文摘

本研究绘制了太阳辐射接收到山坡上的韩国,包括地区不衡量地面站测量,利用卫星和地形数据。用卫星估算日晒时,我们使用基于物理模型测量的数量每小时太阳表面日晒。此外,我们还考虑地形的影响,使用全球土地一公里基地海拔(全球)数字高程模型(DEM)入射太阳辐射的实际金额根据太阳能几何。表面日晒映射,通过集成通信的物理模型,海洋,和气象卫星(COMS)气象成像仪(MI)的形象,通过比较分析了地面观测数据(日射强度计)。创建原始和太阳辐射从地形上纠正地图及其特点进行了分析。原始和从地形上纠正太阳能资源地图捕获时间大气条件的变化,如在夏季季节性降雨方面的运动。相比之下,虽然最初的太阳辐射地图日晒很低价值在山区高速率的阴沉,从地形上太阳辐射纠正地图提供了一个更好的描述实际表面的几何特征。

1。介绍

可再生能源已经引起了相当大的关注我们试图满足减少温室气体排放的双重目标和确保能源资源,同时限制未来极端天气和气候的影响,并确保可靠的、及时的、有成本效益的交付的能量(1]。在可再生能源如风能和太阳能能源,太阳能是最古老的,最干净,最可靠的可再生能源。在太阳辐射的情况下,有许多不同的应用程序:分析建筑热负荷的太阳能收集系统、作物生长模型、大气能量平衡研究,等等2),结果太阳辐射水平形成太阳能应用程序的最重要的参数(3]。因此,一个精确的模型预测所需的太阳能辐射水平(4]。

地球表面上的太阳辐射事件具有较高的时间和空间变化,环境系统的影响,表明太阳能的领域获取必须确定是有效的。虽然日射强度计测量可以准确地确定入射太阳辐射在所需的位置,这种站的数量通常是不足以提供所需的太阳辐射数据区域;空间代表性较低(5]。另一个解决这个问题的方法是使用一个物理模型推导出直接正常的辐照,通过整合卫星数据(6]。使用卫星数据有一个优势从地面测量的辐射数据更好的时间和空间范围(7]。Zhang et al。8)提出了一个实际的计划创建全球LA表面卫星(玻璃)事件短波辐射(ISR)和光合有效辐射(PAR)的产品。词根这些开发使用查找表(LUT)包含数据从极地和地球同步卫星覆盖全球。他等。9)和Bisht和胸罩10)开发了一个基于物理算法估计事件短波辐射利用卫星数据,证明它在一个单独的应用。但相关的上下文。使用这些数据,结合太阳能地面数据集和其他气象数据质量,已经成为一种有效的方式开发site-time具体在大面积太阳能资源评估。特别是,推导太阳辐射数据从地球静止卫星图像便于大面积太阳能资源描述(11]。卫星图像是有用的监测云计算的复杂变化,因为云是最重要的大气现象影响太阳辐射的空间和时间分布(12]。特别是,地球同步卫星提供信息与高时空分辨率的地球大气层和云覆盖大面积(11]。

然而,太阳能地面事件的数量很大程度上取决于天空条件。收到大量的辐射在地面,天空没有云。此外,当云出现时,入射辐射取决于云类型。这是如此,大多数太阳能日晒算法的模型(例如,节日和Ratto13]和Badescu [14)考虑天空的状态(15]。云的数量在同一时区不同地区,由于最近的气候变化,云正在改变地区的发病率。因此,卫星的重要性,可以观察到这些复杂的实时云的特点,已被强调。最近的研究集成一个物理模型和同步数据显示合理的结果与地面站测量和显示相比高暂时和空间日晒(16,17]。然而,现有研究的问题,他们并没有把地形元素,如边坡和方面,要考虑进去。时重要的是要考虑地形影响计算太阳辐射的量,因为太阳辐射的数量实际上到达一个特定的点被称为全球(或全部)太阳辐射,主要取决于阴沉,每年的时间,纬度和表面几何(18]。

在这项研究中,太阳辐射在山坡上创建地图使用通信、海洋和气象卫星(COMS)数据和计算基于物理模型。此外,以反映实际的表面几何地形信息也考虑太阳日晒朝鲜半岛的效率。一个精确的太阳辐射从卫星将有助于评估太阳能资源地图和决定太阳能设施的位置,将使分析合适的土地供应能源贫困地区电气设备是不够的。

2。材料和方法

2.1。数据使用

COMS是韩国的第一颗地球静止轨道综合卫星执行职责的海洋和气象观测和通讯服务。这个卫星提供了观察朝鲜半岛和较大的亚太地区每隔8分钟24 h和天气预报是一个重要的贡献者和高影响力的早期预警的天气事件,比如台风和暴雨。COMS气象成像仪(MI)观察到一个可见的乐队和四个红外波段。其空间分辨率是1×1公里的可见区域,它获得红外信息从一个区域每个像素(表4×4公里1)。使用的数据来自2012年1月1日至2012年12月31日在朝鲜半岛。研究区被定义为朝鲜半岛的南部地区从34.00°N 38.41°N和125.36°E 129.77°E 1公里空间分辨率使用UTM(统一横轴墨卡托)世界大地系统(WGS) 84。COMS的物理观察卫星,我们使用了数字号码(DN)光辉和DN亮度温度转换表从国家气象卫星中心,韩国气象厅(http://nmsc.kma.go.kr/)。

在这项研究中,37个地面站CM21模型的日射强度计由Kipp Zonen,成立于朝鲜半岛,被用作验证数据的准确性评估卫星日晒(图1)。的详细规范CM21日射强度计,包括相关的不确定性,提出了表2(19]。

日射强度计数据分布由韩国气象厅(KMA)提供每小时测量基于上半圆观测系统。

在这项研究中,考虑地形影响,全球土地一公里基地海拔(全球),这是一个国际的设计,开发,以及独立的同行评议全球高程模型(DEM),与经度栅格间距30角秒(20.]。图2(一个)研究区域显示地球图像,匹配定义的投影几何重新取样。这表明山脉从东北延伸至朝鲜半岛的南部。民主党的基础上,相应的斜率和方面被使用环境可视化图像检索(环境)版本5.0(数字地形建模功能2 (b)- - - - - -2 (c))。

2.2。从物理模型与地形日晒

相比以前的经验模型,基于卫星的卫星观测和大气物理日晒模型利用瞬时信息(21]。使用卫星数据简化太阳辐射的估算,我们假设的半球形角积分的入射太阳辐射主要由直接太阳辐射和散射辐射衰减的气氛。换句话说,我们不考虑大气成分的辐射效应和云从半球形领域由于涉及复杂的物理特性和耗时的计算。相反,为了简化,我们采用了一种基于像素的物理模型来估计太阳辐射。考虑太阳辐射的地形影响,卫星上的入射辐射从地形上有效像素也被用来估计接收到的太阳辐射的斜坡上对应像素值斜率和方面。

大气成分,如瑞利散射气溶胶,水蒸气,和总臭氧作为输入参数来模拟大气影响由于吸收、散射和反射。当模拟卫星物理日晒COMS MI数据,我们分开大气成分的产品作为输入以来物理模型改进的大气参数可以很容易地获得更好的结果换成卫星传感器的发展和辅助数据。COMS MI观察主要用于解释由云衰减的影响。云的主要障碍是获得可靠的入射太阳辐射表面上,由于灵敏度高的时间和空间变化。

提出的基于卫星的日晒是基于河村建夫物理模型(21),我们提高了云因素通过考虑卫星可见光反射率和太阳天顶角而不是使用亮度温度,因为通过深度的云更敏感的辐照度衰减量(22]。在确定基于卫星的日晒物理模型研究区域,我们优先放在产品连续通过使用不同的卫星。地球同步卫星的太阳能日晒算法获得GMS-5 [21],MTSAT-1R [16MI [], COMS23)是基于河村建夫物理模型和改进根据机载传感器的特点。在这项研究中,在研究区域连续的日晒,河村建夫使用物理模型。物理模型的细节如下(16,17,21- - - - - -25]: 在哪里,,,总日晒,直接辐照度、散射辐照度由于瑞利散射,和由于气溶胶散射,散射辐照度。详细描述的物理模型的参数用于卫星日晒展示在表3(22]。

用卫星数据估算日晒时,大气变量是至关重要的参数,它的有效性将决定最终产品的准确性。我们研究了衰减的变化通过大气成分如臭氧、气溶胶、水汽和云。在考虑大气衰减以及这些参数,相对空气质量估计(表3)。相对空气质量最大气中使用参数化方程,因为衰减的程度由于现有成分(臭氧、气溶胶、瑞利散射和水蒸气)强烈依赖于相对光学深度由sensor-target-solar几何(22]。在透光率由于臭氧吸收的情况下,使用以下方程: 在哪里是由于臭氧吸收的透光率,臭氧的量,是相对的空气质量。臭氧总额来自臭氧监测仪器(OMI) /总臭氧测量从地球观测卫星(汤姆斯)数据系统的数据和信息系统,在分布式活跃的戈达德太空飞行中心档案中心。在这项研究中,每日使用臭氧总额是因为SSI的臭氧总量的敏感性较低,尤其是当太阳天顶角是高16,26]。

透光率由于气溶胶衰减的方法开发的Frouin et al。27使用: 在哪里可见性。在这项研究中,我们使用的中分辨率成像光谱仪(MODIS)气溶胶光学深度(AOD)产品输入的可见性的重采样的粗10公里的空间分辨率相应的投影。没有MODIS产品可用时,能见度是保持在一个固定值20公里表明名义在韩国的天气条件。

在水蒸气吸收的情况下,水蒸气的吸收比,,估计使用可沉淀的水,使用COMS MI红外波段,派生。计算吸收率,我们使用方程从方网眼花边和汉森(28和切斯特等。29日]: 在哪里和是水蒸气的吸收比和可沉淀的水,分别。亮度温度的COMS MI 10.2吗μm,亮度温度的COMS MI 12.5吗μm。是空气温度,估计是吗从切斯特et al。29日]。

在这项研究中,对研究区域的实际太阳能资源映射,地形信息被认为是使用全球地形数据。地形的影响研究领域当中的应用COMS-based日晒,使用下列方程(30.- - - - - -32]: 在哪里和分别是边坡的坡角和方位角。直接辐照度(5)应用于考虑斜率和方面的影响。散射辐照度的斜坡,假设各向同性天空辐射、扩散日晒是检索使用(6)。所涉及的物理建模过程主要根据cloudiness-corresponding分离图像像素。在晴空条件的情况下(7),总日晒,包括和,作为最终产品日晒。在多云天气,云的因素应用于总日晒使用(8): 在云衰减的因素是比云使用COMS可见乐队入射太阳辐射和太阳天顶角[22]。可见的COMS乐队用于间接确定目标云的厚度,在云反射率越大表明云低渗透率值。此外,太阳天顶角多云地区用于确定云的影响,因为入射太阳辐射的衰减取决于云通过深度的云16]。确定云因素,参考相配卫星观测之间的数据集(上的大气反射和太阳天顶角)和多云的日射强度计测量第一次分析和云衰减估计多云的反射率和太阳天顶角的函数通过使用一个简单的查表(22]。表4显示了太阳辐射的简化云附近地区COMS MI。

3所示。结果

比较卫星日晒与地面站日射强度计,暂时和空间系统的差异被认为匹配的数据集。从时间的角度差异,基于卫星日晒估计利用瞬时观察图像,而事件辐照度观察到日射强度计测量每2分钟是基于估计每小时的地面测量集成。物理模型,通过调整小时因素建立匹配数据时减少时间差异(33]。基于像素之间的空间差异引起的系统性的不同卫星日晒和半球upward-looking日射强度计测量为基础,代表测试日晒的日射强度计测量通过卫星观测来确定执行空间代表性的地面站。在这项研究中,我们平均大小的卫星日晒使用windows 1×1, 3×3和5×5通过比较清晰的日晒和日射强度计测量值计算和多云的天空条件。比较的结果如图所示3。通过使用平均为每个窗口大小值,我们减轻的影响相邻像素之间可能的浮云在长达一小时的平均时间间隔内(34]。在图3散点图显示,卫星测量的比较日晒与地面测量窗口大小从1×1到5×5清楚(a, c, e)和多云(b, d, f)条件。卫星测量日晒和日射强度计测量之间的关系似乎是线性的,与大多数的数据点靠近参考线,尽管许多数据点显著偏离这条线。在晴空条件的情况下(a, c, e)中所示的图3估计卫星日晒更精确的比为多云天气,因为我们不必考虑云的影响。统计值也更准确的在这种情况下,随着窗口大小的增加;我们获得了均方根误差(RMSE)值为72.49 W / m²平均偏移误差(MBE) 6.64 W / m²和一个值(决定系数)为0.903。因为云的作用是减弱入射太阳辐射、黑点显示区域的低日晒阴天条件下(b, d, f)。统计的RMSE值,,MBE和下降到106.94 W / m²−4.99 W / m²,分别和0.712。一般来说,随着配置窗口大小的增加,RMSE MBE和减少对天空条件。随着窗口大小的增加超出了3×3,卫星日晒稳定值的准确性。因此,在这项研究中,5×5寡妇大小决定被充分代表的地面站。基于日射强度计比较,物理模型的精度评估心肌梗死和COMS图像并显示执行可靠的精度研究区域太阳能资源的映射。在这项研究中,我们没有比较从地形上修正卫星日晒和日射强度计数据准确性评估,因为所有的日射强度计仪器小心地安装在一个水平面,表明他们没有反映出地形的影响。也就是说,大多数测量网站建立了基于世界气象组织(WMO)标准(气象仪器和方法观察WMO-No指南。8),符合要求减少邻近效应。

之前分析的空间特征估计日晒,我们估计结果的敏感性变化值水蒸气,大气能见度和总臭氧输入变量的物理模型。图4显示了卫星日晒的等高线图的函数水蒸气,能见度,臭氧总量。如图4(一)比较水蒸气和可见性时,水蒸气日晒更敏感水平。在底部轮廓图4(一)物理模型是更敏感的水蒸气含量比能见度时可见性大于10公里。臭氧浓度不同水蒸气多,但模型对臭氧变化不太敏感。当比较可见臭氧、可见性的主导因素,模型表明最高灵敏度小于10公里的可见性。我们得出结论,仿真模型是最敏感的水蒸气,但可见性也是一个重要的考虑在厚厚的气溶胶光学深度。

最后,我们制作一个集成每月和每年的太阳辐射从COMS基于每小时2012年日晒数据映射在朝鲜半岛。原始的太阳辐射月地图,没有考虑地形,呈现在图5。如数据所示,时间变化很好地描述,显示较低的值(蓝色)接近冬天和更高的日晒(红色)接近夏天。因为整合MI的COMS图像的物理模型是用来反映大气状况的时空变化,特别是对于云,太阳辐射的详细模式地图得到了很好的体现。例如,太阳光辉映射为朝鲜半岛的南部和东部部分值较低(黄色)2012年6月,尽管现在是夏天,这额外的太阳能辐照度最高。今年7月,太阳光辉地图显示较低价值在北方(绿色)和中部(黄色)地区。较低的地区在6月和7月期间,与5月相比,主要来自季风季节下雨,叫做Jang-Ma大韩民国。根据天气报告(KMAhttp://www.climate.go.kr/),Jang-Ma 2012年6月18日开始,一直持续到2012年7月17日,从南到北。这意味着该地区大气条件,如季节性降雨的运动方面,太阳能资源地图中捕获。此外,空间变化也显示在原始太阳能辐射图。整个地图,因为高山脉地区恶劣天气条件下,意为暗晦,不断低价值领域非常匹配的高海拔的山脉。东北海岸地区,接近最高的山脉从北到南,2月和8月之间已经逆转,太阳辐射模式。异常模式推断焚风的季节性变化,干燥和热下降风发生在山脉的背风面。对面的区域(逆风)山的焚风似乎是多云的,这样可以减少日晒。一般,因为周期性的风吹在2月和8月发生从两端,焚风显示类似的季节性变化。因此,在图5东北,太阳光辉的地图显示了相反的模式2月和8月之间的山脉。

从地形上纠正太阳光辉地图呈现在图6。地形信息的最有效的影响应用太阳能辐射地图的详细的表面几何地形。在最初的太阳能资源映射图5,因为他们的空间分辨率是4公里使用MI的COMS图像显示了粗空间格局,而从地形上纠正太阳能辐射图1公里从全球DEM分辨率捕获的详细地形影响和类似于高分辨率的地图。从地形上的总体时间特征往往不仅纠正了太阳能资源地图显示原始太阳辐射的类似的时间模式地图但也描述研究区域的地形下温和的天气条件。例如,从地形上纠正太阳能资源地图显示一个更好的结果关于焚风的空间特征,显示更详细的反模式在东北山脉的一部分。然而,从地形上纠正太阳光辉映射在夏季表明减少日晒雨季风引发的,这可以作为粗空间分辨率发现类似于原来的地图。换句话说,从地形上的详细的表面几何纠正,太阳辐射是微弱的夏季季风季节。这是因为云扩散入射太阳辐射,这有助于减少总体地形效应的物理模型。

表5比较每月与原地面测量,从地形上纠正COMS MI-based太阳辐射的清晰和多云天气。结果显示表5,每月对晴空太阳辐射条件比为多云天气更准确,类似于以前的散点图的结果。的季节性变化的模型精度,夏天,这是本赛季最高的多云天气,最低精度0.340 MJ / m²7月份RMSE。太阳辐射在阴天条件下的季节性的准确性是相似的,具有高RMSE在夏季。原始的太阳辐射从COMS MI似乎更准确比从地形上纠正太阳辐射,因为大多数的选择载人地面测量网站建立了基于WMO标准。也就是说,日射强度计测量不能反映每个选定的地形影响地面站点。

在这项研究中,我们还生产每年太阳辐射研究区域的地图。见图7最初的,最杰出的区别,从地形上纠正太阳辐射地图是我们预期的空间格局。类似于每月的地图,民主党是一个有效的参数确定日晒的价值。虽然最初的太阳辐射地图没有考虑地形,山的位置有恶劣天气条件可能是包括(图7(一))。因此,我们可以得出结论,从地形上纠正太阳辐射地图不仅反映了区域大气条件的时间变化但还考虑地形影响。根据建议太阳能地图,我们可以确定最有效的区域太阳能资源在朝鲜半岛;西部和东南部地区的某些部分(如图所示,蓝色矩形图7 (b))被认为是最有效的太阳能资源。

4所示。摘要和结论

在这项研究中,太阳辐射在山坡上地图,基于物理模型集成COMS MI图片一样,被另外考虑从全球DEM地形估计在2012年大韩民国。太阳辐射图之前,我们评估结果的准确性与测量来自37个地面站。时间和空间系统卫星传感器之间的差异和日射强度计是仔细考虑和合理的精度显示出明显的和多云的天空条件。在晴空条件的情况下,一个温和的天气条件下,该模型更准确比多云天气的情况下,产生的RMSE 106.94 W / m²和一个MBE−4.99 W / m²3×3窗口大小。MBE RMSE和阴暗的条件下在3×3 windows 72.49 W / m²和6.64 W / m²分别表示更大的减少精度比清晰的条件,但合理的与先前的研究相比27,31日,32]。根据散点图对天空条件,我们得出这样的结论:将一个物理模型与COMS MI映射太阳辐射的图像是一个可靠的方法没有考虑地形。之前分析的空间特征估计日晒,我们分析了大气成分的敏感性和表明,水蒸气的仿真模型是最敏感的。在这项研究中,从1公里全球DEM地形应用到原始太阳辐射地图,实际上由于太阳辐射的数量主要取决于表面几何(29日]。每月和每年的原始和太阳辐射从地形上纠正地图估计为2012。每月的地图、原始和纠正地图捕获颞区域大气条件的变化,如下雨的季风方面的运动。同时,正如我们预期的一样,从地形上太阳辐射纠正地图显示更详细和复杂的朝鲜表面几何形状的影响,表明他们可以更准确地反映实际地形表面。然而,在夏季,高速率的阴沉,从地形上太阳辐射纠正地图没有捕获表面几何在原始地图一样,有两个原因。首先,我们建议物理模型设计没有考虑向下扩散辐射云在表面几何。第二,物理特性复杂的云参数化扩散非常困难。

此外,每月的原始太阳辐射的rms似乎有更好的准确性相比,从地形上纠正值选定的载人地面日射强度计。我们推断水平部署日射强度计,不考虑环境地形不提供良好的参考数据的数据不能反映实际地形的影响太阳辐射接收到斜坡上。最后,时间与空间不同的模式中发现每年太阳辐射地图也存在于每月的地图。我们得出结论,最后太阳辐射图是用于确定领域的最大的太阳能资源,因为它不仅捕获大气变化,也反映了表面几何效应在研究领域。

在未来的工作,更详细的太阳辐射在山坡上地图,我们计划进行进一步分析利用GIS信息基于我们的最后的太阳能资源地图。从卫星图片上获得验证从地形上纠正日晒,我们计划建立日射强度计这将使我们能够确定区域地形变化的影响。我们计划日射强度计安装在山区和山谷,期待在这种地形复杂地形的影响。我们也认识到太阳辐射气候学的重要性和计划研究太阳辐射气候学MI足够COMS数据时是安全的。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是由韩国气象局研究和发展项目在格兰特KMIPA 2015 - 5040。