodo ii. realizzazione di serie storiche temporale della campagna ● Svantaggi: i. minor precisione delle misure ii. non comprende le variazioni dovute al microclima locale
  • 14. DNI dalle misure satellitari Costruzione del Modello a) Modulo Clear-Sky: implementazione di un modello che descriva linterazione fra la radiazione e latmosfera in assenza di nuvole b) Calcolo della copertura nuvolosaInput del Modelloa) Clear-Sky: misure satellitari densità di colonna dellozono, vapor dacqua, aerosol (O2, CO2 ed N2, si assumono costanti)b) Copertura nuvolosa: immagini METEOSAT e GOES
  • 15. DNI 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
  • 16. Il modello clear-sky ESRAModello ESRA: modello semiempirico che parte dalla Leggeempirica di Lambert-Beer Legge empirica di Lambert − Beer − IT=I0 e  Legge modificata di Lambert− Beer −m ⋅ I T= I 0 e i i Modello ESRA −0,8662 m⋅ Linke m a =2  r  m a DNI clear sky =I 0 e  Linke =torbidità di Linke r m a = profondità ottica di Rayleigh
  • 17. Il modello clear-sky ESRA●La torbidità di Linke è un coefficiente ricavato sperimentalmente, da misuresatellitari e terrestri, descrive lassorbimento e lo scattering causato dagliaerosol, dal vapor dacqua e dalle molecole dellaria. ● 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
  • 18. Il modello clear-sky ESRA●I valori della profondità ottica di Rayleigh al variare della massa daria sonoricavati da misure a terra realizzate in condizioni di clear-sky (Kasten 1996)
  • 19. Il modello clear-sky ESRA Pregi● La τLinkeè disponibile su celle di 10Kmx10Km● La τLinke è confrontabile con le misure dirette a terra Difetti La τLinkeè 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 dacqua
  • 20. Il modello clear-sky di Bird & HulstromModello di Bird & Hulstrom: modello parametrico ottenuto dalconfronto di misure a terra con vari modelli di trasporto radiativo Il modello di Bird − Hulstrom DNI clear sky=0,9751 I 0⋅rayleigh ozono  gas vapor d acqua aerosol l spessore strato di ozono in cm Massa d aria locale −0,001184 h m a=m e 1 m= cos z0,50596,07995 °− z −1,6364 w spessore acqua precipitabile in cm  Kasten 1989
  • 21. Il modello clear-sky di Bird & HulstromEquazione di Machler: se sono disponibili α e β
  • 22. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom● 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 satellitari Aerocom ● Ris. Spaziale: 110Km x 110Km ● Ris. Temporale: media mensile
  • 23. Il 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 dacqua 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 dacqua (rete AERONET)
  • 24. La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2 ● 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
  • 25. La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2● Albedo ρ: è la frazione di luce riflessa da una superficie 0<ρ<1Indice di nuvolosità 0n1 t t , x , y− suolo t , x , yn t , x , y= max =0,78−0,13 1−e  5 −4cos z  max t , x , y−suolo t , x , yt =albedo del pixel esaminato cielo sereno t =suolo suolo= albedo del suolomax =albedo massimo cielo nuvoloso t =max per uno strato di nubi intenso
  • 26. DNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMICalcolo DNI −10⋅nDNI = DNI clear sky e
  • 27. Confronto diretto misure a terra e satellitariMBE Mean Bias Error Mean Bias Error (MBE) Wh/m2: ● n 1 fornisce lindicazione sulla deviazioneMBE =∑ ⋅x i −g i 1 n media fra i valori predetti xi e quelli misurati gi (è la media degli scarti);MBD Mean Bias Deviation MBD, valore relativo di MBE %   ● n 1 ∑ n ⋅x i− g i 1MBD=100⋅ n 1 ∑ n ⋅mi 1negativo : sottopredicepositivo : sovrapredice
  • 28. Confronto diretto misure a terra e satellitariRMSE Root Mean Square Error Root Mean Square Error (RMSE) ●  n 1 Wh/m2:RMSE = ∑ ⋅ xi −g i  2  1 n è la misura della variazione dei valori predetti xi intorno a quelli misurati gi;RMSD Root Mean Square Deviation RMSD, valore relativo di RMSE % il ●    n 1 valore ideale è pari a 0 ∑n ⋅ x i− g i 2 1RMSD=100⋅ n 1 ∑ n ⋅x i 1
  • 29. Confronto diretto misure a terra e satellitari CC Coefficiente di Correlazione n ∑  x i− x i⋅ g i − g i    1 CC= [ ][ ] n n ∑  x i −x i  ⋅ ∑  g i −g i  2 2 1 1 Coefficiente di Correlazione Lineare:indica il grado di correlazione lineare fra le grandezzepreviste xi e quelle misurate gi;è pari a 1 quando la correlazione è totale
  • 30. Confronto fra le misure a terra e satellitariModello Helioclim3: Coeff. Correlazione Ottana
  • 31. Confronto fra le misure a terra e satellitariModello Helioclim3: RMSD Ottana Valor medio sui 2 anni e 8 mesidella variazione dei valori predetti intorno a quelli misurati
  • 32. Confronto fra le misure a terra e satellitari Modello Helioclim3
  • 33. Confronto fra le misure a terra e satellitari Modello Solemi
  • 34. Confronto fra le misure a terra e satellitariConfronto fra i modelli per lanno 2005
  • 35. Confronto fra le misure a terra e satellitariNon potendo confrontare le misure raccolte dal 2009 al 2012 con quellericavate dal modello del Solemi, abbiamo confrontato landamento deigiorni limite per i due siti OttanaMacchiareddu
  • 36. Confronto fra le misure a terra e satellitari OttanaMacchiareddu
  • 37. Errore causato dalla deposizione di polveri Il giorno limite permette di determinare lerrore dovuto allo sporcamento degli strumenti
  • 38. Altri modelli
  • 39. Conclusioni● I modelli per ricavare la misura della DNI da misure satellitari soffrono di unelevata imprecisione nelle stime giornaliere e mensili● I punti critici di questi modelli sono legati allampio errore che si compie nel misurare da satellite i coefficienti di Angstrom per gli aerosol● I modelli non tengono conto delle variazioni microclimatiche locali dellabbondanza e specie degli aerosol e della densità del vapore dacqua● Il confronto con le misure a terra della DNI, e con quelle spettrofotometriche può permettere una correzione locale per i modelli
  • 40. Conclusioni● 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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