Manuel Floris @serminaricrs42012 http://www.crs4.it/vale/workshop-b-1-2012 on twitter: #crs4seminars

1. 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
“Promozione della ricerca scientifica e dell’innovazione tecnologica in Sardegna”

2. Introduzione
● Interazione della radiazione
solare con l'atmosfera:
● 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
d'acqua, Aerosol
● La copertura nuvolosa:
Immagini METEOSAT
● Confronti con le misure a
Terra:
● Analisi statistiche
● Giorni Limite
● Conclusioni

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
− a , l 
I  l =I 0,  e 0
= I 0,  e
− 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:
● O3 ultravioletto e visibile
● O2 visibile
● H2O e CO2 infrarosso
● Altre molecole
Legge empirica di Lambert−Beer
Sezione 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
● 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 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
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
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 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):
● 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 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
−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 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
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 & Hulstrom
Equazione di Machler: se sono disponibili α e β

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 =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

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 Mean Bias Error (MBE) Wh/m2:
●
n
1 fornisce l'indicazione sulla deviazione
MBE =∑ ⋅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
1
MBD=100⋅ n
1
∑ n ⋅mi
1
negativo : sottopredice
positivo : sovrapredice

29. Confronto diretto misure a terra e satellitari
RMSE 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
1
RMSD=100⋅ n
1
∑ n ⋅x i
1

30. 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 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