Presentation by Manuel Floris, March 16th 2011 for EstateLab

1. Confronto fra le misure di DNI a Terra
e
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
“Promozione della ricerca scientifica e dell’innovazione tecnologica in Sardegna”

2. Introduzione
● 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

3. Interazione Radiazione-Atmosfera

4. Interazione 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: O , H O, O , CO
3 2 2 2
●Fenomeni di riflessione a livello di atmosfera
Tutti questi processi dipendono dalle condizioni atmosferiche
e dalla massa d'aria

5. Interazione Radiazione-Atmosfera
● All'aumentare della copertura
nuvolosa:
➔ diminuisce la radiazione
solare diretta
➔ diminuisce la radiazione
solare globale orizzontale
➔ aumenta la radiazione diffusa

6. 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

7. 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

8. DNI 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

9. 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 
Massa d'aria m: è il rapporto tra il Legge modificata di Lambert − Beer
−m ⋅
cammino percorso da un raggio di sole I T= I 0 ei i
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∝ ;  z= angolo zenitale
cos z

10. Il modello clear-sky ESRA
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
●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 per cielo estremamente trasparente; τLinke =6-7 per cielo inquinato
● Valori della profondità ottica di Rayleigh al variare della massa d'aria:

11. 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

12. 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

13. Il modello clear-sky di Bird & Hulstrom
● Input satellitari diretti
● Ozono: NASA/AURA-OMI
● Input satellitari ottimizzati
con modelli:
● Vapor d'acqua: NCEP-
NCAR reanalysis project
● Aerosol: GACP, MATCH,
Aerocom

14. 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
● 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

15. 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
Indice di nuvolosità 0n1
c t , x , y− suolo t , x , y 
n t , x , y=
max t , x , y−suolo t , x , y
c =albedo del pixel esaminato
 suolo= albedo del suolo
max =albedo massimo
 per uno strato di nubi intenso

16. DNI dalle misure satellitari
Calcolo DNI
−10⋅n
DNI = DNI clear sky e

17. Confronto fra le misure a terra e satellitari
● I dati del modello del SoDa sottostimano
ampiamente il valore della DNI per Macchiareddu

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

19. Confronto 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
Ottana
Macchiareddu

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

21. Conclusioni
● 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

22. Sviluppi futuri
● 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

23. Sviluppi 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