ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΙΩΑΝΝΗ ΒΑΜΒΑΚΑ Α.Μ:482

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ του ΙΩΑΝΝΗ ΒΑΜΒΑΚΑ Α.Μ:482 ΜΕΛΕΤΗ ΤΩΝ ΦΑΙΝΟΜΕΝΩΝ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ ΤΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ με τη χρήση μοντέλων, μετρήσεων και ψηφιακών απεικονίσεων του ουράνιου θόλου Επιβλέπων : Ανδρέας Καζαντζίδης, Αναπληρωτής Καθηγητής Πάτρα, Ιούνιος 2016

2 Περίληψη Τα νέφη θεωρούνται ως ο βασικός ατμοσφαιρικός παράγοντας που επηρεάζει την ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης (Surface Solar Irradiance, SSI) εξαιτίας της υψηλής χωρικής και χρονικής τους μεταβλητότητας. Οι μεταβολές του τύπου, της νεφοκάλυψης και του οπτικού βάθους των νεφών έχουν ως αποτέλεσμα τιμές της ηλιακής ακτινοβολίας που κυμαίνονται από πολύ σημαντικές μειώσεις μέχρι ουσιαστικές ενισχύσεις κάτω υπό ορισμένες προϋποθέσεις. Σκοπός της εργασίας αυτής ήταν να εξετάσουμε τη μεταβλητότητα της ολικής (Global Horizontal Irradiance, GHI) και της άμεσης (Direct Normal Irradiance, DNI) ηλιακής ακτινοβολίας εξαιτίας των νεφών, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στα ενισχυτικά γεγονότα. Τα όργανα τα οποία χρησιμοποιήσαμε ήταν ένα σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (digital imaging system), ένα ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (rotating shadowband irradiometer) και ένα μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας (radiative transfer model), ώστε να εξετάσουμε την επίδραση των διαφόρων τύπων νεφών (πυκνά και αραιά νέφη) πάνω στην επιφανειακή ηλιακή ακτινοβολία (SSI). Στη παρούσα εργασία χρησιμοποιήσαμε μέσες 1min μετρήσεις της ολικής Νέφωσης (CDOC), των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin clouds) και της ανίχνευσης ή μη του ηλιακού δίσκου για 1 χρόνο (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015), από ένα σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS J1006), εγκατεστημένο στη ταράτσα του Εργαστηρίου Φυσικής Ατμόσφαιρας (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l). Επίσης χρησιμοποιήσαμε μετρήσεις της ολικής οριζόντιας (GHI IRRADIOMETER ) και άμεσης (DNI IRRADIOMETER ) ακτινοβολίας από ένα ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (RSI) και υπολογισμούς της άμεσης και ολικής (DNI MODEL και GHI MODEL ) από ένα μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας (radiative transfer model) υπό συνθήκες ανέφελου ουρανού (cloudless sky) και χωρίς την παρουσία αιωρούμενων σωματιδίων ( without aerosols). Δίνοντας λοιπόν ιδιαίτερη έμφαση στα ενισχυτικά γεγονότα της ολικής οριζόντιας ακτινοβολίας (GHI) εξαιτίας των νεφών, βρήκαμε 3287 ενισχύσεις της GHI σε σύνολο δεδομένων (ποσοστό ενισχύσεων 2.7%) για ηλιακή ζενίθια γωνία (sza 80 o ) και επί τοις εκατό διαφορά μεταξύ της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που δίνει το όργανο και αυτής που δίνει το μοντέλο (%difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL 5%). Επιπλέον εξετάσαμε την κατανομή μέσω ραβδογραμμάτων των 3287 ενισχύσεων συναρτήσει της %difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL αλλά και της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza). Παρατηρήσαμε ότι 1524 ενισχύσεις κυμαίνονταν μεταξύ των ηλιακών ζενίθιων γωνιών (sza = 55 ο -75 o ) και το 62 % αυτών των ενισχύσεων αντιστοιχούσε σε ολική νέφωση (CDOC 0.5). Επίσης εξετάσαμε και την κατανομή των 1524 ενισχύσεων συναρτήσει της διαφοράς μεταξύ της ολικής ακτινοβολίας που δίνει το όργανο και αυτής που δίνει το μοντέλο (difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL ) και επικεντρωθήκαμε στα ενισχυτικά γεγονότα με difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL 200 W/m 2, παρουσιάζοντας εικόνες από το VIS J1006. Όσο αναφορά τους διαφορετικούς τύπους νεφών, εξετάσαμε την ισχυρή ενισχυτική επίδραση του κλάσματος των πυκνών και αραιών νεφών (thick, thin cloud fraction) στη difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL και στη διαφορά μεταξύ της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας που μας δίνει το όργανο και αυτής που μας δίνει το μοντέλο (difference_dni IRRADIOMETER-MODEL ) για συγκεκριμένο εύρος ζενίθιας γωνίας (sza = 30 o ± 1 o και 60 ο ± 1 ο αντιστοίχως). Επιπλέον παρατηρήσαμε και την ισχυρή επίδραση των πυκνών νεφών (thick clouds) σε σχέση με τα αραιά νέφη (thin clouds) στη difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL και difference_dni IRRADIOMETER-MODEL στις 10/5/2015, όπου οι μετρήσεις της ολικής οριζόντιας ακτινοβολίας (GHI RADIOMETER ) προσέγγιζαν και ξεπερνούσαν το όριο των 1365 W/m 2 (ακραίο ενισχυτικό γεγονός) και η difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL προσέγγιζε περίπου τα 300 W/m 2. Ολοκληρώνοντας παρουσιάσαμε χρονοσειρές (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015), 2

3 που έδειχναν τη μεταβολή της ολικής οριζόντιας ακτινοβολίας του ακτινομέτρου και του μοντέλου (GHI IRRADIOMETER, GHI MODEL ), με την ακτινοβολία του ακτινομέτρου (GHI IRRADIOMETER ) να προσεγγίζει τα 1400 W/m 2 τη περίοδο Μαΐου Ιουνίου

4 Abstract Clouds are considered as the major atmospheric factor that affects the surface solar irradiance (SSI) due to its high spatial temporal and spatial variability, the different types and, consequently, the changes in optical depth. As a result, events ranging from almost total reduction to substantial enhancements of SSI under particular conditions can occur. The purpose of this study was to examine the variability of Global Horizontal Irradiance (GHI), Direct Normal Irradiance (DNI) due to clouds, with emphasis on extreme irradiance enhancements. A digital imaging system, measurements and model calculations are used in order to examine the effect of different cloud types (thick or thin) on SSI. In the present study we used 1minute averaged data of the total cloud coverage (CDOC), thick and thin clouds and the detection of the sun for one year (August September 2015) from a digital imaging system (VIS J1006), installed on the rooftop of the Laboratory Atmospheric Physics Department (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l). In addition we used measurements of the Global Horizontal Irradiance (GHI IRRADIOMETER) and Direct Normal Irradiance (DNI IRRADIOMETER ) from the Rotating Shadowband Irradiometer (RSI) and estimates of Direct and Global (DNI MODEL, GHI MODEL ) from a Radiative transfer Model without the existence of Clouds and Aerosols. Therefore giving a special emphasis the enhancements events of Global Horizontal Irradiance (GHI) due to clouds, we found 3287 enhancements of GHI in total of enhancements (percentage of enhancements = 2.7%) for solar zenith angle (sza 80 o ) and percentage difference between the Global Solar Irradiance of Irradiometer and the Global irradiance of Model (%difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL 5%). Furthermore we studied the distribution of 3287 enhancements on the basis of %difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL and solar zenith angle (sza). We noticed that the 1524 enhancements accounted for the solar zenith angle (sza: 55 o -75 o ) and the 62% of these enhancements accounted for the Total Cloud Coverage (CDOC 0.5). In addition, we studied the distribution of 1524 enhancements on the basis of the difference between Global Solar Irradiance of Irradiometer and the Global irradiance of Model (difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL ) and we concentrated on the enhancements events with difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL 200W/m 2, presenting images from VIS J1006. As for the different types of clouds, we studied the strong enhancing or not effect of thick and thin clouds fraction on the difference GHI IRRADIOMETER - MODEL and the difference between the Direct Normal Irradiance of Instrument and the Direct Normal Irradiance of Model (difference_dni IRRADIOMETER-MODEL ) for specific range of solar zenith angle (sza = 30 o ± 1 o and 60 ο ± 1 ο ) respectively. In addition, we examined the strong effect of thick clouds compared to thin clouds on the difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL and difference_dni IRRADIOMETER-MODEL on 10 th May 2015, when Global Solar Irradiance of Irradiometer (GHI IRRADIOMETER ) approaches or be higher than 1365 W/m 2 (extreme enhancement event) and the difference_ghi IRRADIOMETER-MODEL approaches the value of 300W/m 2. At the end we presented time series (August 2014 September 2015) of Global Solar Irradiance of Irradiometer and Model (GHI IRRADIOMETER, GHI MODEL ), with GHI IRRADIOMETER approaches 1400 W/m 2 the period of May June

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η Διπλωματική Εργασία εκπονήθηκε κατά το ακαδημαϊκό έτος Θα ήθελα να ευχαριστήσω πρώτα απ όλα τον Επιβλέποντα Καθηγητή κ. Ανδρέα Καζαντζίδη για την πολύτιμη βοήθεια και υποστήριξη του σε όλη τη διάρκεια της εκπόνησης, τον Καθηγητή κ. Αθανάσιο Αργυρίου και τον Επίκουρο Καθηγητή Ιωάννη Κουτσιούκη για τη βοήθεια τους. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω τον CMS-Ing. Dr Josef Schreder για την παροχή της VIS J1006 camera αλλά και την ομάδα libradtran για την παροχή του αλγορίθμου του μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας. 5

6 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1.1 Εισαγωγή Σκοπός- Οργάνωση Διπλωματικής... 7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΗΛΙΟΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ H Ηλιακή ακτινοβολία στο όριο της Ατμόσφαιρας Ηλιακή ακτινοβολία εντός της Γήινης Ατμόσφαιρας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΝΕΦΩΝ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΑ ΝΕΦΗ Εισαγωγή Νέφη Ταξινόμηση των νεφών Ορισμός Ενισχύσεων Ενισχυτικά νέφη ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΩΝ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Ή ΜΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (SSI) Εισαγωγή Αποτελέσματα Προηγούμενων Ερευνών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: OΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ Όργανα μέτρησης - Εισαγωγή Ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI) Μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας Σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS J1006) Λογισμικό Findclouds Περιγραφή Διαδικασίας Περιγραφή Μεθοδολογίας ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Εισαγωγή - Παρουσίαση Στατιστικών Αποτελεσμάτων Επίδραση των διαφόρων τύπων των νεφών (πυκνών και αραιών νεφών) στην ολική οριζόντια (GHI) και άμεση (DNI) ηλιακή ακτινοβολία Παρουσίαση Χρονοσειρών για τη συνιστώσα της Ολικής Οριζόντιας Ακτινοβολίας (GHI RADIOMETER, GHI PYRANOMETER, GHI MODEL ) Συμπεράσματα ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Εισαγωγή Το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης (SSI) ποικίλει εξαιτίας της μεταβολής των ατμοσφαιρικών συνθηκών και της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza), κατά τη διάρκεια της ημέρας και όλη τη χρονιά. Η γνώση λοιπόν της βραχυπρόθεσμης μεταβλητότητας της ηλιακής επιφανειακής ακτινοβολίας (SSI) είναι σημαντική για την εγκυρότητα των κλιματικών μοντέλων και για μελέτες που επικεντρώνονται στη χρήση της ηλιακής ενέργειας ως μια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας. Η νέφωση είναι ο κυρίαρχος ατμοσφαιρικός παράγοντας, ο οποίος επηρεάζει το ποσό της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της Γης. Επιπλέον, η σύσταση της ατμόσφαιρας σε αιωρούμενα σωματίδια επηρεάζει σε μικρότερο βαθμό, μέσω σκέδασης ή απορρόφησης, την ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της Γης και κυρίως την άμεση συνιστώσα της. Σ αυτή την εργασία επικεντρωθήκαμε στην επίδραση των νεφών σε δύο συνιστώσες της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (SSI): την ολική ηλιακή ακτινοβολία (GHI), και την άμεση ηλιακή ακτινοβολία (DNI). GHI είναι το συνολικό ποσό της μικρού μήκους κύματος ακτινοβολίας, το οποίο, προερχόμενο από τον ήλιο, φτάνει σε μια οριζόντια επιφάνεια στο έδαφος. DNI είναι η ηλιακή ακτινοβολία η οποία φτάνει απευθείας από τη κατεύθυνση του ήλιου, που βρίσκεται σε συγκεκριμένη θέση στον ουράνιο θόλο, χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση ή απορρόφηση στην ατμόσφαιρα. Εμείς επικεντρωνόμαστε στις ακραίες και μη ενισχύσεις της ηλιακής ακτινοβολίας εξαιτίας των νεφών. Αυτά τα γεγονότα συνήθως εμφανίζονται κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες νέφωσης όταν επικρατούν σωρειτόμορφα νέφη (cumulus clouds) και ο ήλιος βρίσκεται ανάμεσα τους, με την προϋπόθεση να μην εμποδίζεται από αυτά (Piacentini et al. 2011). Επίσης, συμβαίνει και όταν τα νέφη βρίσκονται στο επάνω τμήμα του ουράνιου θόλου με ζενίθια γωνία (za=0-45 μοίρες) και ο ήλιος βρίσκεται σε μία κατώτερη θέση (Tzoumanikas et al.2016). 1.2 Σκοπός- Οργάνωση Διπλωματικής Στόχος της παρούσας διπλωματικής είναι να παρουσιάσει τα αποτελέσματα της μελέτης πάνω στις ενισχύσεις της GHI, με τη συνεργατική χρήση δεδομένων από ένα ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (RSI), από ένα μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας (radiative transfer model) και από ένα σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS-J1006) στη Πάτρα. Αρχικά έχουμε το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS-J1006) το οποίο τραβάει φωτογραφίες του ουρανού ανά λεπτό για σχεδόν 1 χρόνο (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015). Κατά τη διάρκεια καταγραφής των εικόνων, έχουμε αυτόματο υπολογισμό της ολικής Νέφωσης (CDOC), των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin clouds), χρησιμοποιώντας τους αλγορίθμους ανίχνευσης του νέφους και της τάξης αδιαφάνειας του, μέσω ενός λογισμικού (Findclouds software) το οποίο λαμβάνει υπόψη συγκεκριμένο περίγραμμα της ζενίθιας γωνίας και του Ορίζοντα της τοποθεσίας. 7

8 Επιπλέον το Findclouds software χρησιμοποιεί ένα Υψηλού δυναμικού εύρους αλγόριθμο, ώστε να αναλύσει τη περιοχή του ουράνιου θόλου γύρω από τον ήλιο με στόχο την ανίχνευση του ήλιου. Όσο αναφορά το ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (RSI), αυτό λειτουργεί όπως ένα απλό πυρανόμετρο μετρώντας την GHI (GHI IRRADIOMETER ) και ως ένα ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο μετρώντας τη Διάχυτη Οριζόντια Ακτινοβολία (DHI IRRADIOMETER ). Έχοντας τις μετρήσεις της GHI IRRADIOMETER και DHI IRRADIOMETER υπολογίζουμε την DNI (DNI IRRADIOMETER ). Έχοντας τα δεδομένα νέφωσης από VIS-J1006 και τις συνιστώσες ακτινοβολίας από το ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (RSI) και από το μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας, τα αντιστοιχίζουμε με βάση τη μέρα, ώρα (time_utc) και ζενίθια γωνία (sza) εφαρμόζοντας τη μέθοδο της Γραμμικής παρεμβολής. Με βάση αυτή τη αντιστοίχιση μελετάμε τις ενισχύσεις της GHI λόγω των νεφών. Αρχικά εξετάζουμε τη κατανομή των ενισχύσεων της GHI συναρτήσει της επί τοις εκατό διαφοράς μεταξύ της GHI που μας δίνει το όργανο μέτρησης και αυτής που μας δίνει το μοντέλο ( %difference GHI IRRADIOMETER-MODEL ) και της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza). Επιπλέον διερευνούμε την επίδραση των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin clouds) στη διαφορά μεταξύ της GHI που μας δίνει το όργανο μέτρησης και αυτής που μας δίνει το μοντέλο (difference GHI IRRADIOMETER-MODEL ) και στη διαφορά μεταξύ της DNI που μας δίνει το όργανο μέτρησης και αυτής που μας δίνει το μοντέλο (difference DNI IRRADIOMETER-MODEL ), με συγκεκριμένο εύρος για την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza= 30 o ± 1 o και 60 ο ± 1 ο ), αλλά και την επίδραση των νεφών στη διάρκεια μια μέρας που έχουμε ακραίο ενισχυτικό γεγονός (extreme enhancement). Επίσης θα παρουσιάσουμε χρονοσειρές (time series), που θα δείχνουν τη μεταβολή της GHI του οργάνου και αυτής του μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας (GHI IRRADIOMETER και GHI MODEL ) και τη μεταβολή της διαφοράς μεταξύ της GHI του οργάνου μέτρησης και αυτής του μοντέλου (difference GHI IRRADIOMETER-MODEL ) (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015). Η διάρθρωση της Διπλωματικής θα γίνει ως εξής: Στο δεύτερο κεφάλαιο θα αναφερθούμε στην ηλιακή ακτινοβολία και τις συνιστώσες της Στο τρίτο κεφάλαιο θα αναφερθούμε στις κατηγορίες των νεφών και θα επικεντρωθούμε στους τύπους των νεφών που προκαλούν τις ενισχύσεις και κάτω υπό ποιες συνθήκες. Στο τέταρτο κεφάλαιο θα αναφερθούμε σε προηγούμενες έρευνες σχετικές με την ενισχυτική ή μη επίδραση των νεφών στην επιφανειακή ηλιακή ακτινοβολία (SSI) και θα παρουσιάσουμε τα βασικά τους αποτελέσματα και γραφικές Στο πέμπτο κεφάλαιο θα αναφερθούμε στα όργανα τα οποία χρησιμοποιήσαμε και τη μέθοδο της Γραμμικής παρεμβολής την οποία εφαρμόσαμε. Στο έκτο κεφάλαιο θα παρουσιάσουμε τα αποτελέσματα μας, εικόνες και γραφικές σχετικά με τις ενισχύσεις της GHI λόγω των νεφών. Σχετικά με τις γραφικές θα παρουσιάσουμε τη κατανομή των ενισχύσεων της GHI συναρτήσει της επί τοις 8

9 εκατό διαφοράς μεταξύ της ολικής ακτινοβολίας που μας δίνει το όργανο μέτρησης και αυτής που μας δίνει το μοντέλο (% difference GHI IRRADIOMETER-MODEL ) και της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza). Επίσης θα δούμε γραφικά την επίδραση των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin clouds) στη difference GHI IRRADIOMETER-MODEL και στη διαφορά μεταξύ της άμεσης ακτινοβολίας που μας δίνει το όργανο μέτρησης και αυτής που μας δίνει το μοντέλο (difference DNI IRRADIOMETER-MODEL ) με συγκεκριμένο εύρος για την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza= 30 o ± 1 o και 60 ο ± 1 ο ), αλλά και την επίδραση των νεφών στη διάρκεια μια μέρας που έχουμε ακραίο ενισχυτικό γεγονός (extreme enhancement). Επίσης θα παρουσιάσουμε χρονοσειρές, οι οποίες θα δείχνουν τη μεταβολή της ολικής ακτινοβολίας του οργάνου και αυτής του μοντέλου (GHI IRRADIOMETER, GHI MODEL ) και τη μεταβολή της διαφοράς μεταξύ της ολικής ακτινοβολίας οργάνου και αυτής του μοντέλου (difference GHI IRRADIOMETER-MODEL ) (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015). 9

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 : ΗΛΙΟΣ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΚΑΙ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ 2.1 H Ηλιακή ακτινοβολία στο όριο της Ατμόσφαιρας Ο ήλιος είναι ο σημαντικότερος αστέρας του ηλιακού μας συστήματος και το λαμπρότερο σώμα του ουρανού. Είναι σχεδόν μια τέλεια σφαίρα αερίων υψηλής θερμοκρασίας με διάμετρο d=1.39x10 6 km και μάζα m=2x10 3 kg. Οσόν αναφορά τη χημική του σύσταση αποτελείται από 74% Η 2, 25% Ηe και 1% μείγμα από 100 χημικά στοιχεία. Περιστρέφεται γύρω από τον άξονα του από τη δύση προς την ανατολή, κάνοντας μια πλήρη περιστροφή ο ισημερινός του σε περίπου 27 ημέρες και οι πόλοι του σε περίπου 32 ημέρες. Η θερμοκρασία στην επιφάνεια του ήλιου, που συμπεριφέρεται ως μέλαν σώμα, είναι στα 5800 K, ενώ στο εσωτερικό του είναι της τάξης των 15x10 6 K, η οποία οφείλεται στις αντιδράσεις θερμοπυρηνικής τήξης όπου το Η 2 μετατρέπεται σε Ηe. Αυτές οι αντιδράσεις απελευθερώνουν ενέργεια στο πυρήνα, η οποία μεταφέρεται εξωτερικά με ακτινοβολία και μετάδοση θερμότητας για να ακτινοβοληθεί στη συνέχεια στο διάστημα και να φτάσει στην γήινη ατμόσφαιρα σε διάστημα 8 λεπτών. Έτσι η συνολική ενέργεια, η οποία προσπίπτει στη κορυφή της γήινης ατμόσφαιρας σε μια επιφάνεια κάθετη στην ακτινοβολία, αν ολοκληρώσουμε σ όλα τα μήκη κύματος από τη περιοχή του υπεριώδους ως αυτή του υπερύθρου, είναι G o =1367 W/m 2 και λέγεται ηλιακή σταθερά. Αυτή η τιμή για την ηλιακή σταθερά αναφέρεται στη μέση απόσταση Ήλιου Γης, η οποία μεταβάλλεται κατά τη διάρκεια του έτους, λόγω της ελλειπτικής τροχιάς της Γης με κλίση ο δ ο. Συγκεκριμένα η ηλιακή σταθερά παίρνει τη μέγιστη τιμή της τη 1 η Ιανουαρίου, όπου έχουμε την ελάχιστη απόσταση Ήλιου Γης (περιήλιο) και την ελάχιστη τιμή της στις αρχές Ιουλίου, όπου έχουμε τη μέγιστη απόσταση Ήλιου Γης (αφήλιο). Η επίδραση της μεταβολή της απόστασης Ήλιου Γης στην ηλιακή σταθερά σε οριζόντιο επίπεδο στο όριο της ατμόσφαιρας, εκφράζεται μέσω της σχέσης: G on = G o [ cos (360N/365)] cos (sza) (2.1) Όπου Ν = Ιουλιανή ημέρα με Ν = 1 για την 1 η Ιανουαρίου και sza = ηλιακή ζενίθια γωνία. Η sza εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος (φ) και μήκος (L loc ) του τόπου (Πάτρα), τον τοπικό ωρολογιακό χρόνο (Τ.Ω.Χ = utc_time + 2h), την κλίση της ελλειπτικής τροχιάς της Γης (δ) και την γωνιακή μετατόπιση του ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού (ω). 2.2 Ηλιακή ακτινοβολία εντός της Γήινης Ατμόσφαιρας Η ολική οριζόντια ακτινοβολία (GHI), η οποία διέρχεται εντός της Γήινης ατμόσφαιρας διαιρείται στην άμεση οριζόντια (beam horizontal irradiance, BHI) και 10

11 διάχυτη οριζόντια ακτινοβολία (diffuse horizontal irradiance, DHI) όταν προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης. Όσο αναφορά την BHI, είναι η ακτινοβολία που προσπίπτει απευθείας από τον ήλιο οριζόντια στη επιφάνεια του εδάφους. Η ΒΗΙ δίνεται μέσω της σχέσης: ΒΗΙ = DNI cos (sza) (2.2) Όπου DNI = άμεση ηλιακή ακτινοβολία που προσπίπτει απευθείας από τον ήλιο χωρίς να έχει υποστεί σκέδαση ή απορρόφηση κατά τη πορεία της μέσα στην ατμόσφαιρα. Η DNI, η οποία προσπίπτει στην επιφάνεια της Γης εξαρτάται από τη μεταβολή στην απόσταση Ήλιου - Γης, λόγω της κλίσης της ελλειπτικής τροχιάς της Γης γύρω από τον ήλιο (υπεύθυνη για εναλλαγή των εποχών), γεωγραφικό πλάτος (φ) και γεωγραφικό μήκος της περιοχής (L loc ) στο οποίο πήραμε τις μετρήσεις (Πάτρα), την ηλιακή απόκλιση (ω) ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού και την υφιστάμενη σκέδαση ή απορρόφηση. Όσο αφορά τη διάχυτη οριζόντια ακτινοβολία (DHI) είναι η ακτινοβολία η οποία διερχόμενη από την ατμοσφαιρική μάζα, εξασθενεί λόγω σκέδασης και απορρόφησης στα συστατικά της ατμόσφαιρας. Η εξασθένηση αυτή εξαρτάται από τη φασματική περιοχή της ακτινοβολίας και από την απόσταση την οποία διανύει μέσα στην ατμόσφαιρα. Συγκεκριμένα η απόσταση αυτή είναι η μικρότερη δυνατή κατά τη θερινή περίοδο, οπότε έχουμε μικρότερη εξασθένηση της ακτινοβολίας. Έτσι η DHI εξαρτάται από την ηλιακή ζενίθια γωνία ή το ηλιακό ύψος (solar height), το υψόμετρο του τόπου, τη λευκαύγεια του εδάφους, τον τύπο των νεφών και την παρουσία αερολυμάτων και υδροσταγόνων που υπάρχουν στην ατμόσφαιρα. Όσο αφορά το ηλιακό ύψος = 90 o - sza, ενώ το υψόμετρο του τόπου που πήραμε τις μετρήσεις είναι h = 50m για τη περιοχή της Πάτρας. Η σχέση η οποία συνδέει την ολική οριζόντια ακτινοβολία με την άμεση και τη διάχυτη (Εικόνα.2.5) είναι: GHI = DNI cos (sza) + DHI (2.3) Εικόνα.2.4: Σχηματική απεικόνιση της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza) 11

12 Εικόνα.2.5: Απεικόνιση των τριών συνιστωσών της Επιφανειακής Ηλιακής Ακτινοβολίας (GHI, DNI και DHI) 12

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: ΚΑΤΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΣΗ ΝΕΦΩΝ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΑ ΝΕΦΗ 3.1 Εισαγωγή Στο παρόν κεφάλαιο θα ασχοληθούμε με την επίδραση των νεφών στην ολική οριζόντια ακτινοβολία, οπότε είναι σημαντικό να δώσουμε έναν ορισμό για τα νέφη και να αναφερθούμε στις κατηγορίες των νεφών. Επίσης θα επικεντρωθούμε στα νέφη αυτά που επιδρούν ενισχυτικά στην GHI, παραθέτοντας εικόνες από το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS J1006), το οποίο χρησιμοποιήσαμε για τη καταγραφή του ουρανού για διάστημα ενός χρόνου (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015). 3.2 Νέφη Νέφη ονομάζονται οι αιωρούμενοι ατμοσφαιρικοί σχηματισμοί οι οποίοι αποτελούνται από υδροσταγόνες παγοκρυστάλλους ή και συνδυασμό των δύο. Συγκεκριμένα ο σχηματισμός τους οφείλεται σε ανοδικά ρεύματα που κατά την άνοδο τους προς την τροπόσφαιρα ψύχονται αδιαβατικά, δηλαδή η ελάττωση της θερμοκρασίας του αέρα επέρχεται από την εκτόνωση του και όχι από την εκπομπή θερμότητας στο περιβάλλον. Έτσι κατά την διεργασία αυτή τα μόρια των υδρατμών (Η 2 Ο) κολλούν πάνω στα μικροσκοπικά σωματίδια της ατμόσφαιρας, τους πυρήνες, σχηματίζοντας τα υδροσταγονίδια των νεφών. Έτσι επέρχεται η συμπύκνωση των υδρατμών, με απαραίτητη προϋπόθεση η Τ AIR < T ΔΡΟΣΟΥ, ώστε ο αέρας να μπορεί να συγκρατήσει υδρατμούς και να μην είναι κορεσμένος. Όσο αφορά τον κύκλο ζωής του νέφους, από τον σχηματισμό έως την ανάπτυξη και διάλυση του, καθοριστικό ρόλο παίζουν οι ατμοσφαιρικές συνθήκες και ιδιαίτερα η παρουσία κατακόρυφων κινήσεων στην ατμόσφαιρα. Επιπλέον ο κύκλος ζωής του καθορίζεται από την περιεκτικότητα της αέριας μάζας σε υδρατμούς, τη θερμοκρασία της αέριας μάζας και τη διαφορά της από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος, αλλά και της παρουσίας μετώπων και ανάγλυφου. 3.3 Ταξινόμηση των νεφών Με βάση το τρόπο σχηματισμού και το ύψος των νεφών, μπορούμε να κατατάξουμε τα νέφη σε σωρείτες, στρώματα και ανώτερα, μέσα, κατώτερα και ανοδικών ρευμάτων. Σύμφωνα με τον τρόπο σχηματισμού τους έχουμε τους σωρείτες και τα στρώματα ή στρωματόμορφα νέφη. Σωρείτες (Cumulus): Χαρακτηρίζονται τα νέφη με μορφή σωρού. Ο σχηματισμός τους οφείλεται στον εξαναγκασμό του υγρού αέρα ν ανέλθει γρήγορα. Αυτή η ανύψωση οφείλεται στις περιόδους ισχυρών ανοδικών θερμικών ρευμάτων. Επίσης συμβαίνει όταν θερμός αέρας αναγκάζεται σε άνοδο από ψυχρό ρεύμα αέρα που εισβάλλει τάχιστα. Το χαρακτηριστικό τους γνώρισμα είναι η μικρή βάση τους σε σχέση με το μεγάλο ύψος τους. Αυτή η κατηγορία νεφών, όπως θα δούμε στη συνέχεια, είναι υπεύθυνη για την εμφάνιση των ενισχυτικών γεγονότων όσο αφορά τη GHI. 13

14 Στρωματόμορφα νέφη (Stratus): Χαρακτηρίζονται τα νέφη που έχουν μορφή στρώματος. Ο σχηματισμός τους οφείλεται στον υγρό αέρα που ανυψώνεται με μικρότερη ταχύτητα απ ότι συμβαίνει στους σωρείτες. Ο σχηματισμός τέτοιων στρωμάτων οφείλεται σε θερμά μέτωπα ή όταν ο ασταθής αέρας αναγκάζεται να ανυψωθεί λόγω πρόσκρουσης του σε οροσειρές ή σε ψηλές απόκρημνες ακτές. Επίσης ο σχηματισμός τους μπορεί να προκληθεί όταν μεγάλου μεγέθους στρόβιλοι κατορθώσουν να ανυψώσουν τον αέρα μέχρι του ύψους όπου επέρχεται συμπύκνωση των υδρατμών. Χαρακτηριστικό τους γνώρισμα είναι η μεγάλη τους βάση σε οριζόντια έκταση σε σχέση με το ύψος τους. Εικόνα. 3.1: Σωρείτες ή Σωρειτόμορφα Νέφη Εικόνα.3.2: Στρώματα ή στρωματόμορφα νέφη 14

15 Όσο αναφορά την απόσταση της βάσης τους από το έδαφος (ύψος νεφών), διακρίνονται σε ανώτερα, μέσα, κατώτερα και ανοδικών ρευμάτων νέφη. Ανώτερα νέφη: Ο σχηματισμός τους γίνεται σε ύψος 6 12 km. Η εμφάνιση τους θεωρείται ως ο αγγελιοφόρος μεταβολής του καιρού. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν οι θύσανοι (Cirrus), θυσανοσωρείτες (Cirrocumulus) και τα θυσανοστρώματα (Cirrostratus). Χαρακτηριστικό γνώρισμα της κατηγορίας αυτών των νεφών είναι ότι αποτελούνται από παγοκρυστάλλους. Εικόνα. 3.3: θύσανοι (Cirrus) Θύσανοι (Cirrus): Λευκά νέφη με μορφή νημάτων ή αλογοουρών. Πριν την ανατολή ή δύση του ηλίου είναι κιτρινοκόκκινα, ενώ μετά τη δύση του ηλίου παίρνουν καφέ χρώμα. Σχηματισμός σε ύψος 8 12 km με μικρή οριζόντια έκταση. Αποτελούνται από παγοκρυστάλλους. 15

16 Εικόνα.3.4: Θυσανοσωρείτες (Cirrocumulus) Θυσανοσωρείτες (Cirrocumulus): Λεπτά λευκά νέφη με σχήμα μικρών κυμάτων σε σειρές. Ύψος σχηματισμού 6 12 km. Αποτελούνται από παγοκρυστάλλους. Σπάνιος σχηματισμός τέτοιων νεφών και μεγάλη ομοιότητα με τους Υψισωρείτες. Εικόνα.3.5: Θυσανοστρώματα (Cirrostratus) Θυσανοστρώματα (Cirrostratus): Λεπτά νέφη με σχήμα λευκών σεντονιών ή πέπλων. Σχηματίζουν ένα φωτεινό ηλιακό δίσκο ως αποτέλεσμα της διαθλάσεως 16

17 των ακτίνων του ήλιου καθώς προσπίπτουν στους παγοκρυστάλλους αυτών των σχηματισμών. Το ύψος σχηματισμού τους είναι 6 12 km με χαρακτηριστικό τους γνώρισμα το πέπλο μεγάλης έκτασης. Η πύκνωση τους είναι προάγγελος βροχής. Μεσαία νέφη: Ο σχηματισμός των νεφών γίνεται σε ύψος 3-6 km και αποτελούνται από υδροσταγονίδια. Στη κατηγορία αυτή ανήκουν οι υψισωρείτες (altocumulus) και τα υψιστρώματα (altostratus). Υψισωρείτες (Altocumulus): Νεφικοί σχηματισμοί με σφαιρικό σχήμα. Το χαρακτηριστικό τους χρώμα είναι υπόλευκο γκρίζο. Εμφανίζονται είτε κατά σειρές είτε κατά ομάδες. Έχουν μεγάλο σφαιρικό όγκο που τους κάνει να ξεχωρίζουν από τους θυσανοσωρείτες. Αποτελούνται από υδροσταγονίδια γι αυτό και δεν παρουσιάζουν άλω, αλλά μίγμα χρωμάτων του ουράνιου τόξου που λέγεται ίριδα ή στέμμα μικρότερο από την άλω. Το ύψος σχηματισμού τους είναι km. Αν οι παρουσιαζόμενοι υψισωρείτες εμφανίζονται σε διαφορετικά ύψη προβλέπεται βροχή ή καταιγίδα. Υψιστρώματα (Altostratus): Νεφικοί σχηματισμοί πυκνού πέπλου με ανοιχτό γκρίζο προς το γαλάζιο χρώμα, οι οποίοι αποτελούνται από υδροσταγονίδια. Η οριζόντια έκταση τους είναι δεκάδων ή και εκατοντάδων χιλιομέτρων. Το ύψος σχηματισμού τους κυμαίνεται από 2 6 km. Δεν εμφανίζουν άλω και εκτείνονται σε μεγαλύτερη οριζόντια έκταση από τα θυσανοστρώματα (cirrostratus). Η αύξηση τέτοιων νεφών φανερώνει επικείμενη βροχή διαρκείας. Εικόνα. 3.6: Υψισωρείτες (Altocumulus) 17

18 Εικόνα.3.7: Υψιστρώματα (Altostratus) Κατώτερα νέφη: Η βάση τους βρίσκεται πολύ κοντά στην επιφάνεια της Γης, με ύψος σχηματισμού στα 2.5 km. Στη κατηγορία αυτή ανήκουν τα στρώματα (Stratus), στρωματομελανίες (Nimbostratus) και οι στρωματοσωρείτες (Stratocumulus). Εικόνα. 3.8: Στρωματομελανίες (Nimbostratus) 18

19 Στρωματομελανίες (Nimbostratus): Στρώματα τα οποία αποτελούνται από πυκνά νέφη που ο ήλιος δεν ξεχωρίζει. Χρωματικά είναι γκρίζα και πολύ σκοτεινά σε σύγκριση με άλλα είδη νεφών. Συνήθως καλύπτουν όλο τον ουρανό και το ύψος σχηματισμού τους κυμαίνεται από km. Στρωματοσωρείτες (Stratocumulus): Χρωματικά είναι γκρίζα υπόλευκα με ασαφή σκοτεινά τμήματα. Συνήθως αποτελούν μάζες κυλινδρικών νεφών με σχήμα κυλινδρικού φουσκωτού στρώματος. Εμφανίζονται κατά ομάδες ή κύματα. Έχουν ομοιότητες με τα cumulus λόγω ανοδικών κινήσεων. Δεν παράγουν βροχή αλλά μπορούν να μετατραπούν σε Στρωματομελανίες (Nimbostratus) ( σύννεφα βροχής). Αποτελούνται κυρίως από υδροσταγονίδια και σπανιότερα από χιονιόκοκκους. Εικόνα. 3.9: Στρωματοσωρείτες (Stratocumulus) Νέφη ανοδικών ρευμάτων: Στη κατηγορία αυτή ανήκουν οι σωρείτες (Cumulus) και οι σωρειτομελανίες (Cumulonimbus). Σωρειτομελανίες (Cumulonimbus): Νέφη ογκώδη και πυκνά με τη βάση τους να ακουμπά σχεδόν στο έδαφος. Χαρακτηριστικό τους γνώρισμα είναι η μεγάλη κατακόρυφη ανάπτυξη. Επίσης ένα τμήμα της κορυφής τους παρουσιάζει οριζόντια ινώδη μορφή σαν ένα αμόνι. Η ανάπτυξή τους οφείλεται σε βίαια ανοδικά ρεύματα αέρα, που μπορούν να ανυψώσουν τις κορυφές έως και 15 km. 19

20 Εικόνα. 3.10: Σωρειτομελανίες (Cumulonimbus) 3.4 Ορισμός Ενισχύσεων Ενισχυτικά νέφη Γνωρίζουμε ότι ορισμένες φορές, η ακτινοβολία η οποία φτάνει στο έδαφος (SSI) είναι μεγαλύτερη σε σύγκριση με την επιφανειακή ηλιακή ακτινοβολία που μας δίνει ένα μοντέλο υπό ανέφελο ουρανό και χωρίς την ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων για συγκεκριμένο τόπο (π.χ. Πάτρα) ημέρα και χρονική στιγμή. Τα γεγονότα αυτά ονομάζονται ενισχύσεις της SSI λόγω των νεφών (enhancements of SSI ) και είναι ικανά να δώσουν επιφανειακή ακτινοβολία υψηλότερη από τα επίπεδα της στο όριο της ατμόσφαιρας (ακραία ενίσχυση) (Piacentini et al., 2003, 2011, Antón et al., 2011). Οι παράγοντες, οι οποίοι καθορίζουν τον αριθμό των ενισχυτικών γεγονότων της SSI και το εύρος αυτών των ενισχύσεων είναι το είδος των νεφών, το γεωγραφικό πλάτος (φ) και μήκος (L) του τόπου, η μεταβλητή απόσταση Ήλιου Γης λόγω της κλίσης του άξονα περιστροφής της Γης, η ηλιακή ζενίθια γωνία και το υψόμετρο. Συγκεκριμένα η κατηγορία των νεφών που είναι υπεύθυνη για την πρόκληση αυτών των ενισχύσεων, είναι τα σωρειτόμορφα νέφη (cumulus clouds), εξαιτίας των βραχυπρόθεσμων μεταβολών τους και της ανομοιογένειας τους, που επιφέρουν αντίστοιχες μεταβολές στην SSI και οδηγούν σε ουσιαστικές ενισχύσεις. Όσο αναφορά τα κριτήρια που πρέπει να υφίστανται ώστε να έχουμε ουσιαστικές ενισχύσεις της ηλιακής ακτινοβολίας λόγω των σωρειτών είναι (Piacentini et al.2011): i) τα νέφη αυτά να μην καλύπτουν τον ηλιακό δίσκο, αλλά να βρίσκονται γύρω από αυτόν, ώστε οι ακτίνες του ήλιου να ανακλώνται στα όριά τους. ii) H ελάχιστη νεφοκάλυψη να μην είναι χαμηλότερη από 50% και η μέγιστη μεγαλύτερη από 90%, ώστε να υπάρχουν καθαρά τμήματα του ουρανού μεταξύ των νεφών, όπου ο ήλιος να μπορεί να βρεθεί και να λάβουν χώρα ενισχυτικά γεγονότα. iii) Τα νέφη να είναι μεγάλης κατακόρυφης ανάπτυξης (πυκνά νέφη) ώστε να σκεδάζουν την ηλιακή ακτινοβολία και να αυξάνουν την πυκνότητα της διάχυτης. 20

21 Αν όμως λάβουμε υπόψη την έρευνα των Yordanov et al., 2013, η ενίσχυση της ηλιακής ακτινοβολίας μπορεί να είναι αποτέλεσμα εμπροσθοσκέδασης Mie του φωτός μέσα από τα νέφη, μέσω μια στενής γωνίας γύρω από τον ηλιακό δίσκο. Συγκεκριμένα η έρευνα τους έδειξε ότι το 51% όλων των σκεδαζόμενων φωτονίων συγκεντρώνεται γύρω από μία γωνία 5 ο συμβάλλοντας στην ενίσχυση της ακτινοβολίας. Όσο αναφορά τη σκέδαση Mie της ηλιακής ακτινοβολίας που λαμβάνει χώρα στη περιοχή των σωρειτών, είναι ένα είδος εμπροσθοσκέδασης εξαιτίας της μεγάλης διαμέτρου των υδρατμών σε σύγκριση με το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που προσπίπτει στο νέφος. Επίσης μια παρόμοια κατάσταση παρουσίασε και η έρευνα του Rouse, 1987, ο οποίος υποστήριξε ότι αν η λευκάγεια της κορυφής του νέφους είναι μικρότερη της λευκάγειας της βάσης του νέφους και της λευκάγειας στο όριο της ατμόσφαιρας, τότε η ακτινοβολία διαπερνά το νέφος και ενισχύεται, με την ενίσχυση της ηλιακής ακτινοβολίας να λαμβάνει υψηλές τιμές, εξαιτίας πολλαπλών ανακλάσεων μεταξύ του εδάφους και της βάσης του νέφους. Αν επικεντρωθούμε τώρα στους παράγοντες που επιδρούν στο εύρος και αριθμό των ενισχύσεων, θα μπορούσαμε να ισχυριστούμε ότι όσο μικρότερο είναι το γεωγραφικό πλάτος της περιοχής που παίρνουμε μετρήσεις, τόσο ποιο μεγάλες ενισχύσεις της GHI λαμβάνουν χώρα. Συγκεκριμένα, οι Emck και Richter, 2008, παρουσίασαν μια μελέτη, έχοντας μετρήσεις τεσσάρων ετών της GHI από την περιοχή των Άνδεων, κοντά στον ισημερινό σε ύψος 1900m, όπου παρατήρησαν πολλαπλά ακραία ενισχυτικά συμβάντα της GHI, η οποία ξεπερνούσε τα 1700 W/m 2 με μέγιστη καταγεγραμμένη τιμή τα 1832 W/m 2. Αυτές οι αυξημένες τιμές της GHI οφείλονταν στις μικρότερες σχετικά τιμές, που λαμβάνει η ηλιακή ζενίθια γωνία (sza) κοντά στον ισημερινό σε σχέση με άλλα γεωγραφικά πλάτη, αλλά και στην αυξημένη υγρασία που επικρατεί σ αυτές τις περιοχές. Επιπλέον, το ύψος εγκατάστασης σε συνδυασμό με την ανάλυση των μετρήσεων και τον χρόνο απόκρισης του οργάνου επηρεάζει τον αριθμό και το εύρος των ακραίων ενισχύσεων (Marcelo Pinho Almeida et. al., 2014). Συγκεκριμένα, για ύψος εγκατάστασης του οργάνου μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας (Pyranometer, type MS-802) h = 360m, ανάλυση μετρήσεων 60 s και αντίδραση οργάνου 5s, παίρνουμε μέγιστη GHI ίση με 1533 W/m 2, σύμφωνα με την έρευνα των Tapakis και Charalambides, 2014, για την περιοχή της Κύπρου. Στην εργασία μας χρησιμοποιήσαμε ένα ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (RSI), με χρόνο απόκρισης και ανάλυσης των μετρήσεων μικρότερο σε σχέση με αυτόν του πυρανομέτρου MS-802. Συγκεκριμένα ο χρόνος απόκρισης των αισθητήρων του RSI που μετρούν την Ολική Ακτινοβολία (GHI) είναι 10-6 sec, με χρόνο ανάλυσης των μετρήσεων = 1sec και ύψος εγκατάστασης του h = 50 m. Συνοπτικά, για τη περιοχή της Πάτρας, παρατηρήθηκαν 2 ακραίες ενισχύσεις (10/5/2015, 7/6/2015, utc_time = 10:04, utc_time = 9:47) με τιμές της GHI ίσες με 1368 και 1372 W/m 2 αντιστοίχως. Όσο αναφορά το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS-J1006), στο οποίο θα αναφερθούμε αναλυτικά στο 5 κεφάλαιο, θα παρουσιάσουμε εικόνες όπου λαμβάνουν χώρα ενισχυτικά γεγονότα: 21

22 Εικόνα. 3.11: Θυσανοσωρείτες - Υψισωρείτες (Cirrocumulus Altocumulus) (4/3/2015, 13:31 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) Εικόνα.3.12: Στρωματοσωρείτες (Stratocumulus) (21/4/2015, 15:32 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) 22

23 Εικόνα.3.13: Στρωματοσωρείτες (Stratocumulus) (28/4/2015, 13:22 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) Εικόνα. 3.14: Σωρείτες (Cumulus) (30/4/2015, 11:58 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) 23

24 Εικόνα.3.15: Υψισωρείτες (Altocumulus) (9/5/2015, 7:53 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) Εικόνα.3.16: Στρωματοσωρείτες (Stratocumulus) (10/5/2015, 10:04 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) 24

25 Εικόνα. 3.17: Υψισωρείτες (Altocumulus) (26/6/2015, 14:35 UT, ενίσχυση: W/m 2 ) Ο πίνακας 3.18 απεικονίζει τις επικρατούσες συνθήκες νέφωσης, την ανίχνευση ή μη του ηλιακού δίσκου, τις τιμές της μετρούμενης GHI και τις τιμές της ολικής ακτινοβολίας που παίρνουμε από ένα μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας, κατά τη διάρκεια των ενισχυτικώνν γεγονότων της GHI. Επίσης περιλαμβάνει και τις τιμές της διαφοράς μεταξύ της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που μας δίνει το όργανο και αυτής που μας δίνει το μοντέλο (difference_ghi RADIOMETER-MODEL ) Πίνακας 3.18: Τιμές νέφωσης και ακτινοβολιών από VIS J1006, ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο (RSI) και μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας 25

26 Επίσης στις 10/5/2015 στις 10:04: η GHI_radiometer = W/m 2 είναι μεγαλύτερη από την ηλιακή ακτινοβολία στο όριο της ατμόσφαιρας = 1365 W/m 2, οπότε έχουμε γεγονός ακραίας ενίσχυσης της GHI. Την χρονική αυτή στιγμή ο ήλιος καλύπτεται από νέφη (sun = 0) και η διαφορά μεταξύ της μετρούμενης GHI (GHI_radiometer) και της GHI του μοντέλου (GHI_model) φτάνει στη μεγαλύτερη τιμή της ( W/m 2 ) σε σύγκριση με τις άλλες 6 περιπτώσεις. Φαίνεται λοιπόν ότι στις 10/5/2015 στις 10:04 είμαστε σε μία κατάσταση σαν αυτή που περιέγραψε ο Rouse το 1987, ότι η κορυφή του νέφους έχει μικρότερη λευκάγεια από τη βάση του και από το όριο της ατμόσφαιρας, όποτε η ακτινοβολία διαπερνά το νέφος (σκέδαση Mie) και λόγω πολλαπλών ανακλάσεων έχουμε μεγάλη ενίσχυση. Επιπλέον πρέπει να τονίσουμε ότι η επίδραση της νέφωσης στο μέγεθος της ενίσχυσης εξαρτάται άμεσα και από τη σχετική θέση των νεφών σε σχέση με τον ήλιο. Συγκεκριμένα στις 21/4/2015 στις 15:32 όπου το κλάσμα νεφοκάλυψης είναι 0.72, το μέγεθος της ενίσχυσης (difference_ghi RADIOMETER-MODEL ) είναι το μικρότερο σε σχέση με τις άλλες 6 περιπτώσεις. Ίσως αυτό οφείλεται στο ότι ένα μέρος της ολικής νέφωσης είναι αραιά νέφη (thin clouds), των οποίων η επίδραση στο μέγεθος της ενίσχυσης της GHI είναι αμελητέα σε σχέση με τα πυκνά (thick clouds). Για την επίδραση των αραιών και πυκνών νεφών (thick, thin clouds) στο μέγεθος της ενίσχυσης της GHI θα μιλήσουμε αναλυτικότερα στο 6ο κεφάλαιο. 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΠΡΟΗΓΟΥΜΕΝΩΝ ΕΡΓΑΣΙΩΝ ΣΧΕΤΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΕΝΙΣΧΥΤΙΚΗ Ή ΜΗ ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΩΝ ΝΕΦΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΗΛΙΑΚΗ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ (SSI) 4.1 Εισαγωγή Σκοπός του παρόντος κεφαλαίου είναι να αναφερθούμε σε παλαιότερες εργασίες, που διερεύνησαν την ενισχυτική ή μη επίδραση των νεφών στην SSI, με στόχο να εξάγουν συμπεράσματα για την χωρική και χρονική της μεταβλητότητα. Η γνώση της χωρικής και χρονικής μεταβλητότητας της SSI είναι σημαντική, επειδή θεωρείται ως βασικό στοιχείο για μελέτες που σχετίζονται με τις τεχνολογίες των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Συγκεκριμένα, μπορεί να γίνει αξιοποίηση της GHI μέσω των φωτοβολταϊκών και ηλιακών θερμικών ή ψυκτικών συστημάτων ή της DNI μέσω ηλιακών εγκαταστάσεων πύργου (solar tower plants) και τεχνολογιών ηλιακών πιάτων (solar dish technologies). Επίσης αν έχουμε γνώση της μεταβλητότητας της μπορούμε να ελέγξουμε τη εγκυρότητα των κλιματικών μοντέλων καθώς και τις εκτιμήσεις του ενεργειακού ισοζυγίου. 4.2 Αποτελέσματα Προηγούμενων Ερευνών Αρχικά θα αναφερθούμε στην έρευνα των Piacentini et al., 2011, η οποία παρουσίασε πολύ ακραίες μετρήσεις της GHI για τη περιοχή της Βραζιλίας στη πόλη Recife (8.05 o S, o W, 4 m a.s.l) και για περίοδο μετρήσεων ενός χρόνου (Φεβρουάριος 2008 Ιανουάριος 2009). Σε ορισμένες περιπτώσεις η GHI ξεπερνούσε την ηλιακή σταθερά μέσω της διόρθωσης της απόστασης Ήλιου Γης. Συγκεκριμένα, το ποσοστό των ημερών που έλαβαν χώρα ακραίες ενισχύσεις ήταν το 3.4% της συνολικής περιόδου καταγραφής. Επίσης, αυτό το ποσοστό αύξανε στο 7.4% και 15.3% για την GHI, αν συγκριθεί με το 0.95 και 0.90 της τιμής της ηλιακής σταθεράς. Όσο αναφορά τη μεγαλύτερη ακραία ενίσχυση της GHI, αυτή καταγράφηκε στις 28/3/2008 σε τοπική ώρα = 11:34 από ένα ακτινόμετρο (radiometer Eppley PSP) και ήταν 1477 ± 30 W/m 2. Η τιμή αυτή ξεπερνούσε κατά 7.9 % την ηλιακή σταθερά για αυτή τη μέρα ( W/m 2 ) και κατά 42.3 % την υπολογιζόμενη τιμή της Ολικής Οριζόντιας Ακτινοβολίας (GHI MODEL = W/m 2 ) από ένα μοντέλο (Iqbal radiation model) για ανέφελο ουρανό. Για τις 28/3/2008 έχει απεικονισθεί γραφικά η μετρούμενη και υπολογιζόμενη GHI (GHI RADIOMETER, GHI MODEL ) και η διορθωμένη ακτινοβολία στο όριο της ατμόσφαιρας για εκείνη την ημέρα συναρτήσει του χρόνου καταγραφής της μέτρησης (Σχήμα.4.1) : 27

28 Σχήμα.4.1: Μετρούμενη ολική ηλιακή ακτινοβολία (GHI RADIOMETER ) στη περιοχή του Recife στις 28/3/2008 (μαύρη γραμμή), υπολογισμένη ολική ηλιακή ακτινοβολία από το μοντέλο (GHI MODEL, γκρι γραμμή) και η διορθωμένη ηλιακή σταθερά στο όριο της ατμόσφαιρας (οριζόντια γραμμή) Στις 10/12/2008 είχαμε τη δεύτερη μεγαλύτερη καταγραφή της GHI (1464 W/m 2 ) για τη Περιοχή του Recife. Έτσι έγινε γραφική απεικόνιση της μετρούμενης και υπολογιζόμενης ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (GHI RADIOMETER, GHI MODEL ) και της διορθωμένης ακτινοβολίας στο όριο της ατμόσφαιρας συναρτήσει του χρόνου καταγραφής της μέτρησης (Σχήμα.4.2) : Οι παράμετροι του μοντέλου (Iqbal radiation model) που χρησιμοποιήθηκε για να υπολογίζει την ολική οριζόντια ακτινοβολία (GHI MODEL ) για ανέφελο ουρανό στην περιοχή του Recife ήταν: i) πίεση (P = 1015 hpa), ii) ορατότητα (visibility = 15 km), iii) όζον (Ο 3 = 261 Dobson), iv) λευκάγεια του εδάφους (surface albedo = 0.2), v) συντελεστή εμπροσθοσκέδασης (single scattering albedo = 0.9). Έτσι οι παράμετροι των αιωρούμενων σωματιδίων και της λευκάγειας του εδάφους έπρεπε να ήταν γνωστοί για τον υπολογισμό της ολικής ακτινοβολίας του μοντέλου (GHI MODEL ) για δεδομένη ημέρα και ώρα. Ολοκληρώνοντας την έρευνα των Piacentini et al., 2011, παραθέτουμε τη μεταβολή των καθημερινών μεγίστων της GHI, όπως καταγράφηκαν από το ακτινόμετρο (Eppley PSP) για διάστημα 1 χρόνου (Ιανουάριος 2008 Φεβρουάριος 2009), αλλά και της μεταβολής της ακτινοβολίας στο όριο της ατμόσφαιρας για το ίδιο διάστημα (Σχήμα.4.3): 28

29 Σχήμα.4.2: Μετρούμενη ολική ηλιακή ακτινοβολία (GHI RADIOMETER ) στη περιοχή του Recife στις 10/12/2008 (μαύρη γραμμή), υπολογισμένη ολική ηλιακή ακτινοβολία από το μοντέλο (GHI MODEL, γκρι γραμμή) και η διορθωμένη ηλιακή σταθερά στο όριο της Ατμόσφαιρας (οριζόντια γραμμή) Σχήμα.4.3: Μέγιστα της καθημερινής μετρούμενης ολικής οριζόντιας ακτινοβολίας (GHI RADIOMETER ) (κυκλικό σχήμα) και των διορθωμένων ακτινοβολιών στο όριο της ατμόσφαιρας (μαύρη καμπύλη, γκρι και ελαφριά γκρι) για διάστημα 1 χρόνου στη περιοχή του Recife. Συγκεκριμένα στο Σχήμα.4.3: i) η μαύρη καμπύλη παρουσιάζει την ετήσια μεταβολή της 100 % διορθωμένης ακτινοβολίας λόγω της μεταβλητής απόστασης Ήλιου - Γης που προσπίπτει στο όριο της ατμόσφαιρας. 29

30 ii) Η γκρι καμπύλη παρουσιάζει την ετήσια μεταβολή της 95 % διορθωμένης ακτινοβολίας λόγω της μεταβλητής απόστασης Ήλιου - Γης που προσπίπτει στο όριο της ατμόσφαιρας. iii) H ελαφριά γκρι καμπύλη παρουσιάζει την ετήσια μεταβολή της 90 % διορθωμένης ακτινοβολίας λόγω της μεταβλητής απόστασης Ήλιου - Γης που προσπίπτει στο όριο της ατμόσφαιρας. Όσο αναφορά τις γκρι μπάρες στο Σχήμα.4.3 υποδηλώνουν απουσία δεδομένων. Επίσης στη γραφική αυτή παρατηρούμε τις 2 μεγαλύτερες ακραίες ενισχύσεις της GHI (extreme enhancements of GHI) για τη περιοχή του Recife. Συγκεκριμένα με τον αριθμό 1 είναι η ακραία ενίσχυση της GHI (GHI RADIOMETER = 1477 W/m 2 ) στις 28/3/2008 σε τοπική ώρα: 11:34 και με τον αριθμό 2 είναι η ακραία ενίσχυση της GHI (GHI RADIOMETER = 1464 W/m 2 ) στις 10/12/2008 και τοπική ώρα : 10:03 Στη συνέχεια θα αναφερθούμε στην εργασία των Tapakis και Charalambides, Στην εργασία αυτή παρουσιάστηκαν μετρήσεις ενισχυμένης GHI από ληφθέντα δεδομένα στην Κύπρο (34.7 ο N, 32.6 ο E, 360 m a.s.l) κατά τη περίοδο της Άνοιξης Καλοκαιριού Συγκεκριμένα εντοπίστηκαν επτά ακραία ενισχυτικά γεγονότα σε πέντε διαφορετικές ημέρες της περιόδου Μαΐου Ιουνίου, όπου η GHI ξεπερνούσε τα 1500 W/m 2 και αντιστοιχούσε στο 150 % της υπολογισμένης ακτινοβολίας από ένα θεωρητικό μοντέλο (GHI MODEL ) υπό ανέφελο ουρανό. Επίσης, σε περισσότερες από 20 ημέρες του Απριλίου, Μαΐου και Ιουνίου, μονόλεπτες και δεκάλεπτες μέσες τιμές της GHI ξεπερνούσαν τα 1200 W/m 2, ενισχυμένες κατά 125 % συγκρινόμενες με τις θεωρητικές τιμές της ολικής ακτινοβολίας από το μοντέλο για τις δεδομένες συνθήκες. Τα όργανα, τα οποία χρησιμοποιήθηκαν ήταν ένα ακτινόμετρο (model DN01) για μέτρηση της DNI και πυρανόμετρο (model MS-802) για μέτρηση της GHI και της DHI, τοποθετημένα σε κινούμενο οδηγό. Επίσης χρησιμοποιήθηκε και ένα θεωρητικό μοντέλο (Bird και Hulstrom, 1981) για τους υπολογισμούς των τριών συνιστωσών της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (GHI, DNI και DHI). Επειδή το μοντέλο αυτό υπολόγιζε τις μέσες ωριαίες τιμές της ακτινοβολίας, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της κυβικής παρεμβολής για τις ενδιάμεσες τιμές 10 min και 1 min. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα της ερευνάς τους προέκυψαν οι παρακάτω γραφικές: Σχήμα.4.4: Ημερήσια κατανομή των μέγιστων τιμών της GHI (GHI MEASURED (μπλε χρώμα), GHI COMPUTED (κόκκινο χρώμα)) συναρτήσει του χρόνου καταγραφής των μετρήσεων (Time) 30

31 Σχήμα.4.5: Ημερήσια κατανομή των 10 min μέσων τιμών της GHI (GHI MEASURED (μπλε χρώμα), GHI COMPUTED (κόκκινο χρώμα)) συναρτήσει του χρόνου καταγραφής των μετρήσεων (Τime) Βλέπουμε λοιπόν με μπλε χρώμα τις μέγιστες τιμές και τις 10 min μέσες τιμές της GHI που δίνει το πυρανόμετρο (GHI MEASURED ) και με κόκκινο τις υπολογισμένες τιμές από το θεωρητικό μοντέλο (GHI MODELED ) υπό ανέφελο ουρανό (Σχήμα.4.4, Σχήμα.4.5). Από Σχήμα.4.4 και Σχήμα.4.5 βλέπουμε ότι οι μέγιστες τιμές της GHI καταγράφονται κοντά στο ηλιακό μεσημέρι, όπου η ηλιακή ζενίθια γωνία (sza) λαμβάνει την ελάχιστη τιμή και η ακτινοβολία διανύει το μικρότερο οπτικό δρόμο. Επίσης στην συγκεκριμένη έρευνα σύγκριναν τις τιμές της GHI που δίνει το πυρανόμετρο με αυτές που δίνει το θεωρητικό μοντέλο (model Bird και Hulstrom ) υπό ανέφελο ουρανό (Σχήμα.4.6). Σχήμα.4.6: Σύγκριση μεταξύ πειραματικών και θεωρητικών τιμών της GHI του πυρανομέτρου και του μοντέλου (GHI Measured, GHI Computed ) για περίοδο Απριλίου Ιουλίου

32 Επιπροσθέτως παρουσίασαν τον αριθμό συμβάντων της GHI (Number of occurrences) συναρτήσει των μεγίστων καταγεγραμμένων τιμών της από το πυρανόμετρο (Σχήμα.4.7). Σχήμα.4.7: Αριθμός συμβάντων της GHI συναρτήσει των μεγίστων καταγεγραμμένων της τιμών (GHI MEASURED ) για περίοδο Απριλίου Ιουλίου 2010 Παρατηρούμε ότι όσο η GHI που μας δίνει το πυρανόμετρο αυξάνει, τόσο η πιθανότητα καταγραφής της από το όργανο μικραίνει κάτι το οποίο ισχύει για GHI Maximum Measured 1000 W/m 2. Τα συμβάντα με κόκκινο χρώμα απευθύνονται σε ακραία ενισχυτικά γεγονότα. Όσο αναφορά την έρευνα (Tzoumanikas et al. 2016), αυτή εξέτασε την ενισχυτική ή μη επίδραση των νεφών στην SSI, βασισμένη σε δεδομένα από ένα σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (CCD Camera), το οποίο ήταν εγκατεστημένο στο Εργαστήριο Ατμοσφαιρικής Φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την αναγνώριση των εικονοστοιχείων των νεφών (cloudy pixels) και συνεπώς του υπολογισμού της νεφοκάλυψης, ήταν οι εντάσεις των χρωμάτων κόκκινου, πράσινου και μπλε (R, G, B) της εξεταζόμενης εικόνας. Έτσι η μεθοδολογία έλαβε υπόψη την ένταση του πράσινου χρώματος ώστε να μειώσει τα σφάλματα λόγω διάσπαρτων νεφών (broken Clouds) ή καταστάσεων νεφοκάλυψης υπό μεγάλες ηλιακές ζενίθιες γωνίες. Με βάση λοιπόν έναν αλγόριθμο βασισμένο στα χαρακτηριστικά της υφής, στο χρώμα, την ηλιακή ζενίθια γωνία, το ορατό τμήμα του ηλιακού δίσκου και την ύπαρξη βροχοσταγόνων στην εικόνα, έγινε ταξινόμηση μέσω ενός εύρους φωτογραφιών, που αντιστοιχούσε από έναν ουράνιο θόλο απαλλαγμένο από νέφη (Clear sky) μέχρι έναν ουράνιο θόλο αποτελούμενο από σωρειτομελανίες (Cumulonimbus). Η απόδοση αυτής της ταξινόμησης κυμαινόταν από 78 % για θυσανοσωρείτες έως 95 % για καθαρό ουρανό. Όσο αναφορά τις μετρήσεις της GHI (GHI MEASURED ), χρησιμοποιήθηκε πυρανόμετρο (Kipp και Zonen CM-21 pyranometer). Χρησιμοποιήθηκαν μονόλεπτες μέσες τιμές της GHI για περίοδο 2 χρόνων ( ) με ηλιακή ζενίθια γωνία (sza < 85 o ), 32

33 έτσι ώστε ό ήλιος να μην εμποδίζεται από το γύρω περιβάλλον. Επίσης, το πυρανόμετρο (CM-21 pyranometer) είχε σταθερή λειτουργία (καλύτερη από 0.1%) κατά τη διάρκεια όλων των χρόνων λειτουργίας του. Για τον υπολογισμό της ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών (CRE), όπου ορίζεται ως η διαφορά της GHI ανάμεσα σε ένα νεφοσκεπή και ένα καθαρό ουρανό (difference_ GHI MEASURED- MODELED), χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας LibRadtran, για τον υπολογισμό της GHI του καθαρού ουρανού (GHI MODELED ). Οι ακτινοβολίες του μοντέλου υπολογίστηκαν συναρτήσει του οπτικού βάθους των αιωρούμενων σωματιδίων σε μήκος κύματος 500nm (AOD 500 nm ), του εκθέτη Angstrom και της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza). Με βάση λοιπόν τις μετρήσεις της GHI από το πυρανόμετρο (GHI MEASURED ) και τις υπολογισμένες τιμές της από το μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας (GHI MODELED ), έγινε η γραφική (Σχήμα.4.8) υπό ανέφελο ουρανό (CDOC = 0) ώστε να εξαχθούν συμπεράσματα για το πόσο καλή είναι η συμφωνία μεταξύ πυρανομέτρου μοντέλου. Σχήμα.4.8: Απεικόνιση της καλής συμφωνίας της GHI του μοντέλου συναρτήσει αυτής του πυρανομέτρου για περιοχή Θεσσαλονίκης Ο συντελεστής συσχέτισης (R) προσέγγισε το 1 και η απόκλιση μεταξύ της υπολογισμένης τιμής της GHI από το μοντέλο (GHI MODELED ) και αυτής από το πυρανόμετρο (GHI MEASURED ) προσέγγισε τα W/m 2. Φάνηκε λοιπόν μια καλή συμφωνία μεταξύ της υπολογισμένης GHI από το μοντέλο (GHI MODELED ) και της μετρούμενης από το πυρανόμετρο (GHI MEASURED ). Στη συνέχεια εξετάστηκε η μέση ακτινοβολιακή επίδραση των νεφών (mean CRE) συναρτήσει του ποσοστού της Ολικής νέφωσης για συγκεκριμένο εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 30± 2 ο, 60± 2 ο και 70± 2 ο ) (Σχήμα.4.9).Όσο αναφορά τις μέσες τιμές της ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών (mean CRE), αυτές υπολογίστηκαν από 33

34 δεδομένα που αντιστοιχούσαν σε δύο τιμές του ποσοστού νεφοκάλυψης. Αυτό σημαίνει ότι η mean CRE για νεφοκάλυψη 2% υπολογίστηκε από δεδομένα που αντιστοιχούσαν σε ποσοστό νέφωσης = 1 και 2%. Για ποσοστό νεφοκάλυψης = 0 % η μέση τιμή της ακτινοβολιακή επίδραση των νεφών (mean CRE) υπολογίστηκε για ποσοστό νέφωσης = 0%. Βλέποντας το Σχήμα.4.9, παρατηρούμε μείωση των τιμών της μέσης ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών (mean CRE) για μικρές τιμές της ηλιακής ζενίθιας γωνίας, όπου η GHI θεωρείται μεγαλύτερη. Αυτή η μείωση των τιμών της λόγω μικρών ζενίθιων γωνιών, οφείλεται στην εξασθένηση ενός σημαντικού ποσού της DNI από τα νέφη, τα οποία παρεμβάλλονται στη πορεία της. Έτσι η τιμή της μέσης ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών βρίσκεται γύρω στα -500 W/m 2 έως -600 W/m 2 για ηλιακή ζενίθια γωνία 30± 2 o. Για ηλιακή ζενίθια γωνία 70± 2 o, οι τιμές της αυξάνουν προσεγγίζοντας τη μηδενική τιμή. Επίσης, βλέπουμε ότι η διακύμανση της mean CRE αυξάνει όσο αυξάνει το ποσοστό της νέφωσης. Επίσης, για ζενίθια γωνία 70± 2 o, οι τιμές της μέσης ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών φαίνεται να διατηρούνται σταθερές συναρτήσει του ποσοστού της νέφωσης, λόγω του ότι η ακτινοβολία που προσπίπτει στο έδαφος είναι ελάχιστη (εξασθένηση της ακτινοβολίας λόγω του μεγαλύτερου διανυθέντος οπτικού δρόμου). Σχήμα.4.9: Οι μέσες τιμές της ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών (mean CRE) συναρτήσει του ποσοστού της Ολικής Νέφωσης για περιοχή Θεσσαλονίκης Τέλος, βλέπουμε στην εργασία την εξάρτηση της ακτινοβολιακής επίδρασης λόγω των νεφών (CRE) για συγκεκριμένο εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 30± 2 o, 60 ± 2 o ) συναρτήσει του ποσοστού νέφωσης, για τη περίπτωση στην οποία ο ήλιος είναι μη ορατός ή ορατός ( ποσοστό ήλιου = 0 % ή 100%) (Σχήμα.4.10). Είναι φανερό (Σχήμα.4.10) ότι η νεφοκάλυψη από μόνη της δεν είναι αρκετή ώστε να επιδράσει στην επιφανειακή ηλιακή ακτινοβολία. Σημαντικό ρόλο παίζει και η θέση του Ήλιου σε σχέση με τα νέφη, η οποία μπορεί να αλλάξει σημαντικά την ακτινοβολιακή επίδραση λόγω των νεφών. Όσον αναφορά τις περιπτώσεις όπου ο ηλιακός δίσκος καλυπτόταν από νέφη (sun percentage = 0%), βρέθηκε ότι οι τιμές της ακτινοβολιακής επίδρασης λόγω των νεφών κυμαίνονταν από -400 έως -800 W/m 2 για μικρές τιμές της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (30± 2 o ) και από -200 έως

35 W/m 2 για ζενίθιες γωνίες 60 ± 2 o. Για τις περιπτώσεις όπου ο ηλιακός δίσκος ήταν ορατός (sun percentage = 100%) και τα επίπεδα νεφοκάλυψης ήταν υψηλά, βρέθηκε ότι η επίδραση των νεφών στην GHI ήταν μικρή. Συγκεκριμένα για νεφοκάλυψη 100%, η ακτινοβολιακή επίδραση λόγω των νεφών έφτανε στα -400 W/m 2 και στα -250 W/m 2 για ηλιακές ζενίθιες γωνίες 30± 2 o και 60 ± 2 o αντιστοίχως. Όταν η ακτινοβολιακή επίδραση λόγω των νεφών ήταν θετική, έλαβαν χώρα ενισχυτικά γεγονότα της GHI με απαραίτητη προϋπόθεση ο ήλιος να ήταν ορατός (Σχήμα.4.10). Σχήμα.4.10: Ακτινοβολιακή επίδραση λόγων των νεφών για συγκεκριμένο εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 30±2 o, 60 ±2 o ) συναρτήσει του ποσοστού της Νέφωσης, για τη περίπτωση στην οποία ο ήλιος είναι μη ορατός ή ορατός στη περιοχή της Θεσσαλονίκης 35

36 Σχήμα.4.11: Ακτινοβολιακή επίδραση των νεφών (CRE) συναρτήσει του ποσοστού Νέφωσης για συγκεκριμένο εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 30± 2 o, 60 ± 2 o ), τύπου νεφών και ορατού ή μη ηλιακού δίσκου Στη συνέχεια εξετάστηκε η επίδραση του ορατού ή μη ηλιακού δίσκου (sun percentage = 100% ή 0%) στις τιμές της CRE για δύο ηλιακές ζενίθιες γωνίες (sza = 30± 2 o, 60 ± 2 o ) λαμβάνοντας όμως υπόψη τoν τύπο των νεφών (Σχήμα.4.11). Από το Σχήμα.4.11 βλέπουμε ότι ο τύπος των νεφών ορίζεται μέσω των αριθμών (0 6), με τον καθαρό ουρανό (αριθμός = 0) να περιλαμβάνει μόνο την περίπτωση όπου ο ήλιος είναι ορατός (sun percentage = 100%). Οι περιπτώσεις όπου ο ουράνιος θόλος ήταν καλυμμένος από στρωματοσωρείτες, στρώματα υψιστρώματα και σωρειτομελανίες στρωματομελανίες (αριθμοί = 4, 5, 6 αντιστοίχως), συνδυάζονταν με μη ορατό Ήλιο (sun percentage = 0%). Οι περιπτώσεις όπου στον ουράνιο θόλο είχαμε θυσάνους, σωρειτόμορφα νέφη και θυσανοσωρείτες υψισωρείτες (αριθμοί = 0, 1, 2), συνδυαζόταν με ορατό ή μη ορατό Ήλιο (sun percentage = 100% ή 0%). Οι συγκεκριμένοι τύποι νεφών (αριθμοί = 0, 1, 2) σχετίζονταν με την πρόκληση ενισχυτικών γεγονότων. Ολοκληρώνοντας με την έρευνα των Tzoumanikas et al. 2016, θα αναφερθούμε σε μια μέθοδο, η οποία εφαρμόστηκε με στόχο την εξέταση των ενισχυτικών γεγονότων της GHI. Συγκεκριμένα, έγινε διαχωρισμός του Ουρανίου Θόλου σε τρεις περιοχές μέσω του συστήματος απεικόνισης του (Σχήμα.4.12). Η πρώτη ήταν η ανώτερη περιοχή (upper area), η οποία περιελάμβανε το τμήμα, το οποίο αντιστοιχούσε στο 25% της εικόνας του ουρανού ή σε μία κυκλική περιοχή ακτίνας R/2. Η δεύτερη ήταν η μεσαία περιοχή (middle area), η οποία θεωρήθηκε ότι αντιστοιχούσε στη διαφορά μεταξύ δύο κύκλων με ακτίνες 3R/4 και R/2 και η τρίτη ήταν η χαμηλότερη περιοχή (lower area), η οποία αντιστοιχούσε στη διαφορά μεταξύ δύο κύκλων ακτίνας R και 3R/4. Όσο αναφορά τη μέθοδο αυτού του διαχωρισμού, εξετάστηκαν τα ενισχυτικά γεγονότα της GHI με βάση τις τρεις επιλεγμένες περιοχές, για δύο τύπους νεφών (θύσανοι και σωρείτες), οι οποίοι 36

37 παρουσιάζουν υψηλή χωρική και χρονική μεταβλητότητα. Τα ενισχυτικά γεγονότα της GHI αντιστοιχούν σε θετική ακτινοβολιακή επίδραση λόγω των νεφών (CRE > 0) και παρουσιάζονται ως συνάρτηση του συνημίτονου της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (cos(sza)) και του λόγου της νεφοκάλυψης στην ανώτερη περιοχή του ουρανού (upper area) προς την νεφοκάλυψη ολόκληρου του ουρανού (Σχήμα.4.13). Η ανώτερη περιοχή του ουράνιου θόλου (upper area) αντιστοιχεί σε εύρος ζενίθιων γωνιών του συστήματος ψηφιακής απεικόνισης (sza = 0 o 45 o ) (Σχήμα.4.13). Για αυτή τη περιοχή (upper area) ανακαλύφθηκαν θετικές τιμές της ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών (ενισχυτικά γεγονότα της ακτινοβολίας), που αντιστοιχούσαν σε μικρές τιμές της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza) (cos (sza) > 0.8) και σχεδόν καθαρό ουρανό. Συγκεκριμένα, ο λόγος της νεφοκάλυψης της ανώτερης περιοχής προς τη συνολική νεφοκάλυψη (upper / Total cloud coverage) ήταν μικρότερος του 0.1. Σύμφωνα μ αυτά τα κριτήρια οι εικόνες του ουρανού αντιπροσώπευαν περιπτώσεις μικρών θυσάνων ή σωρειτόμορφων νεφών, που βρίσκονταν γύρω από τη περιοχή του ηλιακού δίσκου ή περιπτώσεις που η πλειοψηφία των νεφών βρίσκονταν στη χαμηλότερη περιοχή (lower area) του ουράνιου θόλου. Σχήμα.4.12: Εικόνα του ουράνιου θόλου μέσω του συστήματος ψηφιακής απεικόνισης (αριστερή εικόνα) και ο διαχωρισμός του ουράνιου θόλου στις τρεις περιοχές (δεξιά εικόνα) 37

38 Σχήμα.4.13: Παρουσίαση των ενισχυτικών γεγονότων της GHI συναρτήσει του λόγου της νεφοκάλυψης στην ανώτερη περιοχή προς αυτή σε ολόκληρο τον Ουρανό για εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 0 o 45 o ) Για λόγο νεφοκάλυψης της ανώτερης περιοχής προς τη συνολική νεφοκάλυψη (upper / Total cloud coverage = 0.6) εμφανίστηκαν παρόμοια αποτελέσματα σχετικά με τις ενισχύσεις της GHI. Αυτές οι ενισχύσεις της GHI οφείλονταν κυρίως σε σωρειτόμορφα νέφη (Cumulus Clouds). Για λόγο νεφοκάλυψης της ανώτερης περιοχής προς τη συνολική νεφοκάλυψη (upper / Total cloud coverage >0.6) δεν εντοπίστηκαν ενισχυτικά γεγονότα της GHI. Όμως, από το Σχήμα.4.13 παρατηρήθηκαν ενισχυτικά γεγονότα της GHI για συνημίτονο της ηλιακής ζενίθιας γωνίας < 0.7. Σ αυτές τις περιπτώσεις ένα σημαντικό τμήμα της ανώτερης περιοχής (upper area) ήταν καλυμμένο από νέφη και ο ήλιος βρισκόταν σε μικρότερη θέση. Η διακύμανση των τιμών της ακτινοβολιακής επίδρασης των νεφών (CRE) κυμαινόταν μεταξύ W/m 2. Όσο αναφορά τα νέφη στη μεσαία περιοχή (middle area), αυτά αντιστοιχούν σε ζενίθιες γωνίες από το ψηφιακό σύστημα εικόνων μεταξύ των 45 ο 67.5 ο (Σχήμα.4.14). Συγκεκριμένα για τους θυσάνους (Cirrus Clouds) βλέπουμε ότι η ακτινοβολιακή επίδραση των νεφών (CRE) έπαιρνε αρνητικές τιμές, όσο ο λόγος της νεφοκάλυψης της μεσαίας περιοχής (middle area) προς την συνολική νεφοκάλυψη (middle / Total cloud coverage) ήταν μικρότερος του 0.4. Όταν ο λόγος αυτός ήταν μεγαλύτερος του 0.4, η CRE έπαιρνε θετικές τιμές και οι εικόνες του ουράνιου θόλου αντιστοιχούσαν σε θυσάνους, που βρίσκονταν στη μεσαία περιοχή (middle area), ενώ ο ηλιακός δίσκος ήταν κοντά τους ή ψηλότερα στον ουράνιο θόλο (μεγάλη τιμή συνημίτονου ηλιακής ζενίθιας γωνίας (cos(sza) > 0.707)). Από την άλλη, για τα σωρειτόμορφα νέφη (Cumulus Clouds) εντοπίστηκαν θετικές τιμές της CRE, όταν ο λόγος της νεφοκάλυψης της μεσαίας περιοχής (middle area) προς την συνολική νεφοκάλυψη (middle / Total cloud coverage) ήταν μεγαλύτερος του 0.5. Τότε τα σωρειτόμορφα νέφη βρίσκονταν στη μεσαία περιοχή (middle area) και ο ηλιακός δίσκος ήταν ψηλότερα στον ουράνιο θόλο. 38

39 Σχήμα.4.14: Παρουσίαση των ενισχυτικών γεγονότων της GHI συναρτήσει του λόγου της νεφοκάλυψης στην μεσαία περιοχή προς αυτή σε ολόκληρο τον oυρανό για εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 45 o 67,5 o ) Ολοκληρώνοντας με τα ενισχυτικά γεγονότα της Ολικής Ηλιακής Ακτινοβολίας (CRE > 0) στη χαμηλότερη περιοχή (lower area) (Σχήμα.4.15), παρατηρήθηκε ότι δύσκολα μπορούν να συσχετιστούν με τη νέφωση. Συγκεκριμένα, στο Σχήμα.4.15 φαίνεται ότι η ακτινοβολιακή επίδραση των νεφών (CRE) παίρνει θετικές τιμές, για λόγο νεφοκάλυψης στην χαμηλότερη περιοχή προς αυτή σε ολόκληρο τον Ουρανό (lower / Total cloud coverage) μικρότερο του 0.3. Οι θετικές αυτές τιμές (ενισχυτικά γεγονότα) μπορούν να συσχετιστούν με τη σκέδαση της ακτινοβολίας στα όρια των νεφών ή άλλα τμήματα του ουρανού. 39

40 Σχήμα.4.15: Παρουσίαση των ενισχυτικών γεγονότων της Ολικής Οριζόντιας Ακτινοβολίας (GHI) συναρτήσει του λόγου της νεφοκάλυψης στην χαμηλότερη περιοχή προς αυτή σε ολόκληρο τον Ουρανό για εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 67.5 o 85 o ) 40

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: OΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ 5.1 Όργανα μέτρησης - Εισαγωγή Στην εργασία αυτή χρησιμοποιήσαμε μέσες μονόλεπτες μετρήσεις της GHI και DNI κατά τη διάρκεια 1 χρόνου (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015) από ένα ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI, Geuder et al. 2012), εγκατεστημένο στη ταράτσα του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας, του Πανεπιστημίου της Πάτρας (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l). Οι αντίστοιχες τιμές της GHI και DNI για καθαρό ουρανό, χωρίς την ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων και νεφών, για την ίδια τοποθεσία, υπολογίστηκαν μέσω ενός μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας (Mayer and Kylling 2005). Μέσω λοιπόν του υπολογισμού της διαφοράς μεταξύ της GHI και DNI του οργάνου και του μοντέλου (difference_ghi RADIOMETER-MODEL και difference_dni RADIOMETER-MODEL ) καταφέραμε να βρούμε τις ενισχύσεις της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (enhancement of SSI). Όσο αναφορά τον υπολογισμό της ολικής νέφωσης (CDOC), των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin clouds) και της ανίχνευσης του ηλιακού δίσκου, για το σύνολο των φωτογραφιών που παίρνουμε από το ψηφιακό σύστημα εικόνων VIS- J1006( χρησιμοποιήσαμε το λογισμικό Findclouds. 5.2 Ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI) Το Ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI) χρησιμοποιείται συχνά για τη μέτρηση της DNI. Η πολύ καλή απόδοση του αισθητήρα του οργάνου σε άνυδρες και με σκόνη περιοχές, όπου η καθημερινή του συντήρηση είναι δύσκολη, οι χαμηλές απαιτήσεις του σε ενέργεια και η εύρωστη λειτουργία του, κατατάσσουν το όργανο ως τη πρώτη επιλογή σε σχέση με αισθητήρες θερμοπύλης (thermopile sensors) για διεξαγωγή μετρήσεων. Η αβεβαιότητα του αισθητήρα ως προς τη μέτρηση της ετήσιας DNI είναι αξιοσημείωτα μειωμένη κάτω από το 2% και της στιγμιαίας DNI μεταξύ 2 3% (10min ανάλυση), συγκρινόμενη με υψηλής ακρίβειας μετρήσεις, μέσω λεπτομερέστατης βαθμονόμησης και εφαρμογής διορθώσεων του αισθητήρα απόκρισης. Το RSI έχει άμεση χρονική απόκριση και χρησιμοποιείται αντί του αισθητήρα θερμοπύλης, παρά τις υψηλές αρχικά αβεβαιότητες στις μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας. Έχει τη δυνατότητα ενός γρήγορου και άμεσου καθορισμού της ολικής, διάχυτης και άμεσης ακτινοβολίας μέσω ενός αισθητήρα. Αυτός ο αισθητήρας είναι εγκατεστημένος οριζόντια για μέτρηση της GHI. Επίσης έχει ένα κυκλικά καμπύλο σκιάδιο (shadowband) το οποίο είναι τοποθετημένο πάνω σε ένα κινούμενο οδηγό με άξονα περιστροφής παράλληλο στον άξονα περιστροφής της Γης και με κέντρο τον αισθητήρα. Αυτό είναι τοποθετημένο τον περισσότερο χρόνο κάτω από τον αισθητήρα, επιτρέποντας την μέτρηση της GHI με χρόνο ανάλυσης 1Hz. 41

42 Όσο αναφορά τη περιστροφή του σκιαδίου του RSI αυτή λαμβάνει χώρα μία φορά κάθε 1min, μέσω του κινούμενου οδηγού με χρόνο περιστροφής περίπου 1sec γύρω από τον αισθητήρα (Εικόνα. 5.2). Συγκεκριμένα, όταν ο ουράνιος θόλος είναι καλυμμένος από νέφη, δηλαδή έχουμε μεγάλες τιμές διάχυτης ακτινοβολίας, η περιστροφή του σκιαδίου λαμβάνει χώρα περισσότερες της μίας φοράς σε διάστημα λιγότερο από 1 min. Επομένως εξασφαλίζοντας τη γεωμετρική συμφωνία του αισθητήρα, σκιαδίου και κινούμενου οδηγού, το σκιάδιο περιστρέφεται γρήγορα γύρω από τον αισθητήρα, συγκεντρώνοντας ένα σήμα συχνότητας 1kHz. Κατά τη διάρκεια περιστροφής του σκιαδίου (Εικόνα. 5.2) γύρω από τον αισθητήρα, έχουμε μια πτώση στο σήμα, η οποία επιτρέπει τον καθορισμό της DHI και, συνεπώς, τον υπολογισμό της DNI μέσω της σχέσης: GHI = DNI cos (sza) + DHI (5.1) όπου sza = ηλιακή ζενίθια γωνία που εξαρτάται από το γεωγραφικό πλάτος (φ) και μήκος του τόπου (38.29 ο Ν, ο Ε), τη κλίση του άξονα περιστροφής της Γης (δ) γύρω από τον ήλιο, και την ωριαία γωνία μετατόπισης του ήλιου (ω) ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού. Εικόνα. 5.2: Υπολογισμός GHI (αριστερή εικόνα) και DHI (δεξιά εικόνα) μέσω RSI Η μέτρηση λοιπόν της DHI και ταυτόχρονα ο υπολογισμός της πτώσης του σήματος για λίγα milliseconds κατά τη διάρκεια περιστροφής του σκιαδίου, απαιτεί πολύ γρήγορους αισθητήρες απόκρισης, δηλαδή φωτοδιόδους με χρόνο απόκρισης στη κλίμακα των microseconds, ώστε να μην αλλάζει σημαντικά η ακτινοβολία κατά τη διάρκεια της περιστροφής. Οι μετρήσεις με συχνότητα 1 Hz για την DNI και GHI είναι αποδεκτές λόγω της συνήθους ταχύτητας της κίνησης των νεφών. Το ελάχιστο χρονικό δείγμα για τη DHI (που περιλαμβάνει περιστροφή και υπολογισμό του σήματος) είναι στα 0.3 Ηz. Όσο αναφορά τα χαρακτηριστικά του RSI, η διάμετρος 42

43 περιστροφής του σκιαδίου είναι 28.6cm, ο δεύτερος αισθητήρας είναι τοποθετημένος δίπλα στο βασικό, σε απόσταση 2.6cm μπροστά από το κινούμενο οδηγό και με κατεύθυνση προς τον ισημερινό. Επίσης, η κεφαλή του αισθητήρα είναι εξοπλισμένη με ένα αισθητήρα θερμοκρασίας, ώστε να μετράται η θερμοκρασία του με στόχο να γίνουν διορθώσεις στη θερμοκρασία της φωτοδιόδου απόκρισης. Ολοκληρώνοντας λοιπόν για το RSI, οι δύο αισθητήρες μαζί με τη λειτουργία του σκιάστρου μας δίνουν τα παρακάτω πλεονεκτήματα: i) εφεδρικό αισθητήρα με τέλεια απόδοση ii) iii) iv) υψηλή ακρίβεια μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας, πιθανότητα ανίχνευσης μακροπρόθεσμα αποκλίσεων του αισθητήρα, πιθανότητα βλάβης, εξαιτίας ανίχνευσης περίεργων τιμών ακτινοβολίας v) Καλύτερη απόδοση σε συνθήκες σκόνης σε σύγκριση με τους αισθητήρες θερμοπύλης (thermopile sensors) 5.3 Μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας Στην εργασία χρησιμοποιήθηκε το μοντέλο libradtran, με στόχο να υπολογίσει το πεδίο της ηλιακής ακτινοβολίας κάτω από δεδομένες ατμοσφαιρικές και επιφανειακές συνθήκες. Οι εφαρμογές αυτού του μοντέλου περιλαμβάνουν την τηλεπισκόπηση, πρόγνωση της υπεριώδους ακτινοβολίας, ακτινοβολιακή θέρμανση ή ψύξη. Έτσι το LibRadtran είναι απαραίτητο για την ρεαλιστική αντιμετώπιση ποικίλων προβλημάτων. Αυτό περιλαμβάνει αριθμητικά εργαλεία, τα οποία μπορούν να μας καταδείξουν τα προβλήματα που σχετίζονται με την ατμοσφαιρική ακτινοβολία. Το βασικό του εργαλείο είναι το πρόγραμμα uvspec για τον υπολογισμό της διάδοσης της ακτινοβολίας. Αυτό το πρόγραμμα υπολογίζει το πεδίο της ακτινοβολίας, που διέρχεται μέσα από την ατμόσφαιρα για διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες. Αρχικά, η κατασκευή αυτού του είχε γίνει για τον υπολογισμό του φάσματος της ακτινοβολίας σε τμήματα του υπεριώδους και ορατού. Στη συνέχεια, οι βελτιώσεις που έγιναν στο μοντέλο επέκτειναν τη χρήση του για υπολογισμό όλου του ηλιακού και θερμικού φάσματος. Μία απεικόνιση αυτού του μοντέλου φαίνεται στο Σχήμα 5.3. Όσο αναφορά την εργασία μας εμείς χρησιμοποιήσαμε ως παραμέτρους εισόδου στο μοντέλο : i) τη ηλιακή ζενίθια γωνία (sza): 1 o - 89 o, ii) τη μη ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων (aerosols = 0) και iii) τη μη ύπαρξη νεφών (water και ice clouds =0). Έτσι ως αποτέλεσμα στη έξοδο του μοντέλου πήραμε την DNI, την DHI και την GHI, υπό ανέφελο ουρανό και χωρίς την ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων. Έχοντας λοιπόν τις μετρήσεις των DNI, DHI και GHI από το RSI υπό πραγματικές συνθήκες νέφωσης και αιωρούμενων σωματιδίων και εφαρμόζοντας τη μέθοδο της Γραμμικής παρεμβολής ως προς τη ηλιακή ζενίθια γωνία (sza), κάναμε αντιστοίχιση των ακτινοβολιών του μοντέλου μ αυτές του RSI με στόχο την εξαγωγή αποτελεσμάτων σχετικά με τις ενισχύσεις της ηλιακής ακτινοβολίας. 43

44 Σχήμα 5.3: Σχηματική απεικόνιση του Μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας LibRadtran. 5.4 Σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS J1006) Το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου VIS J1006 είναι ένα αδιάβροχο αυτόματο σύστημα λήψης εικόνων για αξιολόγηση της συνολικής νεφοκάλυψης του ουράνιου θόλου. Αυτό περιλαμβάνει ένα φακό μεγάλης γωνίας πάνω σε μία ψηφιακή camera και ένα προσαρμοσμένο επεξεργαστή για την ανάλυση των ψηφιακών εικόνων. Όσο αναφορά την εσωτερική του μνήμη, αυτή έχει την δυνατότητα για αποθήκευση έως και 7000 φωτογραφιών. Το VIS J1006 λοιπόν είναι ένα αυτόματο σύστημα εικόνων το οποίο απεικονίζει τη νεφοκάλυψη του ουράνιου θόλου. Επειδή τα νέφη και τα αιωρούμενα σωματίδια συμμετέχουν ουσιαστικά στη εξασθένιση της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος, το σύστημα μπορεί να παρέχει ποσοτικά δεδομένα των συνθηκών του ουράνιου θόλου πάνω από την τοποθεσία (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l ). Με βάση 44

45 λοιπόν τις εικόνες του ουράνιου θόλου, υπολογίζεται αυτόματα το κλάσμα της νέφωσης από το λογισμικό Findclouds. Αυτό το λογισμικό δίνει τη δυνατότητα σε εμάς να ορίσουμε τη περιοχή ενδιαφέροντος μέσω οριοθέτησης του ορίζοντα και της ζενίθιας γωνίας. Οι σχετικές φωτογραφίες σώζονται σε ένα φάκελο και στη συνέχεια μπορούν να επεξεργαστούν μέσω του λογισμικού Findclouds. Σχετικά με την ανάλυση του ψηφιακού συστήματος, αυτή είναι 2 Μpixel. Το σύστημα επιτρέπει να λαμβάνουμε εικόνες με κανονικό και μη χρόνο έκθεσης φωτισμού και αυτή η ικανότητα επιτρέπει την ανάλυση της περιοχής του ουράνιου θόλου κάτω από ηλιόλουστες συνθήκες χωρίς τη χρήση συσκευής σκίασης. Εικόνα.5.4: Σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS J1006) Λογισμικό Findclouds Περιγραφή Διαδικασίας Σύμφωνα με όσα αναφέραμε στη προηγούμενη ενότητα, στη παρούσα εργασία για την επεξεργασία των εικόνων μας χρησιμοποιήσαμε το λογισμικό Findclouds. Το Findclouds απεικονίζει εικόνες του ουρανού και υπολογίζει τη νέφωση. Η σχεδίαση αυτού του λογισμικού έγινε ειδικά για το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου VIS - J1006, χρησιμοποιώντας ένα φακό μεγάλης γωνίας για ολόκληρη την εικόνα του ουρανού. Αυτό λοιπόν το λογισμικό επιτρέπει τον υπολογισμό της ολικής ημισφαιρικής νέφωσης, καθώς και των πυκνών και αραιών νεφών (thick-thin). Επίσης μας δίνει τη δυνατότητα ανίχνευσης του ήλιου. Τα ληφθέντα επεξεργασμένα δεδομένα αποθηκεύονται σε ένα αρχείο δεδομένων ASCII για περαιτέρω ανάλυση. Έτσι το Findclouds υπολογίζει τη νέφωση ως ένα αριθμό από 0.00 (καθαρός ουρανός) μέχρι 1.00 (ολοκληρωτικά νεφοσκεπής ουρανός). Επίσης μπορεί να λειτουργήσει με ένα Υψηλού δυναμικού εύρους αλγόριθμο (high intensity range), ικανό για να αναλύσει τη περιοχή του ουράνιου θόλου γύρω από τον ήλιο ανιχνεύοντας αυτόν. Για την ανίχνευση του ήλιου το λογισμικό χρησιμοποιεί ως αριθμούς το 0 (ήλιος μη ορατός), 1 (ήλιος ορατός) και 9 (ήλιος εκτός οπτικής γωνίας του VIS - J1006). Ξεκινώντας τη εργασία είχαμε ένα σύνολο εικόνων από το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS-J1006) που είναι εγκατεστημένο στη ταράτσα του Εργαστηρίου Φυσικής Ατμόσφαιρας (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l). 45

46 Καταχωρήσαμε το σύνολο των εικόνων σε συγκεκριμένο φάκελο ώστε να τις επεξεργαστούμε. Παρακάτω παραθέτουμε τα βήματα που ακολουθήσαμε με στόχο να πάρουμε τα επιθυμητά αποτελέσματα για την ολική νέφωση (CDOC), τα πυκνά και αραιά νέφη (thick και thin clouds) και την ανίχνευση του ηλιακού δίσκου: Εικόνα.5.5: Βασικό παράθυρο του λογισμικού Findclouds, στο οποίο γίνεται η επεξεργασία των εικόνων Καταχωρώντας αρχικά τις εικόνες σε συγκεκριμένο φάκελο και ανοίγοντας το λογισμικό Findclouds βλέπουμε την Εικόνα.5.5. Πάνω αριστερά δίνεται η ονομασία του Συστήματος ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου και κάτω είναι οι ημέρες, που η κάθε μία έχει έναν αριθμό εικόνων ανά 1min. Στη συνέχεια, τo παράθυρο της ρύθμισης παραμέτρων (Configuration Interface) (Εικόνα 5.6) έχει κάποιες βασικές επιλογές για τον υπολογισμό των εικόνων, τη φόρτωση των εικόνων, τη μορφή του λογισμικού, τα χρώματα που θα έχει ο ουράνιος θόλος, τα πυκνά και αραιά νέφη (thick, thin clouds), τα ηλιακά εικονοστοιχεία (sun pixels), η θέση του ήλιου και το κυκλικό περίγραμμα γύρω από το οποίο ορίζουμε τον ηλιακό δίσκο (sunmask). Όσο αναφορά τις επιλογές για τον υπολογισμό και φόρτωση των εικόνων έχουμε : i) Το save cloudiness αναφέρεται στην αποθήκευση αριθμητικών τιμών της νέφωσης και ανίχνευσης του ήλιου (CDOC, thick and thin clouds, sun) σε ένα αρχείο κειμένου με ονομασία cloudiness_name of date ii) To save images, το οποίο σώζει τις επεξεργασμένες εικόνες στο φάκελο υπολογισμών (evaluations) και συγκεκριμένα στο αρχείο κειμένου της αντίστοιχης ημέρας 46

47 iii) To Load images evaluated, το οποίο δείχνει τις επεξεργασμένες εικόνες αν υπάρχουν, διαφορετικά δείχνει τις αυθεντικές. Επίσης, η επιλογή Evaluate new files, δίνει τη δυνατότητα στο λογισμικό να ελέγχει τους φακέλους για καινούργιες εικόνες και να υπολογίζει αυτές. Εικόνα.5.6: Παράθυρο Ρύθμισης Παραμέτρων (Configuration Interface) Η εικόνα.5.7 δείχνει τη προσαρμοσμένη εικόνα του VIS J1006. Η διαδικασία που ακολουθήσαμε για να πετύχουμε το αποτέλεσμα, ήταν κεντράρισμα και ρύθμιση του φακού μεγάλης γωνίας με τις επιλογές center και zero. Συγκεκριμένα, η επιλογή zero επέτρεψε να ρυθμίσουμε τη προσαρμογή του συνόρου αλλάζοντας το μέγεθος του λευκού και κόκκινου κύκλου. Η λευκή περιοχή του κύκλου έκανε το σύνορο ορατό, ενώ η κόκκινη έδειχνε τη θέση του συνόρου που τελικά θα χρησιμοποιηθεί. Ενώ η επιλογή center χρησιμοποιώντας την οριζόντια και κάθετη στήλη μας βοήθησε να μετακινήσουμε την εικόνα μέχρι να προσαρμοστεί στο κέντρο. Όσο αναφορά τις επιλογές στα δεξιά του πλαισίου (Εικόνα.5.7), έχουμε τα φίλτρα φωτισμού και ελάττωσης φωτισμού της εικόνας (exposed και underexposed). Επιπλέον έχουμε τις επιλογές του Latitude και Longitude, που αναφέρονται στο γεωγραφικό πλάτος και μήκος της περιοχής, που πήραμε τις μετρήσεις για νέφωση και ανίχνευση του ηλιακού δίσκου. 47

48 Εικόνα.5.7: Προσαρμογή εικόνας μετά από κεντράρισμα και ρύθμιση φακού μεγάλης γωνίας Στην Εικόνα.5.8 φαίνεται το τελικό αποτέλεσμα της διαδικασίας που ακολουθήσαμε για τη ρύθμιση της γωνίας μετατόπισης (Offset Angle). Η Εικόνα.5.8 δείχνει το προσανατολισμό της εικόνας (Ν, S, O, W) μέσω του πράσινου χρώματος και το μέγεθος της μεγάλης γωνίας του φακού με κόκκινο κύκλο. Το κίτρινο βέλος πρέπει να δείχνει τη κατεύθυνση του ήλιου (Εικόνα.5.8). Για τον υπολογισμό της θέσης του Ήλιου, το λογισμικό χρησιμοποίησε το γεωγραφικό πλάτος (φ), μήκος του τόπου (L loc ) και την ημέρα και ώρα του αρχείου. Ενώ για να περιστρέψουμε το βέλος ώστε να δείχνει τη κατεύθυνση του ήλιου, χρησιμοποιήσαμε την επιλογή γωνία μετατόπισης (Offset Angle). Ολοκληρώνοντας τη διαδικασία, χρησιμοποιήσαμε και την επιλογή μετατόπιση (Offset) για πλήρη περιστροφή της εικόνας. 48

49 Εικόνα.5.8: Ρύθμιση της γωνίας μετατόπισης (Offset Angle) για παρακολούθηση του ήλιου Όσο αναφορά τη ρύθμιση της ζενίθιας γωνίας της VIS J1006 χρησιμοποιήσαμε την επιλογή zenith. Με βάση λοιπόν την ζενίθια γωνία (sza =78.6 o ) προέκυψε η εικόνα για τον ορίζοντα (Εικόνα.5.10). Επειδή η περιοχή ενδιαφέροντος μας είναι ο ουράνιος θόλος, ορίζουμε με βάση αυτό το κριτήριο το περίγραμμα του ορίζοντα. 49

50 Εικόνα.5.9: Ρύθμιση της ζενίθιας γωνίας του VIS J1006 Εικόνα.5.10: Καθορισμός Περιγράμματος Ορίζοντα μέσω της ζενίθιας γωνίας του VIS J

51 Συνεχίζοντας με το σκέλος της επιβεβαίωσης των υπολογισμών μας παραθέτουμε το αντίστοιχο παράθυρο κειμένου επιβεβαίωση των υπολογισμών (configuration of evaluation): Εικόνα.5.11: Ρύθμιση παραμέτρων για καλύτερη επεξεργασία των εικόνων Σ αυτό το παράθυρο διαλόγου ρυθμίζουμε τις παραμέτρους του νεφοσκεπή ουρανού (cloudy sky), μπλε ουρανού χαμηλής έκθεσης φωτισμού (Blue Sky UE) και πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin Clouds), ώστε οι αλγόριθμοι που υπολογίζουν την νέφωση (BRBG, CDOC) να προσεγγίζουν όσο είναι δυνατόν ο ένας τον άλλο. Επίσης ρυθμίσαμε και τις παραμέτρους επίπεδο ηλιακού εικονοστοιχείου (Level Sun Pixel), ελάχιστο μέγεθος αντικειμένου (Minimal Object Size), λόγος επιπέδου αντικειμένου (Level Object Ratio) και κυκλικός λόγος επιπέδου (Level Circle Ratio), ώστε να μπορέσει το λογισμικό να ανιχνεύσει τον ηλιακό δίσκο. Τελευταίο βήμα πριν ξεκινήσει η επεξεργασία των εικόνων μέσω του λογισμικού Findclouds, είναι η δημιουργία μίας βιβλιοθήκης καθαρών εικόνων του ουράνιου θόλου (clear sky library) (Εικόνα.5.12). Αυτές οι εικόνες είναι το κριτήριο με βάση το οποίο το Findclouds software θα υπολογίσει τις παραμέτρους της νέφωσης (BRBG, CDOC, thick and thin clouds) για κάθε εικόνα. 51

52 Εικόνα.5.12: Βιβλιοθήκη καθαρών εικόνων για υπολογισμό παραμέτρων νέφωσης Έχοντας εκτελέσει όλη αυτή τη διαδικασία ξεκινάμε τη διαδικασία της επεξεργασίας (Εικόνα.5.13): Εικόνα.5.13: Διαδικασία επεξεργασίας για 10/5/2015 Ολοκληρώνουμε την ενότητα με την παρουσίαση γραφικής μέσω του Findclouds λογισμικού, η οποία απεικονίζει τη διακύμανση της νέφωσης στις 10/5/2015 (Εικόνα.5.14): 52

53 Εικόνα.5.14: Διακύμανση των αλγορίθμων της νέφωσης (BRBG, CDOC),και των πυκνών και αραιών νεφών (thick, thin clouds) στις 10/5/ Περιγραφή Μεθοδολογίας Χρησιμοποιήσαμε ένα σύνολο εικόνων, από τo το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου VIS J1006 που είναι εγκατεστημένο στη ταράτσα του Εργαστηρίου Φυσικής Ατμόσφαιρας (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l) για το χρονικό διάστημα (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015). Το σύνολο αυτών των εικόνων (καταγραφή μέσων 1 min μετρήσεων) καταχωρήσαμε σε έναν συγκεκριμένο φάκελο, με σκοπό να κάνουμε την επεξεργασία μέσω του λογισμικού Findclouds. Έτσι προέκυψαν αρχεία για κάθε μέρα, τα οποία περιείχαν στήλες με ημερομηνία, ώρα σε utc, τα στοιχεία της νέφωσης (BRBG, CDOC, thick και thin clouds) και τον ήλιο ως μη ορατό, ορατό ή εκτός οπτικής γωνίας του συστήματος (sun=0, 1 ή 9). Στη συνέχεια με βάση την ημερομηνία, ώρα, γεωγραφικό πλάτος και μήκος του τόπου (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l ), υπολογίσαμε την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza) για το σύνολο των εικόνων. Οι τύποι που χρησιμοποιήσαμε ήταν: Α.Η.Χ = αληθής ηλιακός χρόνος Α.Η.Χ = Τ.Ω.Χ 4 ( L ST L loc ) + E (min) (5.15) Τ.Ω.Χ = τοπικός ωρολογιακός χρόνος = utc_time (min) (5.16) Et = 9.87sin 2B 7.53cos B 1.5sin B (5.17) 53

54 Με Εt = χρονική σταθερά και Β = 360 ( N 81 ) / 364 (5.18), όπου Ν = ιουλιανή μέρα, θεωρώντας Ν=1 (1 η Ιανουαρίου ) L ST = 30 0 (γεωγραφικός μήκος της Ελλάδας) και L loc = (γεωγραφικός μήκος της Πάτρας) Σύμφωνα με τα παραπάνω μεγέθη υπολογίζουμε τον Α.Η.Χ και στη συνέχεια την ωριαία γωνία του ήλιου ανατολικά ή δυτικά του τοπικού μεσημβρινού (ω). Άρα ω = 15 ο ( Α.Η.Χ 720 ) / 60 (σε μοίρες) (5.19) Επίσης η κλίση του άξονα περιστροφής της Γης (δ) που περιστρέφεται γύρω από τον ήλιο, δίνεται μέσω της σχέσης: δ = ο sin [ 360 ( N ) / 365 ] (5.20) Με βάση την ω,δ και το γεωγραφικό πλάτος του τόπου (φ =38.29 ο ) υπολογίζουμε την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza) για κλίση επιφάνειας β = 0 ο και γ = 0 ο. Άρα: sza = cos -1 [ cosφcosδcosω + sinφsinδ ] (5.21) Έχοντας τα αρχεία κάθε ημέρας, δημιουργήσαμε ένα αρχείο που περιείχε όλες τις ημέρες, τον χρόνο σε utc_time, τα στοιχεία της νέφωσης, τον ήλιο ως ορατό, μη ορατό και εκτός οπτικής γωνίας του συστήματος ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (sun:1, 0 και 9) και την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza). Επίσης χρησιμοποιήσαμε ένα Ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI), για να πάρουμε μετρήσεις ανά 1min των συνιστωσών της Επιφανειακής Ηλιακής Ακτινοβολίας (SSI : DNI, DHI και GHI) υπό επικρατούσες συνθήκες νέφωσης και αιωρούμενων σωματιδίων. Επιπλέον χρησιμοποιήσαμε και ένα μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας με χρήση του λογισμικού LibRadtran, στο οποίο εισάγοντας σαν παραμέτρους την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza: 1 o - 89 o ), αιωρούμενα σωματίδια (aerosols: 0) και νέφη (clouds: 0), πήραμε στην έξοδο του μοντέλου τις τρεις συνιστώσες της ακτινοβολίας (GHI, DNI, DHI) υπό ανέφελο ουρανό και απουσία αιωρούμενων σωματιδίων. Έχοντας λοιπόν τα τρία αρχεία από το σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου VIS J1006, το RSI και το μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας, εφαρμόσαμε τη μέθοδο της γραμμικής παρεμβολής (linear interpolation) με βάση την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza), ώστε να αντιστοιχίσουμε τα δεδομένα του μοντέλου με τα αντίστοιχα του VIS J1006 και RSI. H μέθοδος της Γραμμικής Παρεμβολής (linear interpolation) εφαρμόστηκε, γιατί στο αρχείο εξόδου του μοντέλου είχαμε τις συνιστώσες της επιφανειακής ακτινοβολίας (SSI) που αντιστοιχούσαν σε ηλιακές ζενίθιες γωνίες (sza: 1 o 89 o ) και εμείς θέλαμε να υπολογίσουμε αυτές που αντιστοιχούσαν στις ζενίθιες του VIS J1006. Σύμφωνα λοιπόν μ αυτή τη μέθοδο κάναμε χρήση της παρακάτω σχέσης για τον υπολογισμό των συνιστωσών της ακτινοβολίας (GHI, DNI, DHI): GHI 12 = ( GHI 1 - GHI 2 ) ( sza sza 1 ) / ( sza 1 -sza 2 ) + GHI 1 (5.22) 54

55 Όπου GHI 1, GHI 2 = τιμές της ολικής οριζόντιας ακτινοβολίας που μας δίνει το μοντέλο sza 1, sza 2 = τιμές της ηλιακής ζενίθιας γωνίας που μας δίνει το μοντέλο sza = η τιμή της ηλιακής ζενίθιας γωνίας που θέλουμε να υπολογίσουμε τη Ολική Οριζόντια Ακτινοβολία (GHI 12 ). Επίσης κάναμε διόρθωση της GHI 12 λόγω της μεταβλητής απόστασης Ήλιου Γης, που οφείλεται στη κλίση του άξονα της Γης (δ) όταν περιστρέφεται γύρω από τον Ήλιο. GHI MODEL = GHI 12 sol (5.23) Όπου sol = συντελεστής ηλιακής σταθεράς sol = cos (th) sin (th) cos (2th) sin (2th) (5.24) th = N / 365 απόστασης) (5.25) (επίδραση της αλλαγής της ηλιακής Με Ν= Ιουλιανή ημέρα Με βάση τον υπολογισμό των συνιστωσών της Επιφανειακής Ηλιακής Ακτινοβολίας (GHI, DNI, DHI) μέσω της Γραμμικής Παρεμβολής και με αντιστοίχιση των δεδομένων αυτών με τα δεδομένα ακτινοβολίας του RSI και τα δεδομένα νέφωσης και ανίχνευσης του ήλιου του VIS J1006, μπορέσαμε να εξάγουμε τα αποτελέσματα για τις ενισχύσεις της GHI. 55

56 Πίνακας.5.26: Ενδεικτικός Πίνακας δεδομένων νέφωσης και Ήλιου από VIS J1006 και συνιστωσών ακτινοβολίας (GHI, DNI, DHI) από RSI και Μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας με χρήση του λογισμικού LibRadtran 56

57 Πίνακας.5.27: Ενδεικτικός πίνακας της μεταβολής του συντελεστή ηλιακής σταθεράς (sol) με Ιουλιανή ημέρα (Julian day) 57

58 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ 6.1 Εισαγωγή - Παρουσίαση Στατιστικών Αποτελεσμάτων Έχοντας εφαρμόσει τη μέθοδο της Γραμμικής παρεμβολής (Linear Interpolation) ως προς την ηλιακή ζενίθια γωνία (sza) και έχοντας αντιστοιχίσει τα δεδομένα ακτινοβολίας (GHI, DNI, DHI, sun) και νέφωσης (CDOC, thick και thin clouds) από τα όργανα και το μοντέλο ως προς τη μέρα και ώρα, δημιουργήσαμε το τελικό μας αρχείο. Αυτό το αρχείο ήταν ένα σετ δεδομένων για χρονική περίοδο 1 χρόνου (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015) από ένα Ακτινόμετρο με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI), σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου (VIS J1006) και ένα μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας με χρήση του λογισμικού LibRadtran. Το RSI και το VIS J1006 είναι εγκατεστημένα στη ταράτσα του εργαστηρίου Φυσικής Ατμόσφαιρας (38.29 ο Ν, ο Ε, 50 m a.s.l) και έπαιρναν μετρήσεις της ηλιακής ακτινοβολίας και νέφωσης αντιστοίχως ανά 1min. Θέλοντας να εξετάσουμε τις ενισχύσεις της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (SSI) λόγω των νεφών, θεωρήσαμε ως βασικό κριτήριο, η διαφορά μεταξύ των μετρήσεων της ακτινοβολίας που παίρναμε από το όργανο και αυτών που παίρναμε από το μοντέλο να είναι θετική για συγκεκριμένη μέρα, ώρα καταγραφής (time_utc) και ηλιακή ζενίθια γωνία (sza). Επικεντρωθήκαμε λοιπόν στις ενισχύσεις της ηλιακής ακτινοβολίας που αφορούσαν μόνο την Ολική Οριζόντια Ακτινοβολία (GHI), θεωρώντας ότι οι ενισχύσεις, οι οποίες αφορούσαν την Άμεση Ηλιακή Ακτινοβολία (DNI) ήταν ασήμαντες: (0 W/m 2 < difference_dni RADIOMETER-MODEL < 20 W/m 2 ) όπου: difference_dni RADIOMETER-MODEL = διαφορά μεταξύ της Άμεσης ακτινοβολίας (DNI) που δίνει το όργανο (RSI) και αυτής που δίνει το μοντέλο Έτσι μέσω Matlab και με βάση το κριτήριο το οποίο πρέπει να ισχύει ώστε να έχουμε ενισχύσεις της GHI, βρήκαμε συνολικά 8341 ενισχύσεις της GHI με ηλιακή ζενίθια γωνία (sza 80 o ) για το διάστημα (Αύγουστος 2014 Σεπετέμβριος 2015). Άρα αρχικά ένα ποσοστό της τάξης του 6.86% των συνολικών δεδομένων ήταν ενισχύσεις που αφορούσαν την ολική οριζόντια ακτινοβολία (GHI). Με βάση λοιπόν το αρχείο που δημιουργήσαμε για τις ενισχύσεις της GHI, εξετάσαμε τη κατανομή τους συναρτήσει της % διαφοράς μεταξύ της GHI που δίνει το RSI και αυτής που δίνει το μοντέλο (% difference_ghi RADIOMETER-MODEL ) (Σχήμα.6.1). Γνωρίζαμε όμως ότι το RSI έχει ένα σφάλμα κατά μέσο όρο της τάξης του 3.5% όταν μετράει την ολική οριζόντια ακτινοβολία (GHI). Η σημασία της τάξης αυτού του σφάλματος ήταν ότι όταν το RSI μετρήσει GHI = 1000W/m 2 το σφάλμα της GHI είναι ±35 W/m 2. Λόγω αυτού του σφάλματος αποφασίσαμε να εξετάσουμε την κατανομή των ενισχύσεων της GHI συναρτήσει της %difference_ghi RADIOMETER-MODEL 5%, θεωρώντας τις ενισχύσεις με 0% %difference_ghi RADIOMETER-MODEL 5% εντός του ορίων σφάλματος του οργάνου. 58

59 Σχήμα.6.1: Στατιστική Κατανομή των ενισχύσεων της GHI = f (%difference_ghi RADIOMETER-MODEL ), για ηλιακή ζενίθια γωνία (sza 80 o ) Παρατηρούμε λοιπόν ότι τελικά ένα ποσοστό της τάξης του 2.7% των συνολικών δεδομένων της ακτινοβολίας είναι ενισχύσεις, οι οποίες αφορούν την Ολική GHI (Σχήμα.6.2). Επίσης διερευνήσαμε τις συνθήκες νέφωσης αλλά και το μέγεθος των 16 τελευταίων ενισχύσεων στο ραβδόγραμμα με 45% %difference_ghi RADIOMETER- MODEL 60% και παρατηρήσαμε ότι η ολική νέφωση (CDOC) είναι σε όλες τις περιπτώσεις μεταξύ 50 και 90%. Επίσης, τα νέφη που κυριαρχούσαν ήταν τα πυκνά (thick clouds) και ο ήλιος στις 6 από τις 16 περιπτώσεις ήταν εμφανής (sun =1). Θα μπορούσαμε λοιπόν να πούμε ότι σε αυτές τις περιπτώσεις ικανοποιούνταν τα κριτήρια των Piacentini et al., Στις υπόλοιπες περιπτώσεις μπορεί να ισχύει η υπόθεση των Yordanov et al., 2013, η οποία αναφερόταν σε έναν ήλιο καλυμμένο από νέφη, του οποίου η ακτινοβολία ενισχύεται λόγω εμπροσθοσκέδασης Mie. Στις 16 αυτές περιπτώσεις οι ενισχύσεις είναι μεγαλύτερες από 85 W/m 2, έχοντας τη μεγαλύτερη τιμή W/m 2 στις 10/3/2015, με ώρα καταγραφής (utc_time) 13:17 και sun =1 (ήλιος ορατός). Στη συνέχεια για το σύνολο των 3287 ενισχύσεων της GHI εξετάσαμε τη κατανομή τους συναρτήσει της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza) (Σχήμα.6.3). 59

60 Σχήμα.6.2: Στατιστική Κατανομή των ενισχύσεων της GHI = f (%difference_ghi RADIOMETER-MODEL ), για ηλιακή ζενίθια γωνία (sza 80 o ) και %difference_ghi RADIOMETER-MODEL 5% Σχήμα.6.3: Κατανομή των 3287 ενισχύσεων της GHI συναρτήσει της ηλιακής ζενίθιας γωνίας (sza) Παρατηρούμε ότι το 46.36% των 3287 ενισχύσεων της GHI (1524 ενισχύσεις) κυμαίνεται μεταξύ των ηλιακών ζενίθιων γωνιών 55 ο - 75 ο. Επίσης. στο εύρος αυτών των γωνιών η ολική νέφωση (CDOC) 0.5 για το 62% των 1524 ενισχύσεων (Σχήμα.6.4). 60

61 Σχήμα.6.4: Kατανομή των 1524 ενισχύσεων της GHI συναρτήσει της Ολικής νέφωσης (CDOC) για εύρος γωνιών 55 o sza 75 o Σχήμα.6.5: Κατανομή των 1524 ενισχύσεων της GHI συναρτήσει της difference_ghi για εύρος γωνιών 55 o sza 75 o Συμπληρωματικά, εξετάσαμε και την κατανομή των 1524 ενισχύσεων συναρτήσει της διαφοράς μεταξύ της GHI του οργάνου και αυτής του μοντέλου (difference_ghi RADIOMETER-MODEL ) για το εύρος αυτών των γωνιών (Σχήμα.6.5). Θεωρούμε ότι οι 660 ενισχύσεις για difference_ghi RADIOMETER-MODEL 40 W/m 2 μπορεί να θεωρηθούν αμελητέες λόγω και του σφάλματος του Ακτινομέτρου με περιστρεφόμενο σκιάδιο δύο αισθητήρων (RSI). Όσο αναφορά τις 13 τελευταίες ενισχύσεις με difference_ghi RADIOMETER-MODEL 200W/m 2, παραθέτουμε ενδεικτικά τις επεξεργασμένες και μη εικόνες από το 61

62 σύστημα ψηφιακής απεικόνισης του ουράνιου θόλου VIS J1006 και τον αντίστοιχο πίνακα τιμών. Πίνακας.6.6: Ενδεικτικός πίνακας τιμών ενισχύσεων της Ολικής ηλιακής ακτινοβολίας (GHI) για difference_ghi 200W/m 2 Εικόνα.6.7: 25/2/2015, 12:46 UT, ενίσχυση: W/m 2 62

63 Εικόνα.6.8: 10/3/2015, 13:16 UT, ενίσχυση: W/m 2 Εικόνα.6.9: 06/12/2014, 09:15 UT, ενίσχυση: W/m 2 63

64 Εικόνα.6.10: 06/12/2014, 09:19 UT, ενίσχυση: W/m 2 Εικόνα.6.11: 28/1/2015, 11:14 UT, ενίσχυση: W/m 2 64

65 Εικόνα.6.12: 29/1/2015, 11:27 UT, ενίσχυση: W/m 2 Εικόνα.6.13: Γεγονότα ενίσχυσης της Ολικής Οριζόντιας Ακτινοβολίας(GHI) στις 29/1/2015, 11:27 UT, ενίσχυση: W/m 2, 06/12/2014, 09:15 UT, ενίσχυση: W/m 2, 06/12/2014, 09:19, ενίσχυση: W/m 2 και 28/1/2015, 11:14 UT, ενίσχυση: W/m 2 65

66 6.2 Επίδραση των διαφόρων τύπων των νεφών (πυκνών και αραιών νεφών) στην ολική οριζόντια (GHI) και άμεση (DNI) ηλιακή ακτινοβολία Στη συγκεκριμένη ενότητα θα εξετάσουμε την ενισχυτική ή μη επίδραση του κλάσματος των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin cloud fraction) στις GHI και DNI για ένα συγκεκριμένο εύρος ζενίθιων γωνιών (sza = 30 ο ± 1 ο, 60 ο ± 1 ο ). Αρχικά, όσο αναφορά την DNI, θα εξετάσουμε μόνο την μη ενισχυτική επίδραση που προκαλεί σ αυτην το κλάσμα των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin cloud fraction), γιατί οι ενισχύσεις της DNI λόγω των νεφών είναι μικρότερου εύρους. Συγκεκριμένα όπως θα δούμε και στην επόμενη γραφική (Σχήμα.6.14), οι συνολικές ενισχύσεις της DNI λόγω των νεφών λαμβάνουν πολύ μικρές τιμές (0 W/m 2 difference_dni RADIOMETER-MODEL 20W/m 2 ), ώστε να θεωρούμε ότι οφείλονται σε σφάλματα μέτρησης του RSI. Σχήμα.6.14: Εξάρτηση της difference_dni RADIOMETER-MODEL από την ακτινοβολία που μετρά RSI μόνο για τα ενισχυτικά γεγονότα Θέλοντας λοιπόν να διερευνήσουμε γραφικά την επίδραση ταυ κλάσματος των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin cloud fraction) στις συνιστώσες της επιφανειακής ηλιακής ακτινοβολίας (GHI, DNI), χρησιμοποιήσαμε το Matlab και αρχικά εξετάσαμε τις περιπτώσεις της GHI (30 ο ± 1 ο ) και DNI (60 ο ± 1 ο ). Συγκεκριμένα έχουμε 2014 και 3341 περιπτώσεις μετρήσεων GHI (30 ο ± 1 ο ) και DNI (60 ο ± 1 ο ) αντιστοίχως. Με βάση αυτές τις περιπτώσεις και τα αντίστοιχα δεδομένα της νέφωσης από το VIS J1006, προέκυψαν τα Σχήμα.6.15, Σχήμα.6.16 : 66

67 Σχήμα.6.15: Επίδραση του κλάσματος της νέφωσης (thick και thin cloud Fraction) στη διαφορά μεταξύ μετρούμενων και υπολογισμένων τιμών της GHI για sza = 30 o ± 1 ο Σχήμα.6.16: Επίδραση τoυ κλάσματος της νέφωσης (thick και thin cloud Fraction) στη διαφορά μεταξύ μετρούμενων και υπολογισμένων τιμών της DNI για sza = 60 o ± 1 ο 67

68 Παρατηρούμε από Σχήμα.6.15 ότι η επίδραση του κλάσματος του πυκνού νέφους (thick cloud fraction = thick / CDOC) είναι πιο σημαντική στη μείωση ή αύξηση της GHI σε σύγκριση με την επίδραση του κλάσματος του αραιού νέφους. Συγκεκριμένα, για τις πρώτες 700 περιπτώσεις, καθώς και για αυτές από 1600 έως 2000, παρατηρούμε ισχυρότερη επίδραση, λόγω της εντονότερης διακύμανσης της GHI κατά την εμφάνιση πυκνών νεφών. Αντίστοιχα αποτελέσματα παρατηρούμε στο Σχήμα.6.16 για την DNI, αν και εδώ το κλάσμα των αραιών νεφών (thin cloud fraction) φαίνεται να έχει πιο σημαντική επίδραση, λόγω της θέσης τους σε σχέση με την θέση του ηλιακού δίσκου. Σχήμα.6.17: Επίδραση ταυ thick και thin cloud Fraction στις ενισχύσεις της GHI για sza = 30 o ± 1 ο Εξετάζοντας τώρα μόνο την επίδραση του κλάσματος των πυκνών και αραιών νεφών (thick και thin cloud Fraction) στις ενισχύσεις της GHI για sza=30 o ± 1 ο (Σχήμα.6.17), παρατηρούμε τον κύριαρχο ρόλο που παίζει το κλάσμα της πυκνής νέφωσης ( Birk cloud fraction) στην αύξηση ή μείωση του μεγέθους της ενίσχυσης της GHI. Συγκεκριμένα όσο το κλάσμα του πυκνού νέφους (thick cloud fraction) μειώνεται, αντίστοιχη μείωση παρατηρούμε και στο μέγεθος των ενισχύσεων της GHI. Αντίθετα με το κλάσμα του πυκνού νέφους (thick cloud fraction), το κλάσμα του αραιού νέφους δεν μπορούμε να πούμε ότι επηρεάζει την ενίσχυση της GHI. Αυτή η μη εξάρτηση σχετίζεται με το γεγονός ότι το μέγεθος της ενίσχυσης της GHI καθορίζεται από τη θέση του ήλιου ως προς τα αραιά νέφη και όχι από το ποσοστό νεφοκάλυψης του ουρανού. Στη συνέχεια εξετάσαμε την ισχυρή μεταβλητότητα των ενισχυτικών γεγονότων της GHI (W/m 2 ) λόγω των νεφών (Σχήμα.6.18) και κυρίως των πυκνών νεφών (thick clouds) στις 10/5/2015. Εκείνη την ημέρα καταγράφηκε η ακραία ενίσχυση των W/m 2 για τις 10:04 UT. Επίσης η μέρα αυτή χαρακτηρίζεται από τιμές GHI RADIOMETER κοντά στα 1400W/m 2, οι οποίες είναι 300 W/m 2 μεγαλύτερες από τις ακτινοβολίες του μοντέλου (clear sky model). 68

69 Επιπλέον εξετάσαμε και τη μεταβλητότητα της DNI σε σχέση με την επίδραση των πυκνών, αραιών νεφών και της ολικής νεφοκάλυψης (thick, thin clouds και CDOC) στις 10/5/2015. Για την DNI βρήκαμε ότι οι μέγιστες τιμές του RSI δεν ήταν μεγαλύτερες απ αυτές του μοντέλου διάδοσης της ακτινοβολίας υπό ανέφελο ουρανό και χωρίς την ύπαρξη αιωρούμενων σωματιδίων. Σχήμα.6.18: Ολική νέφωση, πυκνά και αραιά νέφη (αριστερή εικόνα), οι τιμές της Ολικής και Άμεσης Ακτινοβολίας (GHI, DNI) από RSI και μοντέλο διάδοσης της Ακτινοβολίας (κέντρο και δεξιά αντίστοιχα) για 10/5/2015, Πάτρα Παρατηρούμε λοιπόν πόσο ισχυρή είναι η επίδραση των πυκνών νεφών σε σχέση με τα αραιά για την αύξηση του μεγέθους των ενισχύσεων της GHΙ. 6.3 Παρουσίαση Χρονοσειρών για τη συνιστώσα της Ολικής Οριζόντιας Ακτινοβολίας (GHI RADIOMETER, GHI PYRANOMETER, GHI MODEL ) Σ αυτή τη ενότητα θα δούμε τις διακυμάνσεις της GHI από το όργανο RSI σε σχέση με τις διακυμάνσεις της GHI του πυρανομέτρου (GHI RADIOMETER και GHI PYRANOMETER ) στη διάρκεια μιας χειμερινής και μιας καλοκαιρινής μέρας (14/1/2015, 2/7/2015) για συνθήκες νέφωσης CDOC 0.1. Επιπλέον θα παραστήσουμε γραφικά τη διακύμανση της GHI από το RSI και από το μοντέλο διάδοσης της ακτινοβολίας (GHI RADIOMETER και GHI model ) για τη διάρκεια 1 έτους για όλο το σετ δεδομένων το οποίο έχουμε, ώστε να βγάλουμε τα συμπεράσματα μας για το μέγεθος των ενισχύσεων και την εξάρτηση τους από τη περίοδο του έτους. 69

70 Σχήμα.6.19: Διακύμανση της GHI RADIOMETER και GHI PYRANOMETER για ολική νέφωση 0.1, για τις 14/1/2015 Σχήμα.6.20: Διακύμανση της GHI RADIOMETER και GHI PYRANOMETER για ολική νέφωση 0.1, για τις 2/7/

71 Σχήμα.6.21: Διακύμανση της GHI RADIOMETER στη διάρκεια 1 έτους (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015) Σχήμα.6.22: Διακύμανση της GHI RADIOMETER και GHI MODEL στη διάρκεια 1 έτους (Αύγουστος 2014 Σεπτέμβριος 2015) 71