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

Interazione Radiazione-AtmosferaInterazione Radiazione-Atmosfera

●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

CalcoloDNI

DNI=DNI clear sky e−10⋅n

DNI dalle misure satellitariDNI dalle misure satellitari

● 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