In questo seminario si presentano i risultati delle campagne di misura sulla DNI realizzate in Sardegna e coordinate dal CRS4. In particolare ci si sofferma fra i confronti delle misure realizzate a terra con quelle estrapolate dai modelli satellitari.

1. La radiazione solare diretta:
la misura da satellite
e il confronto con le misure a terra
Manuel Floris
manuelfloris@yahoo.it
Cagliari, 19 aprile 2012
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”

2. Introduzione
●
Interazione della radiazione
solare con l'atmosfera:
●
Scattering
Rayleigh
– Mie
– geometrico
Assorbimento
–
●
●
●
Estrapolazione delle
misure della DNI dalle
misure satellitari:
●
i modelli clear-sky
●
Il metodo Heliosat
Emissione

3. Introduzione
●
●
●
●
Confronti con le misure a
Terra:
●
●
●
Analisi statistiche
Giorni Limite
Conclusioni
I Modelli: Solemi ed Helioclim
Gli input dei modelli Clear-Sky:
Torbidità di Linke,Ozono,Vapor
d'acqua, Aerosol
La copertura nuvolosa:
Immagini METEOSAT

4. Interazione Radiazione-Atmosfera

5. Interazione Radiazione-Atmosfera
dI  =−k a   I  dI
k a = K   n
n concentrazione particelle−molecole
 sezione particelle− molecole
K  fattore di efficenza adimens.
Sezione d ' urto /assorbimento
 a =K  
Legge empirica di Lambert −Beer
l
−∫  a  n dl
I  l =I 0,  e
0
= I 0,  e
− a  , l 
− a  , l  spessore ottico

6. Interazione Radiazione-Atmosfera: scattering
Condizione per lo scattering
=2 a/ 
a=raggio elemento
≪1
poiché  ∝ K 
Scatt. Rayleigh K  ∝ 4
Scatt. Mie
−3
−0.5
 K 
Ottica geometrica
K  ≥

7. Interazione Radiazione-Atmosfera: scattering
Scattering di Rayleigh
●
●
●
●
interessa le molecole con dimensione <<λ: O2, N2, H2O (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.

8. Radiazione-Atmosfera: assorbimento
Assorbimento molecolare
dovuto alla presenza di:
●
●
●
O2 visibile
●
H2O e CO2 infrarosso
●
Sezione d ' urto/ assorbimento
 a = K  
K  =K  , scatt  K  ,ass
O3 ultravioletto e visibile
Altre molecole
Legge empirica di Lambert −Beer
l
−∫  a  n dl
I  l =I 0,  e
0
= I 0,  e
− a  , l 
− 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
−
k  = 
●
 Torbidità di Angstrom
 Esponente di Angstrom
−0,53
Gli Aerosol sono difficili da determinare:
●
●
Alta variabilità nello spazio e nel tempo
L'interazione degli Aerosol con le nuvole è
complessa

10. Interazione Radiazione-Atmosfera
●
Equazione Trasporto Radiativo:
tiene conto della diffusione, dell'assorbimento e
della riemissione della radiazione
Equazione Trasporto Radiativo
dI  =−k a  I − J  dI
J  =riemissione
l
I l = I 0e
−  l ,0
∫ J l ' e
−  l ,l ' 
k  dl
0
Spessore ottico fra l ed l '
l
 l , l ' =∫ k  dl
l'
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

11. Interazione Radiazione-Atmosfera
●
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, H2O, O2, CO2
Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche
e dalla massa d'aria

12. Interazione Radiazione-Atmosfera
La massa d'aria m
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
1
m∝
cos z
m=
1
cos z0,50596,07995 °− z −1,6364
 Kasten 1989

13. Misura della DNI
●
Misura Diretta:
●
con campagne di misure a
terra, realizzate utilizzando
centraline meteo-solari
●
●
attraverso un modello che utilizza
le misure satellitari sulle densità
di colonna di O3, H2O, O2, CO2,
Aerosol e della copertura
nuvolosa.
Vantaggi:
elevata precisione
Svantaggi:
misure valide solo per il sito in
esame e per il periodo
temporale della campagna
Misura Indiretta:
●
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

14. DNI 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 (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):
●
●
Copertura nuvolosa ricavata con il metodo Heliosat-2
●
Misure ogni 15 minuti di: DNI, GHI, DHI, GTI
●
●
Modello clear-sky ESRA (2000)
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 ESRA
Modello ESRA: modello semiempirico che parte dalla Legge
empirica 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
DNI clear sky =I 0 e
−0,8662 m⋅ Linke m a =2  r  m a
 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 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

18. Il 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)
●

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 d'acqua

20. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Modello di Bird & Hulstrom: modello parametrico ottenuto dal
confronto 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
m=
w spessore acqua precipitabile in cm
1
cos z0,50596,07995 °− z −1,6364
 Kasten 1989

21. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
Equazione di Machler: se sono disponibili α e β

22. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
●
Input satellitari diretti
Ozono: NASA/AURA-OMI
●
Ris. Spaziale:
27,5Km x 27,5 Km
●
Ris. Temporale:
media giornaliera
●
Input satellitari ottimizzati con
modelli:
Vapor d'acqua: NCEP-NCAR
reanalysis project
●
Ris. Spaziale:
275Km x 275Km
●
Ris. Temporale:
media giornaliera o ogni 6 ore

23. 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

24. 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 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)

25. 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

26. La copertura nuvolosa: il metodo Heliosat-2
●
Albedo ρ:
è la frazione di luce
riflessa da una superficie
0<ρ<1
Indice di nuvolosità 0n1
t t , x , y− suolo t , x , y
n t , x , y=
max t , x , y−suolo t , x , y
t =albedo del pixel esaminato
 suolo= albedo del suolo
max =albedo massimo
 per uno strato di nubi intenso
max =0,78−0,13  1−e
5
−4cos  z 
cielo sereno t =suolo
cielo nuvoloso t =max


27. DNI dalle misure satellitari: SoDa- SOLEMI
Calcolo DNI
−10⋅n
DNI = DNI clear sky e

28. Confronto diretto misure a terra e satellitari
MBE Mean Bias Error
n
1
MBE =∑ ⋅x i −g i
1 n
●
Mean Bias Error (MBE) Wh/m2:
fornisce l'indicazione sulla deviazione
media fra i valori predetti xi e quelli
misurati gi (è la media degli scarti);
MBD Mean Bias Deviation
 
n
MBD=100⋅
1
∑ n ⋅x i− g i
1
n
1
∑ n ⋅mi
1
negativo : sottopredice
positivo : sovrapredice
●
MBD, valore relativo di MBE %

29. Confronto diretto misure a terra e satellitari
RMSE Root Mean Square Error

n
●
Root Mean Square Error (RMSE)
Wh/m2:
1
2
RMSE = ∑ ⋅ xi −g i 
1 n
è la misura della variazione dei valori
predetti xi intorno a quelli misurati gi;
RMSD Root MeanSquare Deviation

RMSD=100⋅

n
1
⋅ x i− g i 2
∑n
1
n
1
∑ n ⋅x i
1

●
RMSD, valore relativo di RMSE % il
valore ideale è pari a 0

30. Confronto diretto misure a terra e satellitari
CC Coefficiente di Correlazione
n
CC =
∑  x i− x i⋅ g i − g i 


1
[
n
][
n
∑  xi − xi  ⋅ ∑  gi − gi 


1
2
1
2
]
Coefficiente di Correlazione Lineare:
indica il grado di correlazione lineare fra le grandezze
previste xi e quelle misurate gi;
è pari a 1 quando la correlazione è totale

31. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3: Coeff. Correlazione Ottana

32. Confronto 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

33. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Helioclim3

34. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Modello Solemi

35. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Confronto fra i modelli per l'anno 2005

36. Confronto 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
Ottana
Macchiareddu

37. Confronto fra le misure a terra e satellitari
Ottana
Macchiareddu

38. Errore causato dalla deposizione di polveri
Il giorno limite permette di
determinare l'errore dovuto
allo sporcamento degli
strumenti

39. Altri modelli

40. Conclusioni
●
●
●
●
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

41. 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

42. 2
R Coefficiente di Determinazione
n
2
R=
 Deviazione Standard
2
2
 = RMSE − MBE


∑  x i− x i 2⋅ g i− g i 2
[
1
n
][
n


∑  x i − x i 2 ⋅ ∑  g i− g i 2
1
1
]
MBE Mean Bias Error
n
1
MBE =∑ ⋅x i −g i
1 n