PREVISÕES DE RADIAÇÃO SOLAR PARA O SETOR DE ENERGIA: PÓS-PROCESSAMENTO ESTATÍSTICO DAS SAÍDAS DO MODELO ETA/CPTEC

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1 PREVISÕES DE RADIAÇÃO SOLAR PARA O SETOR DE EERGIA: PÓS-PROCESSAMETO ESTATÍSTICO DAS SAÍDAS DO MODELO ETA/CPTEC Rcardo A. Guarner, Eno B. Perera, Fernando R. Martns, Chou S. Chan 2. RESUMO: Este trabalho apresenta os resultados de um estudo sobre a melhora da performance da prevsão de radação solar oferecda pelo modelo Eta/CPTEC, vsando melhor atender o setor de energa. A prevsão dretamente determnada pelo modelo é sstematcamente superestmada, acarretando um vés elevado quando comparada a dados de radação solar meddos por estações solarmétrcas de superfíce. esse trabalho é apresentada a avalação de novas prevsões obtdas por modelos de Regressão Lnear Múltpla (RLM), empregando varáves dversas prevstas pelo modelo Eta/CPTEC. a determnação dos coefcentes desses modelos lneares, foram empregadas meddas de radação solar global, efetuadas por duas estações de coleta de dados do projeto SODA: Floranópols (SC) e São Martnho da Serra (RS). A partr de uma seqüênca de testes, fo determnado um modelo smples, baseado em apenas 7 varáves prevstas pelo modelo Eta, e que proporconou ganhos da ordem de 30%, em termos de RMSE. ABSTRACT: Ths artcle presents the results of a study about the statstcal mprovement of the solar radaton forecasts provded by the Eta/CPTEC model lnked to the energy sector. Currently, Eta s forecast for solar rradaton presents a systematc overestmaton, leadng to a hgh bas when compared to ground data. Ths study presents the evaluaton of new forecasts obtaned usng Multple Lnear Regresson (RLM) schemes. These schemes use the forecasts of a set of varables from Eta/CPTEC model as nput. We employed ground data of global solar radaton suppled by two SODA stes Floranópols (SC) and São Martnho da Serra (RS) to ft the RLM coeffcents. After several tests, the best outcome was acheved wth a RLM-model based on just 7 varables provded by Eta forecast output. Ths smple RLM-model led to mprovements of about 30% n terms of RMSE. Palavras-Chave: energa solar, prevsão de radação solar, modelo Eta/CPTEC. ITRODUÇÃO O levantamento e a prevsão da ntensdade da radação solar ncdente à superfíce encontram aplcações na agropecuára, na arqutetura (lumnação e aquecmento natural de ambentes), na pesqusa meteorológca, no setor de energa, dentre outros setores produtvos. A demanda por estudos de ncdênca de energa solar pelo setor de energa tem aumentado recentemente, tanto com a fnaldade de melhor planejar o uso deste recurso de energa, como para melhor gerencar o despacho de carga em lnhas de transmssão pelo Operador aconal do Sstema Elétrco. Vale menconar que a nserção de energas renováves e alternatvas, como a energa solar e eólca, vem sendo motvada por uma sére de razões econômcas e ambentas, podendo-se ctar: os danos ecológcos decorrentes do uso de combustíves fósses (polução atmosférca, emssões de Centro de Prevsão de Tempo e Estudos Clmátcos Insttuto aconal de Pesqusas Espacas (CPTEC/IPE), Avenda dos Astronautas 758, , São José dos Campos (SP), (2)3945-{6738,6786,6778}, rcardog@cptec.npe.br, enobp@cptec.npe.br, fernando@dge.npe.br. 2 CPTEC/IPE, Rodov. Pres. Dutra Km 40, , Cachoera Paulsta (SP), (2) , chou@cptec.npe.br.

2 gases do efeto estufa e conseqüente aquecmento global); a ratfcação do Protocolo de Kyoto; perspectvas de um futuro esgotamento do petróleo; aumento da demanda por energa, especalmente pelos países em desenvolvmento; crses nternaconas que afetam o preço do petróleo; necessdade por complementar as matrzes energétcas, de manera a evtar crses de abastecmento como aquela enfrentada pelo Brasl entre 999 e 200. O modelo Eta/CPTEC gera prevsões da ncdênca de radação solar à superfíce, bem como dversas outras varáves meteorológcas. Contudo, fo constatado que esta prevsão de radação é sstematcamente superestmada [,2]. Com a fnaldade de suprr o setor de energa com melhores prevsões de radação solar, fo realzado um estudo de refnamento estatístco das prevsões do modelo Eta/CPTEC, vsando obter estmatvas de radação solar com erros menores. este trabalho, serão apresentados alguns dos resultados obtdos neste estudo de refnamento de prevsão de radação solar, tendo-se empregado modelos de Regressão Lnear Múltpla (RLM) almentados com varáves prevstas (representando as condções atmosfércas futuras) pelo modelo Eta operaconal do CPTEC. Serão avaladas prevsões pontuas de radação, para duas localdades que contam com estações do projeto SODA, para as quas os modelos RLM foram ajustados. DADOS E METODOLOGIA Devdo aos movmentos da Terra, a radação que atnge um dado ponto no topo da atmosfera (TOA) possu varação sazonal e durna, e pode ser calculada para cada nstante de forma smples. A quantdade desta radação que consegue atravessar a atmosfera e atngr a superfíce do planeta depende anda das condções atmosfércas, especalmente a cobertura de nuvens. Assm, a prevsão da radação solar ncdente demanda nformações antecpadas das condções atmosfércas futuras, que podem ser obtdas, com certo grau de ncerteza, a partr de modelos meteorológcos. O modelo Eta é um modelo meteorológco de prevsão de tempo [3], que opera no CPTEC desde 996, confgurado para modelar a atmosfera numa área cobrndo a Amérca do Sul e os oceanos vznhos, com 40 km de resolução horzontal e 38 níves vertcas (para mas detalhes, ver [4,5]). O modelo gera saídas duas vezes ao da (00UT e 2UT), com prevsões para cada 6 horas a partr da condção ncal. este trabalho, foram empregadas 3 varáves prevstas pelo modelo, nclundo nformações de: temperatura, umdade, pressão, vento, precptação, nuvens, fluxos de energa na superfíce, fluxos de radação de onda curta e onda longa, etc. Para o ajuste dos modelos de pós-processamento (RLMs) e para avalação das prevsões de radação solar, foram empregados dados de radação solar global meddos por pranômetros Kpp&Zonen CM-2 em estações da rede SODA (Sstema de Organzação aconal de Dados Ambentas para o Setor de Energa CPTEC/IPE nstaladas em duas localdades do sul do Brasl (Fgura ): Floranópols (FL) e São Martnho da Serra (SMS).

3 Fgura : Estações SODA no sul do Brasl: FL e SMS. Como as varáves prevstas pelo modelo Eta são dsponblzadas com resolução de 6 horas, e suas prevsões de radação solar de cada horáro de referênca correspondem a ntegras de 6 horas precedentes, os dados de radação meddos foram ntegrados nos mesmos períodos. Após conversões, todos os dados (prevsões do modelo Eta e meddas de radação) passaram a ter valores nos horáros snótcos (0, 6, 2 e 8 UT) e que representam o período de 6 horas precedente. este trabalho, são empregadas apenas as prevsões do modelo Eta geradas às 00UT de cada da para o horáro de referênca de 8UT (equvalente ao período 2UT-8UT) do mesmo da, referdas como P00UT-Rad8UT e tomadas para os pontos de grade mas próxmos às estações de medda de radação. Essas prevsões são empregadas como predtores dos modelos RLM que, em seu ajuste, empregam como predtando as meddas de radação nos mesmos das. Ao conjunto de 3 predtores fornecdos dretamente pelo modelo Eta, foram nserdos 5 outros predtores, dervados de combnações de prevsões do modelo Eta (e.g., umdade relatva) ou de cálculos smples de geometra Sol-Terra (e.g., radação solar ncdente no TOA). Foram empregados neste estudo, dados de janero/200 a outubro/2005 para FL (50 das váldos) e de julho/2004 a outubro/2005 para SMS (472 das váldos). Os predtores e o predtando foram subdvddos em: subconjunto de trenamento (75% dos dados), empregado no ajuste dos modelos RLM; e subconjunto de teste (25% dos dados), empregado na geração de prevsões de radação solar e avalação das mesmas frente às observações. a seção de Resultados, são apresentadas as avalações das prevsões com os subconjuntos de testes, que totalzam dados para 287 das para FL e para 8 das para SMS. As prevsões (P ) de radação solar do modelo Eta e as novas prevsões obtdas pelos modelos RLM, foram avaladas frente às meddas, ou observações (O ), tendo sdo calculados os parâmetros (equações abaxo): erro médo relatvo ou vés (ME%), raz do erro quadrátco médo relatvo (RMSE%) e coefcente de correlação (R). ( P O ) 2 ( P O ) ME % = 00 % RMSE% = 00 % ( O ) ( O ) R = ( P P)( O ( P P) 2 O) 2 ( O O)

4 RESULTADOS A segur, são apresentados, para FL e SMS, dagramas de dspersão (Fguras 2 e 3) e parâmetros de avalação (Tabelas 2 e 3) para: a prevsão por persstênca * ; a prevsão dretamente dsponblzada pelo modelo Eta/CPTEC; a prevsão refnada gerada por RLM, empregando os 36 predtores (RLM-36p.); e a prevsão gerada por RLM utlzando um conjunto reduzdo de 8 predtores ** (RLM-8p.) sendo 7 deles saídas do modelo Eta (mas não nclundo a sua saída para radação solar) e que fo obtdo após testes com váras combnações de predtores. Verfca-se que, embora a prevsão de radação solar fornecda pelo modelo Eta/CPTEC represente um ganho sobre a prevsão por persstênca, esta possu um vés elevado. Os modelos de RLM levam a resultados melhores para ambas as estações (FL e SMS), não apenas removendo o vés, como reduzndo o RMSE% e elevando o coefcente de correlação. Fgura 2: Dagramas de dspersão para prevsões de radação solar P00UT-Rad8UT para FL. * Consste em smplesmente tomar como prevsão para um dado da a medda de radação do da anteror. ** Radação solar no topo da atmosfera, umdade relatva, temperatura, conteúdo de água precptável, velocdade zonal do vento a 0 metros de altura e 3 predtores para fração de cobertura de nuvens.

5 Fgura 3: Dagramas de dspersão para prevsões de radação solar P00UT-Rad8UT para SMS. Tabela 2: Parâmetros de avalação de prevsões de radação solar P00UT-Rad8UT para FL. Modelo R R 2 ME% RMSE% Persstênca 0,469 0,220,6% 45,9% Eta 0,720 0,59 24,6% 40% RLM-36p. 0,798 0,637-0,2% 26,4% RLM-8p. 0,789 0,623-0,2% 27,0% Tabela 3: Parâmetros de avalação de prevsões de radação solar P00UT-Rad8UT para SMS. Modelo R R 2 ME% RMSE% Persstênca 0,437 0,9 3,7% 53,8% Eta 0,775 0,600 28% 43,2% RLM-36p. 0,850 0,723 -,4% 27,4% RLM-8p. 0,848 0,79 -,0% 27,6% Os modelos RLM-36p. e RLM-8p. não apresentaram dferenças expressvas entre s, ndcando que o conjunto de 36 predtores realmente contém varáves desnecessáras ou redundantes para a fnaldade de estmar radação solar ncdente. O fato de o modelo RLM-8p. não

6 empregar como predtor a prevsão de radação solar do modelo Eta, mostrou que é possível obter estmatvas de radação com varáves que expressam a radação solar no topo da atmosfera, as condções atmosfércas e a nebulosdade. Os parâmetros de avalação para os modelos RLM de ambas as estações foram bastante semelhantes aos encontrados para prevsões calculadas com uso de Redes euras Artfcas almentadas com os mesmos predtores, conforme resultados de um estudo mas amplo [5]. COCLUSÕES O emprego de Regressões Lneares Múltplas no pós-processamento das prevsões do modelo Eta/CPTEC, permtu serem obtdas prevsões de radação solar com erros menores e coefcentes de correlação maores do que a prevsão de radação dretamente dsponblzadas pelo Eta. A redução do conjunto de predtores empregados no pós-processamento ndcou que a utlzação de poucas varáves (8 predtores), representatvas das condções atmosfércas futuras, é sufcente para a obtenção de prevsões com qualdade semelhante às prevsões obtdas pelo emprego do conjunto completo de 36 predtores. Os modelos RLM removeram o vés observado na prevsão do modelo Eta e proporconaram um ganho de mas de 30% em termos de redução de RMSE. AGRADECIMETOS Os autores agradecem à FIEP (projeto SODA ) e ao CPq (processos 3248/ e 4844/2006-0) pelo suporte fnancero, e à equpe do Laboratóro de Instrumentação Meteorológca envolvda na nstalação e manutenção das estações SODA e no controle de qualdade dos dados. REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS. Chou, S. C.; Tanajura C. A. S.; Xue, Y.; obre, C. A. Valdaton of the coupled Eta/SsB model over South Amérca. J. Geophys. Res., v.07, n. D20, LBA 56 p.-20, Hnkelman, L. M.; Ackerman, T. P.; Marchand, R. T. An evaluaton of CEP Eta model predctons of surface energy budget and cloud propertes by comparson wth measured ARM data. Journal of Geophyscal Research, v.04, n. D6, p , čkovć, S.; Mhalovć, D.; Rajkovć, B. Scentfc documentaton of the Eta model. Word Meteorologcal Organzaton, n press, Geneva, Swtzerland, Chou, S. C. Modelo Regonal Eta. Clmanálse, Edção comemoratva de 0 anos, 996. Dsponível em: < 5. Guarner, R. A. Emprego de Redes euras Artfcas e Regressão Lnear Múltpla no Refnamento das Prevsões de Radação Solar do Modelo Eta, Master Thess, IPE, São José dos Campos, 2006.