SGx - Moduli per la stima della radiazione globale

Premessa

La radiazione solare, incidente sulla superficie terrestre, è il risultato di complesse interazioni e scambi di energia tra l’atmosfera e la superficie. A scala globale, i gradienti latitudinali di radiazione sono causati dalla geometria della Terra e la sua rotazione e rivoluzione intorno al Sole. A scala regionale e locale, la topografia locale (forma del rilievo) è il fattore principale di variazione della distribuzione della radiazione. La variabilità in quota, pendenza ed esposizione e l’ombreggiamento causato dai rilievi o altri ostacoli naturali, provocano forti gradienti locali.

L’eterogeneità spaziale e temporale, dell’energia solare influisce sulla dinamica di molti processi ambientali, come temperatura e umidità dell’aria e del suolo, scioglimento dei manti nevosi, fotosintesi ed evapotraspirazione, con un impatto diretto sulle attività dell’uomo.

Dati di radiazione solare, accurati e distribuiti sul territorio, sono richiesti da molte applicazioni afferenti a vari campi come: Scienze ambientali, Climatologia, Ecologia, Gestione del territorio, Architettura, Remote Sensing, Impiantistica fotovoltaica, ecc.

In Europa esistono molte stazioni meteorologiche che misurano la radiazione solare e molti studi per derivare database spaziali utilizzando varie tecniche di interpolazione, come funzioni spline, procedure di media pesata o kriging [1,2,3]. In aree ad alta complessità morfologica l’interpolazione della radiazione solare può essere migliorata utilizzando informazioni da immagini satellitarie e tecniche di cokriging [4,5].

Matrici di valori continui di valori di irradianza possono essere derivate direttamente da satelliti meteorologici geostazionari come il METEOSAT. I valori ottenuti sono meno accurati rispetto ai valori misurati a terra, ma hanno il vantaggio di una copertura continua su vasti territori e una risoluzione temporale variabile tra la mezzora e le 12 ore [6,7].

Esistono altre tecniche per generare database spaziali che si basano sull’integrazione di modelli di radiazione solare all’interno di Sistemi Informativi Geografici (GIS). Queste tecniche sono capaci di fornire stime di radiazione rapide, accurate e con buon rapporto qualità-costo su vasti territori, considerando l’inclinazione e l’esposizione della superficie e l’effetto delle ombre.

L’integrazione di modelli di radiazione con GIS e sistemi di elaborazione di immagini migliora la loro abilità di elaborare diverse tipologie di dati ambientali e di cooperare con altri modelli.

Lo sviluppo di modelli di radiazione ha subito un’evoluzione significativa negli ultimi venti anni [8]. Uno dei primi modelli basati su GIS fu SolarFlux sviluppato per ArcInfo [9][10]. Un’iniziativa simile fu fatta per il GIS commericiale Genasys [11]. Un altro approccio per il calcolo delle tre componenti della radiazione fu lo sviluppo di un modello standalone per Windows denominato Solei [12,13] e collegato al GIS IDRISI.

I tre modelli ricordati sopra usano semplici formule empiriche, i valori di alcuni parametri sono aggregati per aree e quindi non adatti per calcoli su vaste aree.

Metodi più avanzati per applicazioni in campo bio-ecologico sono usati in Solar Analyst [14] sviluppato come estensione di ArcView GIS. Nella fase di pre-processing, basata sul DTM, il modello genera una mappa emisferica di visibilità dal basso verso l’alto (sunmap) per ciascun pixel. Il modello è capace di analisi di dettaglio, ma non è sufficientemente flessibile per calcolare parametri come la trasmissività atmosferica e la percentuale di diffusa, poiché permette solo l’inserimento di valori tipici riferiti alla stazione di misura più vicina, per cui non è adatta all’uso su gradi aree.

SRAD [15,16] fu sviluppato per modellizzare un insieme complesso di interazioni tra le onde corte e lunghe di energia solare, la superficie terrestre e l’atmosfera. Sebbene sia basato su una rappresentazione semplificata della fisica teorica che definisce tali interazioni, il modello considera i fattori principali della radiazione solare ed è capace di caratterizzare la variabilità spaziale. La sua utilizzazione su ampie aree è comunque limitata.

Durante la preparazione dell’Atlante Europea della Radiazione Europea [17,18] fu deciso di sviluppare un nuovo modello in ambiente GIS denominato r.sun. Questo è basato su un lavoro di Hofierka [19,20] e preparato per l’ambiente open source GRASS GIS, ed elimina le limitazioni dei precedenti modelli permettendo una sufficiente flessibilità di tuning e l’uso in varie applicazioni.

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