Estimativa de irradiação solar direta normal mediante satélite: um estudo para o nordeste brasileiro

• Ano de defesa: 2012
• Autor(a) principal: Anthony Carlos Silva Porfirio
• Orientador(a): Juan Carlos Ceballos
• Banca de defesa: Leonardo de Faria Peres
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Meteorologia
• País: BR
• Resumo em Inglês: The scientific focus of this research was to develop a method to estimate the direct normal irradiance (DNI) and irradiation (Q$_{N}$) at the surface based on satellite and weather information. The focus of application was on Northeast Brazil region (NEB). For development and validation of the method a number of regional informations were used, including measured surface data (sunshine duration, solar radiation components, atmospheric pressure), atmospheric data from radiosondes and numerical weather forecasting models as well as imagery and derived products from EOS (Aura/Terra/Aqua) and GOES satellites. Five physical models for estimation of DNI under clear sky conditions (DNI$_{CC}$) were evaluated through analysis of their theoretical and experimental performance; four of them where previously published and the fifth (labeled PC12) was developed in this work. Overall, the results confirmed the good performance of the REST, Yang and PC12 models (in that order) so that they can be recommended for use in estimating DNI$_{CC}$ in the NEB atmospheric conditions. The REST model was chosen to assess DNI$_{CC}$. Daily sunshine duration is a parameter which provides information on cloud cover and can exhibit high correlating with Q$_{N}$. Thus, the satellite-based estimate (\textit{nsat}) provided by DSA/CPTEC/INPE was validated, by comparison with pyrheliometric and heliographic records. It was found that (\textit{nsat}) is coherent with pyrheliometric observations (\textit{nef}) (based on effective DNI time duration), while differs from heliographic sunshine duration (\textit{nhelio}). These last are coherent with WMO definition, which considers DNI higher than 120 W m$^{-2}$. Modelled daily Q$_{N}$ was evaluated by integrating DNI$_{CC}$ values weighted with effective clear-sky time intervals, which were in turn assessed from GOES VIS channel images. Resulting DNI and Q$_{N}$ were compared with data from SONDA network stations within NEB (Petrolina-PE, Natal-RN and Sao Luís-MA) for the 2007/2008 period. It was found that the model represents satisfactorily the daily cycle of DNI, both on clear days and partially cloudy days, with average daily errors ranging from -18,4 to 22,4 W m$^{-2}$. A strictly linear relationship was found between the estimated Q$_{N}$ and the measurements, with a high determination coefficient (R$^{2}$ > 0,84). The average MBE and RMSE for all of the sites were -1,74\% and +18,7\%, respectively. Finally, direct normal irradiation maps were built for NEB in 2008. The analysis indicated that seasonal weather conditions in the region play an important role in the spatio-temporal variability of Q$_{N}$ strength. Considering annual average of Q$_{N}$ distribution, the highest observed value is about 22 MJ m$^{-2}$. These maps reveal that higher values are located in the inland semi-arid NEB. Overall, it is apparent that the satellite-based model is a promising tool for providing Q$_{N}$ accurate estimates, particularly in regions with scarce \textit{in situ} measurements.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m19/2012/08.09.17.57

O foco científico desta pesquisa foi desenvolver um método de estimativa de irradiância direta normal (DNI) e irradiação (Q$_{N}$) à superfície baseando-se em informações meteorológicas e satelitais. O método foi aplicado para a região Nordeste do Brasil (NEB). Para o desenvolvimento e validação do método diversas informações regionais foram utilizadas, incluindo dados medidos à superfície (insolação, componentes da radiação solar, pressão atmosférica), dados atmosféricos de radiossondas e do modelo numérico de previsão de tempo do CPTEC, além de imagens e produtos derivados dos satélites EOS (Aura/Terra/Aqua) e GOES. Foram avaliados, através de análise teórica e experimental, o desempenho de cinco modelos físicos de estimativa de DNI sob condição de céu claro (DNI$_{CC}$), quatro deles difundidos na literatura e o quinto (denominado PC12) desenvolvido neste trabalho. De maneira geral os resultados corroboram o bom desempenho dos modelos REST, Yang e PC12 (nessa ordem), que podem ser recomendados para aplicação na estimativa de DNI$_{CC}$ nas condições atmosféricas do NEB. O modelo REST foi selecionado para avaliar DNI$_{CC}$. A insolação diária é um parâmetro que fornece informação sobre a cobertura de nuvens; além disso, pode apresentar correlação elevada com Q$_{N}$. Sendo assim, as estimativas de insolação por satélite (\textit{nsat}) fornecidas pela DSA/CPTEC/INPE foram validadas através de comparações com dados heliográficos e pireliométricos. Verificou-se que as estimativas (\textit{nsat}) são coerentes com as observações pireliométricas (\textit{nef}) (baseadas no tempo efetivo de DNI), enquanto que diferem da insolação por heliógrafo (\textit{nhelio}). A insolação (\textit{nhelio}) demonstrou bom desempenho com a definição da WMO, que considera DNI superiores a 120 W m$^{-2}$. A estimativa de Q$_{N}$ diária foi avaliada pela integração de valores DNI$_{CC}$ ponderadas com o tempo efetivo de céu claro, que por sua vez, é avaliado a partir de imagens do canal VIS do GOES. As estimativas de DNI e Q$_{N}$ por satélite foram comparadas com medidas obtidas em estações solarimétricas da rede SONDA no NEB (Petrolina-PE, Natal-RN e São Luís-MA) para o período 2007/2008. Os resultados indicaram que o modelo representa satisfatoriamente o ciclo diário de DNI, tanto em dias claros como em dias parcialmente nublados, com erros médios variando entre -18,4 a 22,4 W m$^{-2}$. Evidenciou-se uma relação estritamente linear entre a Q$_{N}$ estimada e medida, com altos valores do coeficiente de determinação (R$^{2}$ > 0,84). Médias de MBE e RMSE referentes a todos os sítios foram de -1,74\% e 18,7\%, respectivamente. Finalmente, mapas de irradiação direta normal no NEB foram elaborados para o ano de 2008. A análise indicou que as condições meteorológicas sazonais desempenham importante papel na variabilidade espaço-temporal dos níveis de Q$_{N}$. O valor máximo médio diário anual foi da ordem de 22 MJ m$^{-2}$. Esses mapas revelam que as regiões que se destacam por apresentarem maiores valores de QN localizam-se no semi-árido do NEB. Em geral, o modelo desenvolvido mostra-se uma promissora ferramenta para prover informações precisas de Q$_{N}$, especialmente em regiões desprovidas de medições \textit{in situ}.