Uma contribuição à modelagem de aerossol e componentes da radiação solar no modelo GL

• Ano de defesa: 2017
• Autor(a) principal: Anthony Carlos Silva Porfirio
• Orientador(a): Juan Carlos Ceballos
• Banca de defesa: Enio Bueno Pereira, Fernando Ramos Martins, Nilton Manuel Évora do Rosário
• Tipo de documento: Tese
• 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 physical model GL is used at CPTEC/INPE for monitoring solar radiation over Brazil and South America based on geostationary satellite VIS imagery. The information generated by GL has shown to be useful for a variety of applications, such as climate studies, validation of regional atmospheric models, evapotranspiration modeling and renewable energy studies. Thus, scientific efforts to investigate the GL's quality and to identify limitations are essential in order to propose refinements and ensure good levels of accuracy. The aim of this work was to contribute to GL model structure through validations studies as well as the improvement of its physical hypotheses and the inclusion of new parametrizations. Firstly, the performance of the GL model applied to GOES (version GL$_{G1.2}$) and MSG (version GL$_{M1.2}$ and GL$_{M1.4}$) over the Brazilian territory was evaluated. The global solar irradiance estimates on a monthly basis showed good agreement with ground truth (especially in the northeast, southeast and south regions) with mean bias errors lower than 10 W m$^{-2}$. Larger discrepancies in the GL estimates were observed in the north and center-west regions, especially during biomass burning season (August-October), with mean monthly deviations of 36 and 18 W m$^{-2}$, respectively. Comparisons between GL$_{G}$ and GL$_{M}$ showed quite similar estimates in the northeast region, probably due to the fact that this region is observed with similar angle of view from both satellites. Complementary analysis for stations located in Spain showed excellent performance of GL$_{M1.4}$ estimates, with MBE of -0,2 W m$^{-2}$ and RMSE of 13,8 W m$^{-2}$. GL model neglects the presence of aerosol. So, the next step was to investigate the impact of this atmospheric constituent. Daily cycles for clear sky days during burning biomass peak in the Amazon were considered. This analysis made evident the tendency of the model to overestimate ground truth for days with high aerosol loading. New algorithms were developed for describing this influence. Simulations using the radiative transfer code SBDART allowed to find proper parameterizations for the new variables. Two aerosol optical models were considered (rural and smoke). The first validations of the new scheme (called GL$_{2.0}$) showed an improvement related to previous versions GL$_{1.2}$, for estimation of daily cycles as well as daily irradiation. The impact on daily mean global solar irradiance ranged from -50 to -15 W m$^{-2}$ in one day with evident presence of regional aerosol plumes showing aerosol optical depths between 1,0 and 0,3, respectively. Last but not least, a method for estimating direct normal irradiance and its daily integral was improved. It allows estimation of diffuse irradiation by a simple partition of global in direct and diffuse irradiance. The results are promising. Validations against four Brazilian stations show mean values for MBE of -0,2, 1,0 and -1,0 MJ m$^{-2}$ and for RMSE of 1,6, 2,0 and 2,0 MJ m$^{-2}$. In general, the results reported were consistent, generating in a natural way, two new versions with great potential for research and operational purposes.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2017/11.27.20.22

O modelo físico GL é utilizado no CPTEC/INPE para o monitoramento da radiação solar global à superfície no Brasil e na América do Sul com base em imagens do canal visível (VIS) de satélites geoestacionários. As informações geradas pelo modelo têm se mostrado úteis para uma variedade de aplicações, como estudos climáticos, validação de modelos atmosféricos regionais, modelagem da evapotranspiração e levantamento do potencial solar. Devido à sua relevância, esforços científicos com o intuito de investigar a qualidade das estimativas e identificar limitações são fundamentais para propor aperfeiçoamentos e assegurar bons níveis de acurácia. Nesse contexto, o presente estudo teve como objetivo realizar uma contribuição ao modelo GL através da análise do desempenho de suas estimativas, bem como com o aprimoramento de suas hipóteses físicas e com a inclusão de novas parametrizações. Primeiramente, avaliou-se o desempenho do modelo GL aplicado às imagens GOES (GL$_{G1.2}$) e MSG (GL$_{M1.2}$ e GL$_{M1.4}$) sobre o território brasileiro. As estimativas GL, na base mensal, apresentaram uma boa concordância com a verdade terrestre, sobretudo nas regiões nordeste, sudeste e sul, com erros médios entre $\pm$ 10 W m$^{-2}$. Maiores discrepâncias nas estimativas GL foram percebidas nas regiões norte e centro-oeste, principalmente na época de maior concentração de aerossóis atmosféricos (agosto-outubro), com desvios médios mensais de 36 e 18 W m$^{-2}$, respectivamente. As comparações entre GL$_{G}$ e GL$_{M}$ mostraram que para a região nordeste as estimativas são bastante semelhantes, o que pode ser creditado ao fato que essa região é observada pelos satélites com ângulo de visada similar. Análise complementar para estações radiométricas localizadas na Espanha, mostraram um excelente desempenho do GL$_{M1.4}$, com um MBE de apenas -0,2 W m$^{-2}$ e RMSE de 13,8 W m$^{-2}$. O modelo GL negligencia a presença de aerossóis. Assim, em seguida, investigou-se o impacto dos aerossóis atmosféricos nas estimativas do modelo GL. Ciclos diários medidos e estimados foram comparados para dias de céu claro na época do pico de queimadas na região sul da Amazônia. Tal análise evidenciou a tendência do modelo em superestimar a medida para dias com concentração de aerossóis relevantes. Análises teóricas utilizando o código de transferência radiativa SBDART permitiram o desenvolvimento de parametrizações para os aerossóis no modelo GL. Adotaram-se propriedades ópticas de aerossóis referentes a dois tipos (rural e queimadas). As primeiras validações do novo esquema, denominado de GL$_{2.0}$, mostraram um aperfeiçoamento na estimativa dos ciclos diários e da irradiação solar em relação a versão GL$_{1.2}$. O impacto na irradiância solar global média diária variou entre -50 e -15 W m$^{-2}$ para profundidades ópticas de 1,0 e 0,3, para um dia com evidente presença da pluma regional de aerossóis de queimada. Por fim, o procedimento aplicado para a estimativa particionada das componentes da radiação solar global, direta e difusa, a partir do GL$_{2.0}$ e de um modelo de radiação direta por satélite se mostrou promissor. As estimativas de irradiação global, direta e difusa por satélite mostraram boa concordância com as medidas de superfície, com valores médios para o MBE de -0,2, 1,0 e -1,0 MJ m$^{-2}$ e para o RMSE de 1,6, 2,0 e 2,0 MJ m$^{-2}$, respectivamente. Em geral, os resultados obtidos foram consistentes, e conceberam de maneira natural, duas novas versões com grande potencial para aplicações em pesquisa e para fins operacionais.