Solar radiation/energy forecasting and measurement applications: the role of clouds and aerosols

Abstract

Aerosols and clouds play a dominant role for solar radiation attenuation with great implication in climate and energy related applications. The scope of this dissertation is to investigate the role of aerosols and clouds to this attenuation, aiming to improve surface solar radiation forecasting and related applications. In addition, atmospheric aerosols, being also of particular concern for human health, have both natural and anthropogenic origin, and it is more than necessary to understand and analyze their variability at different spatial scales. Cities are one of the major sources of anthropogenic aerosols. The increased urbanization (70% of world’s population by 2050) raises several environmental challenges, including air quality degradation. The spatial and temporal variability of urban aerosol state of 81 cities with a population over 5 million was investigated, relying on daily satellite-based aerosol optical depth (AOD) retrievals of fine spatial resolution, over an 18-year period (2003 to 2020). The population changes of those cities were also examined. According to the results the European and American cities have lower aerosol loads compared to African and Asian cities. For European, North American, and East Asian cities, aerosols are decreasing over time while their population is increasing. Especially for Chinese cities the greatest reduction in aerosols was found, despite their population growth, in response to the rigorous environmental measure implemented the last decade. For the rest of Asian, African, and South American cities, an increase in their aerosol load was found along with an increase of their population. For Indian cities the greatest increase in aerosol loads was found, a change that was correlated with the population growth. The agreement of the satellite-derived AOD trends against those obtained from ground-based AERONET measurements was also examined. Most of the trends agreed in sign for ground-based stations within the geographical limits of the contiguous urban area of the examined cities. This study highlights the vital and essential contribution of spaceborne products to monitor aerosol burden over megacities. To analyze both anthropogenic and nature aerosols, including their direct radiative effects, focus was put on the regional scale and especially to the broader Mediterranean basin. The natural aerosol component that has significant contribution to the aerosol mixture over Mediterranean is dust. The continuous satellite monitoring of atmospheric aerosols provides long term satellite datasets of AOD, dust optical depth (DOD) and their vertical distribution in the atmosphere which contribute to understanding their direct radiative effects. The quantification of total and dust aerosols direct effects on global horizontal irradiance (GHI; important for photovoltaic installations) and direct normal irradiance (DNI; important for concentrating solar power systems) was attained for the broader Mediterranean basin, over the period 2003-2017, using the satellite based ModIs Dust AeroSol (MIDAS) AOD/DOD datasets and radiative transfer modeling (RTM), under clear-sky conditions. The Mediterranean basin is a region of high interest for such a research effort since it combines high solar energy potential with an increasing capacity in solar energy installations. Aerosol attenuation of annual GHI and DNI were 1–13% and 5–47%, respectively. Over North Africa and the Middle East, attenuation by dust was found to contribute 45–90% to the overall attenuation by aerosols. After 2008, attenuation of surface solar radiation by aerosols became weaker mainly because of changes in the amount of dust. Sensitivity analysis using different AOD/DOD inputs from Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS) reanalysis dataset revealed that using CAMS products leads to underestimation of the aerosol and dust radiative effects compared to MIDAS, mainly because the former underestimates DOD. The results of this analysis are important for understanding of the role of aerosols and especially of dust on GHI and DNI over the Mediterranean Basin and planning of future solar installations. As solar energy nowcasting and short-term forecasting are essential for the optimization of solar renewable energy use in the energy mix, accurate clouds and aerosol datasets are the key factors to achieve optimum results. SENSE2 is the upgraded version of an existing solar energy nowcasting system that produces real-time estimates of surface GHI based on earth observation data (satellite and model based) at high spatial and temporal resolution (~5 km, 15 min) for a domain including Europe and the Middle East–North Africa (MENA). The improvements that have been introduced to SENSE2 are a new model configuration and the upgrade of cloud and aerosol inputs. The improved SENSE2 has been validated for 1 year (2017) using ground-based measurements from 10 stations. The limitations of evaluating such a model were investigated using surface-based sensors due to cloud effects. Results for instantaneous (every 15 min) comparisons show that the GHI estimates are within ±50 W m-2 (or ±10%) of the measured GHI for 61% of the cases after the implementation of the new model configuration and a proposed bias correction. The bias ranges from -12 to 23 W m-2 (or from -2 to 6.1%) with a mean value 11.3 W m-2 (2.3%). It was demonstrated that the main overestimation of the SENSE2 GHI is linked with the uncertainties of the cloud-related information within the satellite pixel, while relatively low underestimation, linked with AOD forecasts (derived from CAMS), is reported for cloudless-sky GHI. The highest deviations for instantaneous comparisons are associated with cloudy atmospheric conditions when clouds obscure the sun over the ground-based station. Thus, they are much more closely linked with satellite vs. ground-based comparison limitations than the actual model performance. The NextSENSE2 short term forecasting system (up to 3 h ahead) based on a cloud motion vector technique, was also validated. It was found that it outperforms the persistence forecasting method, which assumes the same cloud conditions for the future time steps, especially for periods with increased cloudiness and changes in cloudiness.

Η εξασθένηση που προκαλούν τα σύννεφα και τα ατμοσφαιρικά αιωρούμενα σωματίδια στην ηλιακή ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης έχει σημαντικές επιπτώσεις στο κλίμα της γης αλλά και σε εφαρμογές που σχετίζονται με την παραγωγή ηλιακής ενέργειας. Το αντικείμενο μελέτης της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση του ρόλου των αερολυμάτων και των νεφών σε αυτή την εξασθένηση, με στόχο τη βελτίωση των συστημάτων πρόγνωσης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στο έδαφος και άλλων σχετικών με την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας εφαρμογών. Επιπλέον, τα αιωρούμενα σωματίδια , τα οποία έχουν επίσης σημαντικές επιπτώσεις στην υγεία του ανθρώπου, κατατάσσονται σε φυσικής και ανθρωπογενούς προέλευσης, και είναι κάτι παραπάνω από απαραίτητο να κατανοήσουμε και να αναλύσουμε τις μεταβολές τους σε διάφορες χωρικές κλίμακες. Οι πόλεις αποτελούν την κύρια πηγή ανθρωπογενών αερολυμάτων. Ο παγκόσμιος ρυθμός αστικοποίησης συνεχίζει να αυξάνεται (το 70% του παγκόσμιου πληθυσμού μέχρι το 2050) το οποίο συνδέεται με πληθώρα περιβαλλοντικών επιπτώσεων όπως η υποβάθμιση της ποιότητας του ατμοσφαιρικού αέρα. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η χωρική και χρονική μεταβλητότητα των αστικών αερολυμάτων 81 πόλεων με πληθυσμό πάνω από 5 εκατομμύρια, χρησιμοποιώντας ένα υψηλής χωρικής ανάλυσης δορυφορικό προϊόν του οπτικού βάθους των αερολυμάτων (AOD), για ένα χρονικό διάστημα 18 χρόνων (2003 με 2020). Μελετήθηκαν επίσης οι μεταβολές στον πληθυσμό των πόλεων αυτών για το ίδιο χρονικό διάστημα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα οι πόλεις της Ευρώπης και της Αμερικής έχουν λιγότερα αιωρούμενα σωματίδια σε σχέση τις πόλεις της Αφρικής και της Ασίας. Μείωση των αιωρούμενων σωματιδίων βρέθηκε για τις πόλεις της Ευρώπης, Βόρειας Αμερικής και της Ανατολικής Ασίας, ενώ βρέθηκε αύξηση του πληθυσμού τους για το ίδιο διάστημα. Η μεγαλύτερη μείωση των αιωρούμενων σωματιδίων βρέθηκε για τις πόλεις της Κίνας, παρόλη την αύξηση του πληθυσμού τους, η οποία οφείλεται στα αυστηρά περιβαλλοντικά μέτρα που πάρθηκαν στη χώρα την τελευταία δεκαετία. Αύξηση των αιωρούμενων σωματιδίων βρέθηκε για τις υπόλοιπες πόλεις της Ασίας, τις πόλεις της Αφρικής και της Νότιας Αμερικής, σε συνδυασμό με την αύξηση στον πληθυσμό τους. Η μεγαλύτερη αύξηση βρέθηκε για τις πόλεις της Ινδίας, η οποία βρέθηκε να συσχετίζεται με την αύξηση στον πληθυσμό τους. Εξετάστηκε επίσης κατά πόσο οι τάσεις των τιμών του AOD που υπολογίστηκαν από τα δορυφορικά δεδομένα συμφωνούν με τις αντίστοιχες τιμές από μετρήσεις εδάφους του δικτύου AERONET. Οι τιμές των τάσεων που υπολογίστηκαν από τις προαναφερθείσες δυο πηγές είχαν το ίδιο πρόσημο όταν ο επίγειος σταθμός ήταν εντός της γεωγραφικής περιοχής που καλύπτεται από τον αστικό ιστό της υπό μελέτη πόλεως. Τα αποτελέσματα της παρούσα μελέτης δίνουν έμφαση στη σημαντική συνεισφορά των δορυφορικών παρατηρήσεων στην καταγραφή των αιωρούμενων σωματιδίων σε μεγαλουπόλεις.Η ανάλυση των αερολυμάτων τόσο ανθρωπογενούς όσο και φυσικής προέλευσης, συμπεριλαμβανομένου της άμεσης επίδρασης τους στην ηλιακή ακτινοβολία έγινε σε περιοχική κλίμακα και συγκεκριμένα στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου. Η ερημική σκόνη αποτελεί μια βασική συνιστώσα των αερολυμάτων φυσικής προέλευσης στη Μεσόγειο. Η συνεχής παρατήρηση των αιωρούμενων σωματιδίων από δορυφόρους παρέχει μακροχρόνιες μετρήσεις του AOD, του οπτικού βάθους της σκόνης (DOD) αλλά και της κατακόρυφης δομής τους μέσα στην ατμόσφαιρα, δεδομένα πολύτιμα στην κατανόηση της άμεσης αλληλεπίδρασης των αερολυμάτων με την ακτινοβολία. Χρησιμοποιώντας δεδομένα του AOD και DOD που βασίζονται σε δορυφορικές παρατηρήσεις του ραδιόμετρου MODIS (βάση δεδομένων MIDAS – ModIs Dust AeroSol) και μοντέλο διάδοσης ακτινοβολίας ποσοτικοποιήθηκε η άμεση επίδραση του συνόλου των αερολυμάτων και χωριστά μόνο της σκόνης στην ολική ηλιακή ακτινοβολία σε οριζόντιο επίπεδο (GHI; η οποία είναι σημαντική για τα φωτοβολταϊκά συστήματα) και στην άμεση ηλιακή ακτινοβολία κάθετα προς τη διεύθυνση διάδοσης (DNI; η οποία είναι σημαντική για τα συγκεντρωτικά ηλιακά συστήματα) υπό ανέφελο ουρανό, για την ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου, για την περίοδο 2003 – 2017. Η περιοχή αυτή είναι ιδιαίτερου ενδιαφέροντος καθώς είναι μια περιοχή με υψηλό ηλιακό δυναμικό και αύξηση των εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης της ηλιακής ενέργειας. Η μέση ετήσια εξασθένηση της GHI και της DNI που οφείλεται στο σύνολο των αερολυμάτων βρέθηκε μεταξύ 1% με 13% και μεταξύ 5% με 47%, αντίστοιχα. Για την περιοχή της Βόρειας Αφρικής και της Μέσης Ανατολής, το 45 με 90% της εξασθένησης και των δύο συνιστωσών της ηλιακής ακτινοβολίας από το σύνολο των αερολυμάτων βρέθηκε να οφείλεται στη συνιστώσα της ερημική σκόνης. Μετά το 2008 βρέθηκε μείωση της εξασθένησης της ηλιακής ακτινοβολίας που φτάνει στην επιφάνεια της γης από το σύνολο των αερολυμάτων, το οποίο αποδόθηκε κυρίως στις μεταβολές της συνιστώσας της ερημικής σκόνης. Τέλος, πραγματοποιήθηκε ανάλυση ευαισθησίας των αποτελεσμάτων χρησιμοποιώντας διαφορετικά δεδομένα AOD και DOD, και συγκεκριμένα από το μοντέλο Copernicus Atmosphere Monitoring Service (CAMS reanalysis dataset). Σύμφωνα με τα αποτελέσματα υποεκτιμάται η άμεση επίδραση του συνόλου των αερολυμάτων και χωριστά μόνο της σκόνης στην ηλιακή ακτινοβολία όταν χρησιμοποιούνται δεδομένα AOD και DOD από το μοντέλο του CAMS σε σχέση με τις αντίστοιχες τιμές όταν χρησιμοποιήθηκε η βάση δεδομένων MIDAS, κυρίως γιατί το μοντέλο του CAMS υποεκτιμά το DOD. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης αυτής είναι σημαντικά τόσο για την κατανόηση του ρόλου των αερολυμάτων και ειδικά της ερημικής σκόνης στην GHI και DNI στην ευρύτερη περιοχή της Μεσογείου, καθώς και στη φάση σχεδιασμού νέων εγκαταστάσεων εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας. Η εκτίμηση των επιπέδων της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια της γης σε πραγματικό χρόνο (nowcasting), και η βραχυπρόθεσμη πρόγνωσή της (short-term forecasting) είναι σημαντικά εργαλεία για την βέλτιστη ένταξη των συστημάτων εκμετάλλευσης ηλιακής ενέργειας στην αγορά ενέργειας. Η ακρίβεια των αποτελεσμάτων των εργαλείων αυτών εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακρίβεια των δεδομένων νεφοκάλυψης και των αιωρούμενων σωματιδίων, τα οποία αποτελούν τα κύρια δεδομένα εισόδου τους. Το σύστημα SENSE2 είναι η βελτιωμένη έκδοση ενός προϋπάρχοντος συστήματος nowcasting των επιπέδων της ηλιακής ενέργειας που φτάνει στην επιφάνεια της γης, το οποίο παράγει σε πραγματικό χρόνο εκτιμήσεις της GHI στην επιφάνεια χρησιμοποιώντας δεδομένα από δορυφόρους και μοντέλα, σε υψηλή χωρική και χρονική ανάλυση (~5 km, 15 min) με περιοχή κάλυψης την Ευρώπη, τη Βόρεια Αφρική και τη Μέση Ανατολή. Οι βελτιώσεις που έγιναν στο σύστημα SENSE2 στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αφορά στον τρόπο υπολογισμού της GHI και το πως λαμβάνει υπόψιν το μοντέλο τα σύννεφα και τα αιωρούμενα σωματίδια. Έγινε αξιολόγηση του βελτιωμένου συστήματος SENSE2 χρησιμοποιώντας επίγειες μετρήσεις από 10 σταθμούς για 1 χρόνο (2017). Διερευνήθηκαν επίσης τα μειονεκτήματα και οι περιορισμοί στην αξιολόγηση τέτοιων μοντέλων με επίγειες μετρήσεις λόγω της επίδρασης των νεφών. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των συγκρίσεων στιγμιαίων τιμών (χρονική κλίμακα 15 min) οι διαφορές των εκτιμώμενων τιμών της GHI σε σχέση με τις επίγειες μετρήσεις είναι εντός του ±50 W m-2 (ή ±10%) για το 61% των περιπτώσεων, αφού εφαρμόστηκαν οι βελτιώσεις στο νέο μοντέλο και μια προτεινόμενη διόρθωση συστηματικών σφαλμάτων. Το μέσο σφάλμα της εκτιμώμενης GHI βρέθηκε μεταξύ -12 με 23 W m-2 (ή από -2% με 6.1%) για τους 10 σταθμούς, με μέση τιμή 11.3 W m-2 (2.3%) για όλους του σταθμούς. Δείχθηκε ότι ο κύριος λόγος υπερεκτίμησης της GHI από το SENSE2 οφείλεται σε αβεβαιότητες που σχετίζονται τη νεφοκάλυψη εντός του εικονοστοιχείου (pixel) του δορυφόρου, ενώ η σχετικά μικρή υποεκτίμηση της GHI υπό ανέφελο ουρανό οφείλεται στις προγνώσεις των τιμών του AOD (από το μοντέλο του CAMS). Στις συγκρίσεις στιγμιαίων τιμών, οι μεγαλύτερες αποκλίσεις βρέθηκαν όταν υπήρχαν νέφη και όταν αυτά έκρυβαν τον ήλιο σε σχέση με τον επίγειο σταθμό, δείχνοντας ότι οι αποκλίσεις που βρέθηκαν για το μοντέλο συνδέονται περισσότερο με τους περιορισμούς που εισάγονται όταν συγκρίνονται επίγειες μετρήσεις με δορυφορικά προϊόντα, παρά με την καθαυτή επίδοση του μοντέλου. Αξιολογήθηκε επίσης το σύστημα βραχυπρόθεσμης πρόγνωσης (με ορίζοντα πρόγνωσης 3 h) των επιπέδων της ηλιακής ενέργειας NextSENSE2 το οποίο βασίζεται στη μέθοδο υπολογισμού διανυσμάτων της κίνησης των νεφών (cloud motion vector technique). Για μια πιο αντικειμενική αξιολόγηση του μοντέλου, συγκρίθηκε επίσης με τη μέθοδο πρόγνωσης «persistence», στην οποία οι συνθήκες νεφοκάλυψης θεωρούνται ίδιες για όλες τις μελλοντικές χρονικές στιγμές του ορίζοντα πρόγνωσης, και βρέθηκε ότι το NextSENSE2 υπερτερεί ειδικά σε περιόδους με αυξημένη νεφοκάλυψη και εναλλαγές στη νεφοκάλυψη.