On the retrieval of circumsolar radiation from satellite observations and weather model output

Reinhardt, Bernhard (2013): On the retrieval of circumsolar radiation from satellite observations and weather model output. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Concentrating solar technologies compete with other rapidly developing renewable energy sources. To succeed it is vital to lower the levelized cost of energy. There are several parameters that can be optimized to reach this goal, but a key component is the improvement of the resource assessment. A better prediction of the solar resource for new facilities brings down financing costs as financial risks are reduced. Moreover, improved solar resource assessment allows to optimize new facilities in regard to the local insolation conditions. This increases energy and cost efficiency. One parameter that is becoming more and more important for the resource assessment is the circumsolar radiation. It is caused by forward scattering of sun light by cloud or aerosol particles. However, measuring circumsolar radiation is demanding and only very limited data sets are available. As a step to bridge this gap, a method was developed in this study to determine circumsolar radiation from readily available data on clouds and aerosol. Specifically, the effective radius and optical thickness of cirrus clouds were used, as well as area mass loadings of several aerosol components. The core of the method to determine the circumsolar radiation is a fast yet precise parameterization. It allows to compute the circumsolar radiation by simple analytical expressions from previously tabulated coefficients, instead of solving the radiative transfer by time-consuming numerical simulations. The lookup tables were generated by extensive calculations using a specifically adjusted version of the Monte Carlo radiative transfer model MYSTIC. To this end, MYSTIC was enhanced with a realistic radiation source: The point source used so far was replaced by a extended sun disk which features a wavelength dependent brightness distribution. The evaluated aerosol area mass loadings were obtained from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) as model output of the Integrated Forecast System (IFS). To derive the cirrus cloud properties the APICS retrieval framework was applied to Meteosat Second Generation (MSG) measurements. During the course of this study APICS was optimized regarding the retrieval of optically thin cirrus clouds. To this end, a new ground albedo data set was generated on the basis of MSG measurements which serves as a priori assumption in the retrieval. This new data set is, in contrast the so far used one, consistent to the other assumptions made within the retrieval. This is an important pre-requisite for the successful retrieval of optically thin cirrus clouds. Furthermore, APICS was operated with a new cloud mask based on output of the COCS cirrus cloud property retrieval algorithm. It replaces the formerly used cloud mask from the MeCiDa cirrus detection algorithm. Thereby in the order of 70 to 80 percent more optically thin cirrus clouds can be considered, which allow enough light to pass for operation of a typical solar thermal utility. Considering cirrus clouds the prevailing ice particle shape is an uncertainty factor in the cloud property retrieval as well as in the computation of circumsolar radiation. So far it cannot be determined from MSG but must be assumed a priori. To allow for an uncertainty analysis concerning this parameter APICS was extended to consider several new ice particle shapes in the retrieval process. It was found, the nescience of the ice particle shape leads to an uncertainty of up to 50% in the mean circumsolar irradiance. The newly developed method for the retrieval of circumsolar radiation was validated with ground measurements of the circumsolar ratio (CSR) performed at the Plataforma Solar de Almería (PSA). This showed that the statistical distribution of the circumsolar radiation can be well characterized with both of the two employed ``Baum'' ice particle shape parameterizations. When comparing instantaneous values timing and amplitude errors become evident, tough. For the circumsolar ratio (CSR) the validation yielded a mean absolute deviation (MAD) of 0.11 for both ``Baum'' parameterizations, a bias of 4% and -11%, respectively, and a Spearman rank correlation r_rank of 0.54 and 0.48, respectively. If measurements with sub-scale cumulus clouds within the relevant satellite pixels were manually removed, the agreement of instantaneous values improved. This reflects in the MAD values of 0.08 and 0.07, respectively, and r_rank values to 0.79 and 0.76, respectively. Furthermore, it was found that for aerosol the CSR is strongly underestimated if the IFS output is used head on. Only after adjusting the aerosol mass loadings reasonable values can be obtained. An underrepresentation of large dust particles in the IFS seems most likely to be reason for this. In the future the method developed in this study can be extended and combined with other data sources. While ground-based reference measurements so far only allowed the assessment of the circumsolar radiation at few specific measurement sites, the newly developed method makes it possible to survey arbitrary sites.

Abstract

Konzentrierende Solarkraft steht im Wettstreit mit anderen sich dynamisch entwickelnden erneuerbaren Energiequellen. Ein zentraler Erfolgsfaktor ist dabei die Verringerung der Energieerzeugungskosten. Bei der Verfolgung dieses Ziels kommt der verbesserten Bestimmung der Einstrahlung eine wichtige Rolle zu. Finanzierungskosten für Neuanlagen können durch eine genauere Vorhersage der solaren Resource verringert werden, weil diese zu einer Reduzierung der finanziellen Risiken führt. Desweiteren erlaubt eine verbesserte Bestimmung der Einstrahlung zukünftige Anlagen in Bezug auf die lokalen Bedingungen zu optimieren. Dies senkt die Kosten und erhöht die Energieeffizienz. Die Zirkumsolarstrahlung ist ein Parameter, dem bei der Resourcenbestimmung immer mehr Aufmerksamkeit zu Teil wird. Sie wird durch Vorwärtsstreuung des Sonnenlichts an Wolken- und Aerosolpartikeln hervorgerufen. Die Messung von Zirkumsolarstrahlung ist jedoch anspruchsvoll und es existieren nur wenige Messreihen von eingeschränktem Umfang. Um die Lücke zwischen der vermehrten Nachfrage nach Daten zur Zirkumsolarstrahlung und deren eingeschränkter Verfügbarkeit zu füllen, wurde in dieser Arbeit eine Methode zur Bestimmung der Zirkumsolarstrahlung aus verfügbaren Datensätzen von Aerosol- und Wolkeneigenschaften entwickelt. Im Speziellen wurden die optische Dicke und der Effektivradius von Cirrus-Wolken, sowie die Flächenmassenkonzentration verschiedener Aerosolkomponenten ausgewertet. Den Kern der Methode zur Ableitung der Zirkumsolarstrahlung stellt eine schnelle und dennoch genaue Parametrisierung dar. Diese erlaubt es die Zirkumsolarstrahlung mittels einfacher analytischer Ausdrücke aus zuvor tabellierten Koeffizienten zu berechnen, anstatt den Strahlungstransport zeitaufwändig numerisch zu berechnen. Die entsprechenden Tabellen wurden mittels umfangreicher Simulationen mit einer speziell angepassten Version des Monte Carlo Strahlungstransportmodells MYSTIC erstellt. MYSTIC wurde im Rahmen der Studie unter anderem um eine realistische Strahlungsquelle erweitert, indem die bisher verwendete Punktquelle durch eine ausgedehnte Sonnenscheibe mit wellenlängenabhängiger Helligkeitsverteilung ersetzt wurde. Die ausgewerteten Aerosolflächenmassenkonzentrationen wurden als Modellausgabe des Integrated Forecast System (IFS) vom European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) bezogen. Um die Wolkeneigenschaften von Cirren abzuleiten wurde das APICS Retrievalsystem auf Messungen der Meteosat Second Generation (MSG) Satelliten angewandt. Im Zuge der Studie wurde APICS für das Retrieval optisch dünner Cirren optimiert. Dazu wurde ein neuer Datensatz der Bodenalbedo auf Basis von MSG Messungen generiert, der als a priori Annahme in das Retrieval einfließt. Dieser neue Datensatz ist, im Gegensatz zu dem bisher verwendeten, konsistent zu den anderen innerhalb des Retrievals getroffenen Annahmen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung für die Ableitung der Eigenschaften von optisch dünnen Cirren. Desweiteren wurde APICS mit einer neuen Wolkenmaske betrieben, die auf der Ausgabe des COCS-Cirrenretrievals basiert. Sie ersetzt die zuvor genutzte Wolkenmaske des MeCiDa Eiswolkendetektionsalgorithmus. Dadurch können etwa 70 bis 80 Prozent mehr von jenen dünnen Cirren berücksichtigt werden, die noch genug Sonnenlicht zum Betrieb einer typischen solar-thermischen Anlage passieren lassen. In Bezug auf Cirren stellt die Form der Eispartikel einen Unsicherheitsfaktor dar - sowohl bei der Ableitung der Wolkeneigenschaften, als auch bei der Berechnung der Zirkumsolarstrahlung. Bisher gibt es noch keine Möglichkeit die Partikelform von MSG aus zu bestimmen, sondern es muss eine Annahme a priori gemacht werden. Um eine Bestimmung der daraus folgenden Unsicherheit zu ermöglichen wurde APICS erweitert, so dass mehrere neue Eispartikelformen bei der Ableitung der Wolkeneigenschaften verwendet werden können. Damit konnte eine Unsicherheit in der Größenordnung von bis zu 50% in der mittleren Zirkumsolarstrahlung festgestellt werden, die aus der Unbestimmtheit der Eispartikelform folgt. Die entwickelte Methode zur Ableitung der Zirkumsolarstrahlung wurde mit Bodenmessungen des Zirkumsolarverhältnis (engl. circumsolar ratio, CSR) validiert, die an der Plataforma Solar de Almería (PSA) durchgeführt wurden. Dabei zeigte sich, dass die statistische Verteilung der Zirkumsolarstrahlung mit beiden der verwendeten „Baum“ Eispartikelformmischungen gut charakterisiert werden kann. Beim Vergleich instantaner Werte treten jedoch Timing- und Amplitudenfehlern auf. In der Validierung zeigte sich für das CSR eine mittlere absolute Abweichung (engl. mean absolute deviation, MAD) von 0.11 für beide „Baum“ Parametrisierungen, ein Bias von 4% bzw. -11% und eine Spearman Rang-Korrelation r_rank von 0.54 bzw. 0.48. Wenn Messungen mit sub-skaligen Cumulus Wolken innerhalb der entsprechenden Satellitenpixel manuell ausgefiltert wurden, verbesserte sich die Übereinstimmung instantaner Werte. Dies spiegelt sich wider in MAD-Werten von 0.08 bzw. 0.07 und r_rank-Werten von 0.79 bzw. 0.76. Des Weiteren stellte sich heraus, dass das von Aerosol verursachte CSR deutlich unterschätzt wird, wenn die Daten vom IFS unmodifiziert verwendet werden. Erst nach einer Anpassung der Aerosolflächenmassenkonzentration können sinnvolle Ergebnisse erzielt werden. Vermutlich ist eine zu geringe Konzentration von großen Mineralstaubpartikeln im IFS der Grund für die Unterschätzung der CSR. Die entwickelte Methode kann in Zukunft ausgeweitet und mit anderen Datenquellen kombiniert werden. Während bodengebundene Referenzmessungen bisher die Beurteilung der Zirkumsolarstrahlung an nur wenigen Messstationen zulassen, können mit der hier neu entwickelten Methode beliebige Kraftwerksstandorte begutachtet werden.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Circumsolar radiation, Cirrus clouds, Aerosol, Concentrating solar power, Meteosat
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 20. November 2013
• 1. Bericht­erstatter:in: Mayer, Bernhard