Adaptação do Modelo Meteorológico MM5 para a Região Autónoma da Madeira

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1 Adaptação do Modelo Meteorológico MM5 para a Região Autónoma da Madeira Sócio: AREAM - Agência Regional da Energia e Ambiente da Região Autónoma da Madeira Autor: ULPGC Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Data: Abril de 2011

2 ÍNDICE 1. Introdução Modelos Numéricos de Previsão Meteorológica (NWP) Modelo Mesosescala Versão 5 (MM5) Adaptação do Modelo Meteorológico ao Arquipélago da Madeira TERRAIN REGRID INTERPF MM Cálculo da Produção Energética Resultados Conclusões Projecto 2

3 1. INTRODUÇÃO O presente relatório tem como objectivo descrever o estudo realizado na fase de adaptação dos modelos meteorológicos para a previsão dos recursos eólico e solar na Madeira, como passo prévio à estimativa da produção energética de parques eólicos e centrais solares, respectivamente. O presente trabalho faz parte de um acordo de colaboração assinado entre a ULPGC, a FULP e a AREAM para o desenvolvimento das actividades identificadas por 2, 3 e 4 do objectivo 1 Adaptação de modelos meteorológicos para a previsão eólica e fotovoltaica, no âmbito do projecto ( a madeira, Açores e Canárias, cofinanciado pelo Programa de Cooperação Transnacional MAC A previsão de produção de energia proveniente de fontes renováveis é, normalmente, um processo que envolve duas fases distintas. A primeira etapa consiste na realização de uma previsão meteorológica que permite conhecer com antecedência os valores de magnitude e direcção do vento, para a energia eólica, ou a radiação solar, para a energia solar. A segunda fase consiste em realizar uma transformação da informação meteorológica em produção de energia, utilizando uma função de transferência, que é determinada pelos parâmetros do parque específico (fotovoltaico ou eólico) que se quer prever a produção. Este primeiro relatório, no âmbito do acordo assinado entre a ULPGC, a FULP e a AREAM, abrange apenas a primeira etapa, sendo o tema do segundo relatório, a simulação e validação dos modelos ao comportamento dos parques existentes. Assim, o estudo realizado descreve as adaptações necessárias para obter os resultados das variáveis meteorológicas de interesse com o Modelo Mesoescala V5 (MM5) na Madeira. A adaptação do MM5 a uma zona específica requer uma configuração de parâmetros dos quais o modelo depende, e é isto que determina a qualidade dos resultados obtidos. Dada a proximidade entre as Canárias e a Madeira, uma proximidade que envolve também uma alta similaridade em condições climáticas típicas, a adaptação foi feita utilizando também dados sobre as Ilhas Canárias como referência para o modelo da Madeira, utilizando um modelo de nidificação similar ao das Canárias. Este relatório começa por descrever a arquitectura do modelo MM5, a fim de obter uma visão geral do seu funcionamento. Em seguida, na secção 3, descrevem-se as etapas necessárias para adaptar os modelos ao arquipélago da Madeira, com destaque para as variáveis de configuração do modelo MM5 que devem ser modificadas para obter resultados realistas na região de interesse. Em seguida, a secção 4 levanta várias alternativas para a fase de pós-processamento, a fim de estimar a produção de energia de um parque ou uma central específica. Na secção 5, apresentamse exemplos de resultados para estimar a radiação solar e os campos de vento na ilha da Madeira, especificando também como aceder aos resultados das simulações. Por fim, o relatório reúne as conclusões do trabalho realizado. Projecto 3

4 2. MODELOS NUMÉRICOS DE PREVISÃO METEOROLÓGICA (NWP) Actualmente, existem diferentes implementações de modelos numéricos de previsão meteorológica. De entre todos, existem dois modelos que estão disponíveis para a comunidade científica e que constituem o estado da arte: o Modelo Mesoescala Versão 5 (MM5) e o Weather Research Forecasting (WRF). Destes dois modelos, vai-se utilizar o MM5 para obterem-se os objectivos deste projecto MODELO MESOSESCALA VERSÃO 5 (MM5) O MM5 foi desenvolvido conjuntamente pela Universidade Estadual da Pensilvânia (PSU) e do Centro Nacional de Investigação Atmosférica (UCAR). O MM5 pode ser classificado como um modelo regional de mesoescala, que permite calcular a circulação atmosférica numa determinada região do globo e a certa altura, ambos os limites podem ser especificados pelo usuário na aplicação. O MM5 é composto por um conjunto de programas implementados em FORTRAN e C, que devem ser executados sequencialmente. O primeiro programa desta cadeira de processamento é denominado TERRENO. A sua função é definir a área em que se deseja realizar a simulação (o domínio principal e os vários subdomínios), atribuindo valores para os parâmetros que descrevem o terreno: altitude, tipos de solo, fracção de vegetação, albedo, etc.. Posteriormente, é executado o REGRID, cujo objectivo é obter uma descrição do estado atmosférico no domínio definido anteriormente, atribuindo valores às variáveis meteorológicas que o caracterizam. Esta informação é extraída a partir do servidor FTP do NCEP, que põe à disposição dos utilizadores os resultados do Sistema Global de Previsão (Global Forecasting System - GFS). A saída do REGRID, também conhecida como uma primeira aproximação, serve como entrada do programa INTERPF, cuja função é transformar os dados meteorológicos em coordenadas sigma. Esta transformação é necessária porque o modelo meteorológico MM5 utiliza um sistema de coordenadas vertical denominado coordenadas sigma, onde as isosuperfícies são função da variabilidade do terreno, enquanto os dados meteorológicos vêm expressos em função da pressão atmosférica em dados referenciados no novo sistema de coordenadas. Depois dos dados meteorológicos estarem preparados e os domínios da simulação definidos, o MM5, o programa de previsão numérica do modelo, é executado. O seu objectivo é resolver um conjunto de equações diferenciais parciais que descrevem a evolução do estado atmosférico. No entanto, o modo de resolver este conjunto de equações não é único, pois depende dos modelos físicos utilizados para correr o MM5, o que permite configurá-lo para optimizar os resultados em função das características climáticas da zona de interesse. Por outro lado, também é necessário ajustar os parâmetros de compilação do programa MM5, sobretudo se se pretender executar o programa de forma distribuída, na medida em que isso influencia significativamente o tempo de execução do modelo e os recursos que são necessários para obter resultados. Projecto 4

5 3. ADAPTAÇÃO DO MODELO METEOROLÓGICO AO ARQUIPÉLAGO DA MADEIRA Como já se justificou anteriormente, é necessário um trabalho de adaptação e ajuste do modelo meteorológico MM5 para obter resultados fiáveis sobre uma determinada zona. Seguidamente, descreve-se com mais detalhe a configuração que se utilizou para obter as previsões meteorológicas para o arquipélago da Madeira. Esta adaptação foi concebida para complementar a configuração que o ITC, colaborador neste trabalho, desenvolveu para as Ilhas Canárias, por duas razões: a) Dada a proximidade entre a Madeira e as Canárias, as condições meteorológicas dominantes são muito semelhantes, predominando os mesmos fenómenos meteorológicos. b) Além disso, dada a sua complexa orografia, tanto na Madeira como nas Canárias, existe uma alta variabilidade espacial das variáveis que descrevem o estado atmosférico. Dadas estas características similares, a parametrização necessária é muito similar à utilizada pelo ITC no domínio de Canárias, pelo que se optou por integrar o arquipélago da Madeira no serviço de previsão meteorológica que actualmente o ITC tem em vigor, conseguindo assim uma poupança de tempo de execução na altura de obter resultados e uma poupança de custos de aquisição de equipamentos de hardware necessários para executar os modelos. De qualquer modo, as adaptações específicas realizadas para a Madeira são descritas em seguida TERRAIN O primeiro passo, para configurar o conjunto de programas que compõe o MM5, é definir o domínio sobre o qual se vai executar a simulação. Por questões operacionais, foi escolhido como domínio principal o mostrado na Figura 1, com uma resolução espacial de 27 km entre dois pontos do domínio de dois níveis de nidificação. O primeiro destes é o definido na Figura 2, onde se mostra o mapa de altitudes nesse domínio, que tem uma resolução espacial de 9 km. Por fim, na Figura 3, encontra-se o domínio mais fino, que conta com uma resolução espacial de 3 km e está centrado sobre o arquipélago da Madeira. Projecto 5

6 Figura 1 Nidificação de domínios para a simulação de dados sobre a Madeira. Figura 2 Domínio secundário para a simulação de dados sobre a Madeira. Projecto 6

7 Figura 3 Domínio sobre a Madeira, com 3 km de resolução espacial REGRID Nesta parte do processo, definem-se os parâmetros da simulação que serviram de referência para a inicialização do sistema numérico, ou seja, preparam-se os dados para obter a primeira estimativa a partir da qual o sistema MM5 evolui. Neste sentido, obtêm-se os dados iniciais do Global Forecasting System GFS, um sistema de previsão, propriedade da NOAA, que corre a cada 6 horas e produz estimativas de até 16 dias, mas com uma resolução espacial entre 30 e 70 km, dependendo na zona do globo, e uma resolução temporal de 3 horas para as primeiras 180 horas e depois a cada 12 horas. Os dados do GFS fornecem campos de temperatura, componentes horizontais do vento, humidade relativa, altura dos níveis de pressão, pressão ao nível do mar, temperatura ao nível do mar e cobertura de neve. À saída do REGRID obtém-se valores para estas variáveis meteorológicas nos seguintes níveis de pressão: na superfície, 1000, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150 e 100 mb INTERPF Este programa reconhece a saída do programa anterior e realiza uma interpolação dos dados para os transformar para o sistema de coordenadas sigma, utilizadas pelo MM5. Este sistema de coordenadas tem a vantagem de ser independente da orografia do terreno, fazendo com que as Projecto 7

8 isosuperfícies perto da superfície da Terra variem com esta, ao mesmo tempo que esta variação se vai suavizando para níveis mais elevados, como se mostra na Figura 4. Na configuração do INTERPF foram utilizados 23 níveis sigma para descrever a variação vertical dos fenómenos atmosféricos. Estes 23 níveis seguem uma distribuição não homogénea, ou seja, uma distribuição mais densa nos níveis correspondentes a pressões mais altas (mais próximas do solo), que é onde ocorrem os fenómenos meteorológicos que mais nos interessam. Ao mesmo tempo que realiza esta transformação, o INTERPF prepara os ficheiros de entrada do MM5, definindo as condições iniciais e as condições de fronteira para poder resolver numericamente o sistema de equações diferenciais parciais. Figura 4 Coordenadas sigma dependentes do terreno MM5 A configuração do MM5 para obter uma previsão depende de uma grande quantidade de parâmetros que se podem classificar em três grandes blocos: parâmetros de compilação, parâmetros de computação e parâmetros físicos. Os parâmetros de compilação afectam, principalmente, o tempo de execução do programa mediante uma gestão eficiente dos recursos da máquina onde se está a executar o modelo, que é o Supercomputador Atlante, gerido pelo Instituto Tecnológico das Canárias, que é o oitavo nó a integrar a Rede Espanhola de Supercomputação. Esta máquina é composta por 84 nós JS21 da IBM, alcançando uma capacidade pico de cálculo de 2 Teraflops. Por outro lado, os parâmetros de computação determinam algumas variáveis do esquema numérico utilizado para a resolução do sistema de equações como o uso de condições fronteira dinâmicas, o modo de inicializar o sistema de equações, etc.. Dado que a análise destas opções não faz parte dos objectivos deste projecto, este documento apenas irá focar-se unicamente na Projecto 8

9 análise realizada das opções físicas do modelo, depois da eleição dos parâmetros de compilação e computação mais adequados. Dada a complexidade dos fenómenos atmosféricos e da quantidade de variáveis envolvidas, os modelos meteorológicos utilizam diferentes esquemas (simplificações da realidade) que trabalham juntos para devolver um ao outro para produzir o resultado final, como se demonstra na Figura 5. Figura 5 Interacções entre diferentes esquemas de parametrização. O MM5 oferece a possibilidade de escolher diferentes implementações de cada um desses esquemas, cujo desempenho se ajusta mais à realidade dependendo das características meteorológicas concretas da região que se está a simular, pelo que é necessário realizar um estudo de adaptação dos modelos. Seguidamente, são descritos os diferentes modelos físicos que são possível escolher: ICUPA: Esquemas de parametrização de cumulus (Valores possíveis: 1-None, 2-Anthes-Kuo, 3-Grell, 4-Arakawa-Schubert, 5- Fritsch-Chappell, 6- Kain-Fritsch, 7-Betts-Miller, 8-Kain-Fritsch 2) Estes esquemas implementam a microfísica de formação de cumulus (nuvens), tendo em conta os processos verticais (para cima e para baixo) de movimentos de fluidos até atingir o equilíbrio térmico. IBLTYP: Esquemas da camada limite planetária (Valores possíveis: 0-None, 1-Bulk PBL, 2-High-resolution Blackadar PBL, 3-Burk-Thompson PBL, 4-Eta PBL, 5-MRF PBL, 6-Gayno-Seaman PBL, 7-Pleim-Chang PBL.) Projecto 9

10 Estes esquemas definem o modo como interagem as diferentes camadas da atmosfera em função da sua altura e das suas propriedades termodinâmicas, permitindo um maior ou menor grau de difusão dos fenómenos atmosféricos, para encontrar a camada limite planetária a partir da qual estamos fora da atmosfera. IMPHYS: Esquemas explícitos de humidade (Valores possíveis: 1-Dry, 2-Stable Precip, 3-Warm Rain, 4-Simple Ice, 5-Mixed-Phase, 6-Goddard microphysics, 7-Reisner graupel, 8-Schultz microphysics) Estes esquemas modelam as nuvens precipitáveis e a quantidade de chuva potencial que pode chegar a ocorrer. IFRAD: Esquemas de radiação (Valores possíveis: 0-None, 1-Simple cooling, 2-Cloud radiation scheme, 3-CCM2 radiation scheme, 4-RRTM longwave scheme) Estes esquemas proporcionam métodos diferentes para estimar a radiação e os balanços líquidos de energia trocada, tendo em conta tanto a procedente do sol como a gerada pela própria Terra. ISOIL: Esquema da superfície terrestre (Valores possíveis: None, 0-Force/restore (Blackadar) scheme, 1-Five Layer Soil Model, 2-OSU/Eta Land-Surface Model) Estes esquemas modelam o comportamento da superfície terrestre para poder estimar a temperatura superficial da Terra e a sua influência no balanço energético. SHALLOW CUMULUS: Esquema de nuvens baixas (Valores possíveis: 0-None, 1-Apply) Este esquema permite estimar nuvens baixas não precipitáveis, que o inclui nuvens de raio pequeno, nuvens uniformes, etc. No contexto deste estudo, foi seleccionada a seguinte configuração como a mais adequada para obter as previsões meteorológicas fiáveis no arquipélago da Madeira, utilizando os dados tanto das Canárias como da Madeira para justificar esta configuração. ICUPA=7; IBLTYP=5; IMPHYS=8; IFRAD=2; ISOIL=1; SHALLOW CUMULUS=1. Projecto 10

11 4. CÁLCULO DA PRODUÇÃO ENERGÉTICA Uma vez obtida a previsão meteorológica, é necessário transformar essa informação numa estimativa da energia produzida. O estado da arte descreve duas alternativas para levar a cabo esta tarefa: a) Modelo determinista: Usando um modelo determinista, dado um valor de uma variável meteorológica (radiação ou vento) a essa variável, corresponde uma determinada produção de energia de acordo com os diferentes parâmetros da central fotovoltaica ou do parque eólico. Em condições normais, os modelos deterministas ajustam-se muito bem a esta transformação, numa hipótese que é muito difícil de alcançar em condições reais de operação. Esta hipótese consiste em assumir que o rendimento da central ou do parque é constante ao longo do tempo, pelo que não existem variações da produção energética associadas a perdas como paragens para manutenção dos equipamentos, indisponibilidade dos mesmos, perdas de rendimento devido à vida útil dos equipamentos, etc.. b) Modelo estatístico: Pelo contrário, os modelos estatísticos de produção modelam a central fotovoltaica ou o parque eólico como uma função estatística dos resultados anteriores. Assim, a adaptação às variações estatísticas do rendimento das centrais é possível com relativa rapidez. Pelo contrário, em termos de precisão em condições óptimas, normalmente, oferecem um desempenho inferior, pois o facto de armazenar alguma memória impõe esta restrição. No entanto, em termos gerais, estes modelos estatísticos têm um melhor desempenho médio do que os modelos deterministas. Do ponto de vista prático, como mencionado anteriormente, o desempenho dos modelos estatísticos é mais robusto, pelo que a sua utilização para a previsão da produção energética de origem eólica e fotovoltaica é recomendada. Esta fase de conversão será abordada na segunda etapa dos trabalhos, na medida em que, neste momento, não estão disponíveis os dados de produção energética. Projecto 11

12 5. RESULTADOS O serviço de previsão desenvolvido para o arquipélago da Madeira utiliza os recursos de supercomputação geridos pelo ITC e que se encontram localizados no Parque de Ciência e Tecnologia da ULPGC. Assim, diariamente, gera-se automaticamente uma previsão meteorológica com um horizonte temporal de 120 horas. Após o tempo de computação necessário, o modelo MM5 produz um ficheiro de dados com as variáveis meteorológicas que descrevem o estado atmosférico. Este ficheiro é armazenado no servidor calima, na rede da ULPGC, sob o directório criado para armazenar informações sobre um determinado dia. O protocolo utilizado para a geração de nomes é o seguinte: YYYY-MM-DD_HH_+120_YYYY-MM-DD_HH.MM.SS.RANDOMNUMBER onde YYYY-MM-DD que aparece primeiro é o ano, mês e dia correspondente da simulação, HH é a hora de início dos dados (geralmente 00 horas), +120 é o horizonte de previsão (120 horas de previsão), YYYY-MM-DD_HH.MM.SS.RANDOMNUMBER é a data exacta em que começa o cálculo da previsão. A última data foi introduzida para evitar duplicidade no caso de se efectuar várias simulações para o mesmo dia. Dentro do directório referido acima, encontra-se o ficheiro MMOUT_DOMAIN4, que contém os resultados sobre a Madeira com a resolução mais fina, que é de 3 km. O formato do ficheiro é específico do MM5, pelo que é necessário pós-processar esta informação para extrair os dados de vento e radiação solar que são de interesse para a AREAM. Particularmente, os campos que são necessários extrair são: a) SWDOWN: radiação solar global na superfície horizontal que incide no terreno. b) U10, V10: Componente do vector velocidade do vento a 10 m de altura. c) LATITCRS, LONGITCRS: latitudes e longitudes dos vários pontos do domínio que são necessários para georreferenciar os dados calculados. O resultado desta primeira etapa do projecto é, assim, um ficheiro com 120 horas de previsão com as variáveis meteorológicas mencionadas, que devem ser devidamente pós-processadas para estimar a produção de energia de uma central específica, dependendo da configuração particular dessa central. A Figura 6 apresenta duas imagens de uma previsão de radiação solar onde se detectaram massas nebulosas, do tipo shallow cumulus, sobre a ilha da Madeira. Na imagem da esquerda, norte das ilhas, é possível identificar algumas nuvens altas e semitransparentes que produzem uma ligeira sombra. Projecto 12

13 Figura 6 - Radiação solar global sobre a superfície horizontal em dois instantes de tempo, onde se pode ver a atenuação introduzida pelas nuvens presentes nesses instantes. Os resultados do vento, por outro lado, são mostrados na Figura 7, onde se representam vectores de vento que representam a direcção de propagação do vento e a sua intensidade, representada tanto pelo comprimento do vector como pela cor. Figura 7 Campo de vento na Madeira num instante de tempo da previsão realizada. Projecto 13

14 6. CONCLUSÕES O estudo realizado consiste na adaptação do modelo meteorológico MM5 para o arquipélago da Madeira. Esta adaptação consiste na automação do processo de execução diária de previsões obtendo resultados específicos para esta região. Assim, elaboram-se diariamente previsões meteorológicas para a Madeira com um horizonte temporal de 120 horas. A execução do MM5 foi integrada nas previsões meteorológicas desenvolvidas para as Canárias com o objectivo de aproveitar o custo computacional e as infra-estruturas de cálculo que a ULPGC dispõe que são geridas pelo ITC, que é parceiro do projecto. Além disso, dada a proximidade geográfica de ambos os arquipélagos, as condições meteorológicas são dominadas pelos mesmos fenómenos meteorológicos, pelo que se aproveitou o conhecimento prévio na configuração do modelo para parametrizar de forma adequada o MM5. Os resultados desta adaptação dos modelos estão à disposição da AREAM num servidor gerido pela ULPGC, cujos dados de acesso serão fornecidos em comunicação pessoal com a entidade por motivos de segurança. Finalmente, nos resultados são mostrados alguns exemplos do tipo de resultados que é possível obter com os modelos meteorológicos adaptados para a Madeira. Projecto 14