Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá chất lượng ước tính bức xạ mặt trời của vệ tinh và mô hình bằng so sánh với số liệu thực đo, đồng thời so sánh giữa chúng để xem xét sự vượt trội của từng loại dữ liệu; Trình bày về dữ liệu và phương pháp, kết quả về sự đánh giá sai số và biến động không gian của sai số.
Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” DOI: 10.15625/vap.2019.000241 ĐÁNH GIÁ ƢỚC TÍNH BỨC XẠ MẶT TRỜI TỪ VỆ TINH VÀ MƠ HÌNH TÁI PHÂN TÍCH TẠI VIỆT NAM Pham Thi Thanh Nga1,*, Nguyen Thi Phuong Hao1, Nguyen Tien Cong1 Vietnam National Space Center – VAST; *Email: pttnga@vnsc.org.vn TÓM TẮT Điện mặt trời phát triển nhanh chóng năm gần nhờ khuyến khích Chính phủ lĩnh vực lượng tái tạo Số liệu xác xạ mặt trời đến bề mặt ngày quan trọng việc triển khai thành công nhà máy quang điện mặt trời Tuy nhiên, đo đạc xạ hạn chế số trạm toàn quốc Ảnh vệ tinh cung cấp khả giám sát xạ bề mặt khu vực rộng lớn với độ phân giải không gian thời gian cao giải pháp thay với chi phí thấp Bên cạnh sản phẩm tái phân tích đưa tham số xạ bề mặt độ phân giải thô Trong nghiên cứu này, so sánh sản phẩm xạ AMATERASS ước tính từ vệ tinh Himawari-8 ERA-Interim với quan trắc trạm đo xạ Việt Nam Kết cho thấy tương quan cao ước tính vệ tinh liệu quan trắc (0,910,93), tốt nhiều so với tái phân tích Các số thống kê độ lệch liệu so với quan trắc so với tính tốn phân tích theo khơng gian theo mùa Từ khóa: Bức xạ mặt trời, Himawari-8, ERA-Interim, đánh giá xạ GIỚI THIỆU Ngồi ứng dụng vệ tinh địa tĩnh theo dõi dự báo thời tiết, dẫn suất khác nhiệt độ phản xạ bề mặt, đặc biệt xạ mặt trời sản phẩm quan trọng áp dụng rộng rãi giới từ hệ vệ tinh địa tĩnh qui mơ tồn cầu, khu vực quốc gia Tuy nhiên, ước tính từ vệ tinh giá trị xạ gián tiếp thông qua phương trình thực nghiệm phương trình truyền xạ nên có sai số định Để sử dụng liệu cách hiệu quả, có nghiên cứu để đánh giá sai số liệu Zelenka cộng (1999) đưa nhận định chung giá trị xạ theo có độ xác tương đồng giá trị nội suy từ trạm mặt đất khoảng cách 25 km Đặc biệt, tính tốn xạ từ vệ tinh METEOSAT vòng thập kỷ đánh giá cách tổng thể nghiên cứu Müller cộng (2015) cho thấy giá trị chiếu xạ bề mặt, độ lệch 1.3 W/m2 Một cách tiếp cận khác để đánh giá xạ bề mặt sản phẩm tái phân tích, mơ hình thời tiết sử dụng chế độ tái phân tích để mơ lại trạng thái hệ khí – trái đất toàn cầu kết hợp với quan sát bề mặt liệu vệ tinh Mặc dù độ xác ước tính xạ từ tái phân tích thường thấp so với ước tính từ vệ tinh (Urraca cộng sự, 2017) chúng tương đồng khía cạnh độ bao phủ khơng gian thời gian sẵn có liệu, hồn tồn miễn phí Hai liệu tái phân tích toàn cầu sử dụ ng rộng rãi ERA-Interim ECMWF (Dee cs, 2011) MERRA-2 NASA’s GMAO Gần đây, so sánh toàn diện xạ mặt trời từ ERA-Interim MERRA phép đo bề mặt Châu Âu, Châu Phi Đại Tây Dương thực nghiên cứu Boilley Wald (2015) Kết họ cho thấy xu hướng ước tính cao hai liệu tái phân tích Dữ liệu ước tính từ vệ tinh sản phẩm tái phân tích thay phép đo mặt đất với hiểu biết đắn hạn chế độ xác liệu Do vậy, nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá chất lượng ước tính xạ mặt trời vệ tinh mơ hình so sánh với số liệu thực đo, đồng thời so sánh chúng để xem xét vượt trội loại liệu Phần trình bày liệu phương pháp, kết đánh giá sai số biến động khơng gian sai số trình bày phần 3, cuối kết luận 713 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1 Số liệu 2.1.1 Ước tính xạ mặt trời từ vệ tinh Himawari-8 (AMATERASS) ERA-Interim Bức xạ ngang (GHI) bề mặt ước tinh từ vệ tinh hệ Himawari-8 sử dụng thuật toán EXAM (Nakajima cs, 1995với sản phẩm với tên gọi AMATERASS sửu dụng nghiên cứu cho giai đoạn 12/2017-11/2018 Thuật tốn ước tính dựa mạng thần kinh nhanh, tái tạo xác mơ hình truyền xạ phương pháp phân tích tồn diện cho phương pháp đo quang đám mây (CAPCOM, Nakajima cs, 1995) AMATERASS có độ phân giải x km 30 phút cung cấp JST/CREST (Nhật) trang Web (ftp.amaterass.org) Dữ liệu ERA-Interim phiên thứ ECMWF (Dee cs, 2011) với độ phân giải 0.125 x 0.125 độ kinh vĩ sử dụng nghiên cứu Tham số xạ sóng ngắn bề mặt có bước thời gian 03,06,09,12 từ phiên chạy mơ hình hàng ngày 00z 12z Chúng sử dụng giai đoạn năm tương ứng với liệu vệ tinh liệu đo trạm cho nghiên cứu Dữ liệu ERA đưa lưới vệ tinh tổng xạ ngày tính cách tổng hợp liệu thời điểm phân tích 2.1.2 Dữ liệu trạm đo mặt đất Để đánh giá sử dụng liệu trạm đo xạ bề mặt chất lượng cao lắp đặt tháng 7/2017 Điện lực Ngân hàng giới tài trợ Các trạm đo liên tục thành phần xạ phút, từ tính thành liệu liệu ngày Thơng tin vị trí trạm Hình Hình 1: Vị trí trạm đo xạ phân vùng khí hậu Việt Nam (B1,B2,B3,B4,N1,N2,N3) 2.2 Phƣơng pháp Ước tính AMATERASS ERA-Interin nội suy song tuyến tính tọa độ trạm đo bề mặt Sự sai lệch ước tính so với liệu xác bề mặt đánh giá thông qua số thơng thường, bao gồm: sai số trung bình (MBE), sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số bình phương trung bình (RMSE) hệ số tương quan Các sai số tương đối tính cách chia cho giá trị trung bình quan trắc trạm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá ƣớc tính từ vệ tinh tái phân tích so với quan trắc bề mặt Giản đồ tụ điểm so sánh số liệu quan trắc ngày ước tính từ vệ tinh AMATERASS ERA biểu diễn Hình Nhìn chung, ước tính AMATERASS tái quan trắc tốt hầu hết trạm với hệ số tương quan cao, khoảng 0.91-0.93, tương quan với ERA khoảng 0.67-0.72 AMTERASS có xu hướng ước tính cao so với xạ mặt trời quan sát địa điểm Xu hướng tương tự kết Dimiani cộng (2018) trạm Nhật Bản Bằng cách đề cập đến tác động sol khí xạ mặt trời nhiều nghiên cứu trước đây, tác giả giải thích khơng có hiệu ứng sol khí thuật tốn EXAM cho sản phẩm AMATERASS, điều kiện khơng có mây, mơ hình dẫn đến đánh giá cao xạ mặt trời tải khí dung thực tế địa điểm Tương quan thấp sản phẩm tái phân tích phù hợp với nghiên cứu trước chất lượng vượt trội ước tính vệ tinh (Jia cs, 2013) Hơn nữa, có sai số lớn phép toán nội suy từ lưới ERA so với vệ tinh (Hakuba cs, 2013) 714 Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 Hình 2: Giản đồ tụ điểm GHI quan trắc (ngày) ước tính AMATERASS ERA trạm đo Các so sánh thống kê khác Bảng cho thấy, AMATERASS có xu hướng ước tính cao thực đo tái phân tích đưa xu hướng khác nhau: thấp trạm Song bình Tây nguyên, cao trạm lại Sự trái ngược làm cho khó lý giải hiệu suất ERA-Interim, đặc biệt biến động khơng gian số lượng trạm Do đó, đáng để so sánh trực tiếp ERA-Interim với ước tính dựa vệ tinh với giả thiết ước tính từ vệ tinh xấp xỉ quan trắc mặt đất Bảng 1: So sánh thống kê AMATERASS ERA với số liệu quan trắc trạm Station Ha Noi Da Nang Tay Nguyen Song Binh Tri An AMA ERA AMA ERA AMA ERA AMA ERA AMA ERA R (%) 0.91 0.67 0.92 0.69 0.93 0.68 0.93 0.72 0.91 0.72 RMBE (%) 15.88 12.49 11.72 21.26 10.61 -11.19 13.33 -6.52 10.02 0.16 RMEA (%) 39.57 43.25 21.21 32.28 22.16 24.02 18.72 19.59 19.04 18.64 RRMSE (%) 42.76 55.19 46.35 51.98 30.4 30.58 25.85 25.53 25.38 24.38 3.2 Tƣơng quan ERA-Interim AMATERASS Chúng tơi tính hệ số tương quan liệu qui mô lưới cho mùa khí hậu cho tồn Việt Nam Hình Hệ số tương quan lớn khu vực Trung mùa, hệ số tương quan thấp (dưới 0.5) khu vực Nam (N3) vào tháng 9-10-11 Vào tháng mùa đông, tất vùng hệ số tương quan lớn 0.7 chí lớn 0.8 nhiều vùng Hình 3: Tương quan ERA AMATERASS theo mùa 715 Kỷ yếu Hội nghị: Nghiên cứu “Khoa học Trái đất Môi trường” Sự biến động khơng gian sai số trung bình tương đối theo mùa Hình ước tính ERA-Interim có xu hướng lệch âm so với AMATERASS nước tháng 6-7-8 910-11, độ lệch dương thể vùng phía bắc Việt Nam (B2,B3,B4), cao đến 40% vùng B4 tháng mùa đông (12-1-2) Mùa này, khu vực phía bắc thường chịu ảnh hưởng gió mùa đơng bắc, điều kiện địa hình nên có gia tăng hoạt động mây khu vực bắc Trung (B4), vậy, ước tính thiên cao ERA-Interim mơ thấp bao phủ mây so với quan trắc vệ tinh Hình 4: BME tương đối ERA-Interim AMATERASS theo mùa KẾT LUẬN Từ kết đánh giá sản phẩm xạ AMATERASS ERA-Interim so với trạm đo Việt Nam khoảng thời gian từ tháng 12 năm 2017 đến tháng 11 năm 2018 xác nhận vượt trội ước tính từ vệ tinh so với tái phân tích Việt Nam Ước tính xạ mặt trời AMATERASS hàng ngày có mối tương quan rõ rệt (0,91 đến 0,93) với quan sát bề mặt với độ lệch chủ yếu dương, ERA-Interim tương quan thấp Hiệu suất tốt sản phẩm từ vệ tinh so với tái phân tích cho thấy ảnh hưởng lớn biến đổi mây sai số xạ mặt trời So sánh trực tiếp hai sản phẩm cho thấy tương quan tốt chúng theo mùa, ERA-Interim ước tính thấp hơn, đặc biệt tháng mùa hè thu có hoạt động mạnh mây đối lưu Tóm lại, điều kiện hạn chế mạng lưới trạm đo xạ bề mặt Việt Nam, ước tính xạ từ vệ tinh hồn tồn lựa chọn thay bật hiệu suất cao độ xác độ phân giải không gian thời gian so với sản phẩm tái phân tích Tuy nhiên, sản phẩm tái phân tích lại lợi chuỗi thời gian dài cho nghiên cứu khí hậu Do đó, hiệu chỉnh để sử dụng kết hợp ước tính dựa vệ tinh phân tích lại cần thiết nghiên cứu tương lai Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Đề tài thuộc Chương trình Khoa học Cơng nghệ cấp Quốc gia Công nghệ Vũ trụ (mã số VT-CB.14/18-20) Dữ liệu AMATERASS cung cấp JST/CREST TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Boilley, Alexandre, and Lucien Wald 2015 "Comparison between meteorological reanalyses from ERA-Interim and MERRA and measurements of daily solar irradiation at surface Renewable Energy, 75: 135-143 [2] Damiani, Alessandro, et al 2018 Evaluation of Himawari-8 surface downwelling solar radiation by ground-based measurements Atmospheric Measurement Techniques, 11(4): 2501 2521 716 Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 [3] Dee, Dick P., S M Uppala, et al 2011 The ERA‐ Interim reanalysis: Configuration and performance of the data assimilation system Quarterly Journal of the royal meteorological society, 137 (656): 553-597 [4] Hakuba, Maria Zyta,et al 2013 Spatial representativeness of ground‐ based solar radiation measurements Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118 (15) (2013): 85858597 [5] Jia, Binghao, Zhenghui Xie, et al 2013 Evaluation of satellite and reanalysis products of downward surface solar radiation over East Asia: Spatial and seasonal variations Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 118 (9): 3431-3446 [6] Müller R., Pfeifroth U.,et al., 2015: Digging the METEOSAT treasure-3 decades of solar surface radiation Remote Sensing, 7(6), 8067-8101 [7] Nakajima, Takasm Y., and Teruyuki Nakajma, 1995 Wide-area determination of cloud microphysical properties from NOAA AVHRR measurements for FIRE and ASTEX regions Journal of the Atmospheric Sciences, 52: 4043-4059 [8] Urraca, Ruben, Ana M et al, 2017 "Extensive validation of CM SAF surface radiation products over Europe Remote sensing of environment, 199: 171-186 [9] Zelenka A., Perez R., et al 1999: Effective accuracy of satellite-derived hourly irradiances Theoretical and Applied Climatology, 62; pp 199-207 EVALUATION OF SATELLITE-BASED ESTIMATE AND REANALYSIS MODEL OF SOLAR RADIATION IN VIETNAM Pham Thi Thanh Nga1,* , Nguyen Thi Phuong Hao1 , Nguyen Tien Cong1 Vietnam National Space Center – VAST; *Email: pttnga@vnsc.org.vn ABSTRACT The development of Solar energy system is growing rapidly in Vietnam in recent years by encouragement of the Government in renewable energy Requirement for accurate knowledge of the solar radiation reaching the surface is increasingly important in the successful deployment of Solar photovoltaic plants However, measurements of different components of solar resources including direct normal irradiance (DNI) and global horizontal irradiance (GHI) are limited to few stations over whole country Satellite imagery provides an ability to monitor the surface radiation over large areas at high spatial and temporal resolution as alternatives at low cost Observations from the new Japanese geostationary satellite Himawari-8 produce imagery covering Asia-Pacific region, permitting estimation of GHI and DNI over Vietnam at 10-minute temporal resolution However, accurate comparisons with ground observations are essential to assess their uncertainty In this study, we evaluated the Himawari-8 radiation product AMATERASS provided by JST/CREST TEEDDA using observations recorded at stations in different regions of Vietnam The result shows good agreement between satellite estimation and observed data with high correlation of range 0.91-0.93, much better than reanalysis Statistics of errors between database were estimated and analysed in spatial and seasonal variations Keywords: Solar radiation, Himawari-8, ERA-Interim, radiation evaluation 717 ... “Khoa học Trái đất Môi trường” SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 2.1 Số liệu 2.1.1 Ước tính xạ mặt trời từ vệ tinh Himawari-8 (AMATERASS) ERA-Interim Bức xạ ngang (GHI) bề mặt ước tinh từ vệ tinh hệ Himawari-8... cho giá trị trung bình quan trắc trạm KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đánh giá ƣớc tính từ vệ tinh tái phân tích so với quan trắc bề mặt Giản đồ tụ điểm so sánh số liệu quan trắc ngày ước tính từ vệ tinh. .. trạm đo xạ bề mặt Việt Nam, ước tính xạ từ vệ tinh hồn tồn lựa chọn thay bật hiệu suất cao độ xác độ phân giải không gian thời gian so với sản phẩm tái phân tích Tuy nhiên, sản phẩm tái phân tích