COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES MÉTODOS DE ESTIMATIVA DE INSOLAÇÃO: UMA APLICAÇÃO ÀS ESTAÇÕES DE PETROLINA E NATAL

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1 COMPARAÇÃO ENTRE DIFERENTES MÉTODOS DE ESTIMATIVA DE INSOLAÇÃO: UMA APLICAÇÃO ÀS ESTAÇÕES DE PETROLINA E NATAL Anthony Carlos Slva Porfro 1, Juan Carlos Ceballos 1 Mestrando em Meteorologa (DSA/CPTEC/INPE), Cachoera Paulsta, SP, anthony.carlos@cptec.npe.br. Dvsão de Satéltes e Sstemas Ambentas (DSA/CPTEC/INPE), Cachoera Paulsta, SP. RESUMO: O presente estudo compara quatro dferentes métodos de estmatva da nsolação, baseados no uso de prelômetro, magens de satélte, e regstros helográfcos, no período 7-. Os dados das componentes da radação solar e nsolação foram obtdos de sítos expermentas em Petrolna, Natal e Água Branca (redes solarmétrcas SONDA e INMET). As estmatvas de satélte foram fornecdas pela DSA/CPTEC/INPE. A nsolação avalada por prelômetro segundo crtéro recomendado pela WMO mostra boa acuráca em relação às meddas helográfcas. As estmatvas por satélte mostram bom ajuste lnear com o valor efetvo (baseado em dados prelométrcos efetvos). Os desvos médos assocados são da ordem de ±1%. A estmatva por satélte e a efetva exbem dferença sgnfcatva com os dados helográfcos. Entretanto, esta dferença pode ser corrgda por meo de uma função quadrátca. ABSTRACT: The present study compares a set of four dfferent estmaton methods for sunshne duraton, based on the use of pyrhelometrc and helographc records and of satellte magery, durng 7-. Data of solar radaton components and sunshne duraton for Petrolna, Natal and Água Branca were obtaned from SONDA and INMET networks. The satellte-based estmates for sunshne duraton were provded by DSA/CPTEC/INPE. Sunshne duraton assessed by pyrhelometer (WMO recommendaton) shows good performance when compared wth helographc observatons. Satellte-based estmates show good lnear ft to effectve sunshne (assessed usng effectve pyrhelometrc data). Assocated mean devaton s ± 1%. Sunshne duraton assessed from satellte magery as well as effectve value show sgnfcant dfference wth helographc data, whch nevertheless can be corrected by a quadratc fttng expresson. 1 INTRODUÇÃO O conhecmento acurado da radação solar na superfíce possu dversas mplcações em hdrologa, clmatologa, agrcultura, engenhara, e em mutas outras atvdades humanas. Em comparação com as séres temporas de precptação pluvométrca, temperatura do ar e vento, medções de rradânca solar são relatvamente escassas. Esta fo uma das razões para desenvolver métodos de estmatva de rradânca solar a partr de dados de nsolação (duração do brlho solar ou sunshne duraton), uma vez que estes últmos possuem longas séres temporas ao redor mundo. Por outro lado, a nsolação pode ser utlzada para caracterzar o clma de uma regão, e é uma nformação essencal em dversos setores, por exemplo, no tursmo. Ela é defnda como o tempo em que o dsco solar permanece sem obstrução por nuvens (ou seja, da percepção de tempo com fexe de radação solar dreta). Em geral é medda por um helógrafo (modelo Campbell-Stokes) o qual se

2 basea na observação da quema de uma faxa de papel por concentração dos raos solares. Contudo, a estmatva de nsolação va helógrafo apresenta dversas lmtações. Algumas delas são dscutdas por Panter (191), Ceballos et al. (199), e recentemente por Porfro et al. (11). A evolução da nstrumentação meteorológca eletro-eletrônca automatzada mpulsonou a necessdade de gerar uma defnção físca precsa que permtsse representar as usuas medções helográfcas através desses equpamentos. A Organzação Meteorológca Mundal adotou o prelômetro como nstrumento de referênca para avalar nsolação, propondo 1 W m - de rradânca dreta normal DNI como patamar de quema de helograma (WMO, 195). Os resultados de comparações entre a nsolação obtda por helógrafo (nhelo) e a estmada por prelômetro (npr) são varados: por um lado Chaves e Escobedo () encontraram alta correlação para meddas em Botucatu, SP; por outro lado, em Maceó-AL, Porfro et al. (11) não observaram comportamento lnear entre nhelo e npr (baseando-se em valores médos <DNI> de 5 mn). Assm, evdenca-se a necessdade de uma nvestgação mas detalhada da relação entre ambas. Complementarmente, técncas de estmatva de nsolação va satélte geoestaconáro, como o GOES, permtem sua avalação e montoramento em regões extensas, com boa resolução espacal ( km) e temporal (entre 15 e 3 mn) (CEBALLOS e RODRIGUES, ). Este tpo de estmatva também deve ser valdado por comparação com prelômetro. Este trabalho teve por objetvo analsar a relação exstente entre váras defnções possíves de nsolação. A presente contrbução se concentra no período 7- em Petrolna-PE e Natal-RN. MÉTODOS DE AVALIAÇÃO DE INSOLAÇÃO São analsadas relações entre quatro defnções: 1) Insolação por helógrafo (nhelo): O prncípo de medda do helógrafo é a quema de uma faxa de papel por concentração dos raos solares e a observação do regstro resultante (helograma). ) Insolação por prelômetro (npr): Baseada na defnção da WMO, menconada na ntrodução, gual à soma de sub-períodos para os quas a DNI seja superor a 1 W m -. 3) Insolação efetva (nef): Este método consdera a hpótese de que as nuvens possuam espessura óptca elevada, de forma que a <DNI> num ntervalo de tempo δt é representatva da fração de tempo f com raos solares dretos nesse ntervalo, defnndo assm uma nsolação efetva nef como DNI nef t (1) f t DNI cc

3 ou seja a soma dos ntervalos efetvos com céu claro, sendo DNI cc a DNI esperada em condção de céu claro. O modelo REST elaborado por Gueymard (3) apresenta boa acuráca e fo seleconado para avalar DNI cc. A equação 1 consdera que a passagem de nuvens em t nbe a quema do papel helográfco (CEBALLOS et al., 199; PORFIRIO et al., 11). Esta defnção é ndependente da sensbldade da fta helográfca e será adotada como referênca. ) Insolação por satélte (nsat): O método é descrto por Ceballos e Rodrgues () e Porfro et al. (11). Um pxel no canal VIS do satélte GOES representa a méda entre um valor mínmo Rmn de céu claro e um valor máxmo Rmax de céu nublado (transção entre cobertura por nuvens Cu e por St), ponderada com a cobertura parcal de nuvens C: R1 = CRmax + (1-C)Rmn. A nsolação dára corresponde à ntegração da nformação de uma sequênca de magens, como segue nsat 1 C t () C é a nebulosdade característca do ntervalo de tempo δt entre duas magens sucessvas. A nsolação estmada com base em magens do canal VIS do GOES Imager é dssemnada pela DSA/CPTEC/INPE na págna nternet 3 DADOS As meddas de nsolação dára (em horas) foram fornecdas pelo INMET/3ºDISME, obtdas de regstros de helógrafos em Natal - RN (5 55 S, 35 1 W,,m), Petrolna - PE (9 S, W, 37,m) para o período 7- e Água Branca - AL (9 17 S, 37 5 W, 5,3m) para o ano de. Estmatvas de nsolação por satélte foram fornecdas pela Dvsão de Satéltes e Sstemas Ambentas do INPE (DSA/CPTEC/INPE). A rradânca solar global (Eg) e rradânca solar dfusa (Ed), mensuradas por pranômetros CM11 da Kpp & Zonen, foram obtdas das estações da rede SONDA (ver em Petrolna e Natal (regstros médos a cada mnuto). A DNI é calculada segundo DNI = (Eg Ed)/CosZ, onde Z é o ângulo zental solar. Para estmar DNI cc, foram utlzados: ) dados médos mensas de pressão atmosférca (mensurados nos sítos), ) valores médos de turbdez atmosférca β em Petrolna (=,) e Natal (=,3), determnados por meo de fotômetro da AERONET, e profunddade óptca do aerossol em,55µm va Govann da NASA, respectvamente; adotando um expoente de Angstrom α = 1,3; ) dados dáros de água precptável (modelo Global do CPTEC) e v) dados médos mensas de ozôno obtdo pelo sensor OMI da NASA. RESULTADOS E DISCUSSÃO A Fgura 1 permte comparar os dstntos métodos de avalação de nsolação (nhelo, npr, nef e nsat) nos sítos expermentas de Petrolna-PE e Natal-RN.

4 1 (a) 1 (b) 1 npr 1 nhelo nsat npr (h) Insolação (h) npr =,935 * (nhelo) R =, 1 1 nhelo (h) nsat = 1,1 * (nef) R =,7 1 1 nef (h) 1 (c) 1 (d) 1 npr 1 nhelo nsat npr (h) Insolação (h) npr = 1,7 * (nhelo) R =,9 1 1 nhelo (h) nsat =,99 * (nef) R =, Fgura 1 - Comparação da nsolação dára obtda por dferentes métodos: (a) e (c) prelômetro (npr) versus helógrafo (nhelo) e (b) e (d) helógrafo e satélte (nsat) versus efetvo (nef) para Petrolna e Natal, respectvamente. A lnha azul representa a relação 1:1. nef (h) A nsolação npr se aproxma lnearmente da nsolação por helógrafo nhelo (R =,), sendo modulada apenas pela dspersão dos pontos (Fgura 1a). Notou-se uma subestmatva de,3% de npr em relação à nhelo. A medda nhelo excede npr em Petrolna, mas se ajusta adequadamente em Natal (Fgura 1c), com R =,9 e o coefcente de nclnação vrtualmente untáro (b = 1,7). Percebe-se que a npr apresentou valores razoavelmente superores (nferores) em das com baxo (alto) brlho solar. Resultado smlar fo observado em Botucatu-SP por Chaves e Escobedo (), com superestmatvas em das nublados e subestmatvas em das de céu aberto. Kerr e Tabony () encontraram resultados semelhantes para o Reno Undo. A estmatva nsat apresentou bom ajuste lnear com nef (R =,7 e,73); porém, a dspersão no exo das ordenadas evdenca certa mprecsão na estmatva dára de nsolação (Fgura 1b,d). Ao consderar médas decendas e/ou mensas a dspersão tende a dmnur (CEBALLOS et al., 199; PORFIRIO et al.,

5 11). Para Petrolna, a estmatva nsat (comportamento médo) superestma nef em apenas 1%. Entretanto, para Natal, subestma da ordem de 11%. As maores dferenças foram presencadas em valores de nef superores a h, sugerndo que o método por satélte ndcava a presença (falsa) de nuvens no pxel. Na equação a qualdade da ntegração é afetada por eventuas falhas na recepção de magens e pelos valores assumdos para Rmn e Rmax (a DSA/CPTEC adota,9 e,5, respectvamente). Para testar os parâmetros mas adequados adotou-se Rmn =,5 (baseado no produto MODIS MCD3B3 canal VIS). Encontrou-se uma melhora consderável no ajuste nsat vs nef com R =,75 e b =,99. A medda do helógrafo superestma a nef, prncpalmente no ntervalo < nef < h (Fgura 1b,d). Além dsso, percebe-se que a relação entre ambas pode ser descrta por uma função quadrátca. A fm de transformar as estmatvas va satélte para o equvalente meddo por helógrafo fo realzado um ajuste por mínmos quadrados entre nhelo e nsat. É váldo ressaltar que o últmo sugere ser relatvamente equvalente a nef (referênca). O conjunto de dados em Petrolna e Natal forneceu a aproxmação nhelo,951,1nsat,99nsat (R =,). A aplcação desta expressão para os dados helográfcos da estação de Água Branca é lustrada na Fgura. Evdenca-se que o uso desta expressão representou com acuráca a medda de nsolação por helógrafo. 1 1 nhelo estmada (h) nhelo(estmada) =,9*nhelo(medda) R =,9 N = nhelo medda (h) Fgura Relação entre a nsolação dára medda por helógrafo e estmada (nhelo = -,951+,1nsat-,99nsat ) em Água Branca, para o ano de. A lnha azul representa a relação 1:1. 5 CONCLUSÕES A nsolação por prelômetro npr em Petrolna e Natal (baseada em valores médos de <DNI> em 1 mn) apresenta relação lnear acurada com a medda helográfca nhelo, embora tenha sdo

6 observada uma relatva dspersão (prncpalmente em Petrolna). A estmatva por satélte nsat mostra bom ajuste lnear em relação à nsolação efetva nef, com dferenças médas de ±1%. A nsolação nsat e a nef apresentam uma dferença sstemátca com os dados helográfcos, porque correspondem a concetos físcos dferentes. Entretanto, estas dferenças podem ser corrgdas por meo de uma função quadrátca entre nhelo e nsat. A aplcação desta função (baseada em duas estações, em PE e RN) conseguu representar com propredade os dados helográfcos de uma tercera (Água Branca - AL), com subestmatva de valores médos da ordem de %. Estes resultados ndcam que os métodos baseados em magens de satélte (neste caso o GOES, canal VIS) podem fornecer nformações precsas para estudos de levantamento do potencal energétco para uma regão, bem como para estudos relaconadas à agrometeorologa. AGRADECIMENTOS: À rede SONDA, ao INMET/3 o DISME, à DSA/CPTEC/INPE, à PGMET/CPTEC/INPE, e à CAPES/MEC, que forneceram dados e deram apoo na partcpação no XVII CBMET. Este trabalho é parte do projeto CAPES Pró-Engenharas n o 71/. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS CEBALLOS, J.C.; MOURA, G.B.A.; BEZERRA, V.F.; FARIAS, J.d A.A. Desempenho de helógrafos e actnógrafos na estmatva de nsolação e fluxo dreconal. Revsta Braslera de Meteorologa, v. 7(), p , 199. CEBALLOS, J.C.; RODRIGUES, M.L. Estmatva de nsolação medante satélte geoestaconáro: resultados prelmnares. In: XV Congresso Braslero de Meteorologa, São Paulo,. CHAVES, M. A.; ESCOBEDO, J. F. Correlação entre os valores de nsolação e razão de nsolação meddos com prelômetro e helógrafo. Energa na Agrcultura, Botucatu, SP, v. 15, n.3, p. 7-5,. GUEYMARD, C.A. Drect solar transmttance and rradance predctons wth broadband models. Part I: Detaled theoretcal performance assessment. Solar Energy, v. 7, p , 3. KERR, A.; TABONY, R. Comparson of sunshne recorded by Campbell Stokes and automatc sensors. Weather, v. 59(), p. 9-95,. PAINTER, H.E. The performance of a Campbell-Stokes sunshne recorder compared wth a smultaneous record of normal ncdence rradance. Meteorol. Mag., v. 11, p. 1-19, 191. PORFIRIO, A.C.S.; CEBALLOS, J.C.; SOUZA, J.L.; RODRIGUES, M.L. Uma análse da nsolação dára estmada por helógrafo, prelômetro equvalente e satélte em Maceó, AL. In: XVII Congresso Braslero de Agrometeorologa, Guarapar, 11. WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION (WMO). Dependence on threshold solar rradance of measured sunshne duraton (K. Dehne). Papers Presented at the Thrd WMO Techncal Conference on Instruments and Methods of Observaton (TECIMO III). Instruments and Observng Methods Report No., WMO/TD-No. 5, Geneva, p. 3 71, 195.