Estimación del balance de radiación en superficie mediante datos de satélite

M. Núñez

Description

Resumen
Se desarrolla un método para obtener el balance de radiación en superficie mediante datos digitales de METEOSAT. La irradiancia solar descendiente se ha calculado usando el modelo espectral de Tanre et al. (1990) para parametrizar la transmisión en función de ángulo solar, perfil integrado de vapor de agua, concentración de aerosoles y albedo de la superficie. También se discute un método para obtener el albedo de banda ancha en la superficie a partir de datos digitales de la banda visible de METEOSAT. La relación entre la irradiancia de onda larga neta y la irradiancia de onda corta neta se ha estudiado con el objetivo de obtener todas las componentes de la irradiancia neta. Se presentan resultados para la península Ibérica y Castilla-La Mancha.
Abstract
A method is developed to calculate the radiation balance at the earth's surface with the use of digital data from METEOSAT. A cloudless-sky downwel-ling solar irradiance is calculated by employing the spectral model of Tanre et al. (1990) to parameter-ize the transmission as a function of solar angle, precipitable water vapour, aerosol load and surface albedo. A technique is also described to obtain the broad band surface albedo using visible radiance data from METEOSAT. Relation/ships between net long wave and net solar irradiance have also been studied as means of obtaining all the terms of the radiation balance. Results ate presented for the Iberian Peninsula and for Castilla-La Mancha.

Sujets

• METEOSAT
• Earth's radiation balance
• Digital signal

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• Publié le: 01 janvier 1994
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Extrait

Revista de Teledetección. 1994
Estimación del balance de radiación en
superficie mediante datos de satélite
2 2 1 1M. Núñez , J.A. Valiente , J.C. Fortea , E. López Baeza y J. Moreno .
1Unidad de Investigación de Teledetección, Universitat de Valencia.
2 Dept. of Geography and Environmental Studies, Univ. of Tasmania, Australia,


RESUMEN ABSTRACT
Se desarrolla un método para obtener el balance de A method is developed to calculate the radiation
radiación en superficie mediante datos digitales de balance at the earth's surface with the use of digital
METEOSAT. La irradiancia solar descendiente se data from METEOSAT. A cloudless-sky downwel-
ha calculado usando el modelo espectral de Tanre ling solar irradiance is calculated by employing the
et al. (1990) para parametrizar la transmisión en spectral model of Tanre et al. (1990) to parameter-
función de ángulo solar, perfil integrado de vapor ize the transmission as a function of solar angle,
de agua, concentración de aerosoles y albedo de la precipitable water vapour, aerosol load and surface
superficie. También se discute un método para albedo. A technique is also described to obtain the
obtener el albedo de banda ancha en la superficie a broad band surface albedo using visible radiance
partir de datos digitales de la banda visible de data from METEOSAT. Relation/ships between net
METEOSAT. La relación entre la irradiancia de long wave and net solar irradiance have also been
onda larga neta y la irradiancia de onda corta neta studied as means of obtaining all the terms of the
se ha estudiado con el objetivo de obtener todas las radiation balance. Results ate presented for the
componentes de la irradiancia neta. Se presentan Iberian Peninsula and for Castilla-La Mancha.
resultados para la península Ibérica y Castilla-La
Mancha.

PALABRAS CLAVE: Balance de radiación, datos KEY WORDS: Radiation balance, digital data,
digitales, Meteosat Meteosat




Los datos de satélite son útiles con el fin de es-INTRODUCCION
timar la radiación neta. El canal visible de
El balance de radiación (Q*) es un parámetro METEOSAT, con una resolución de 1,25 km en el
fundamental que controla procesos biológicos e nadir, puede barrer grandes áreas y determinar la
hidrológicos en la superficie terrestre. A gran esca- irradiancia solar reflejada por la atmósfera en la
la, es una fuente de origen de calor latente y sensi- banda de 0.4mm-1.1mm. También se puede hallar
ble dentro de la atmósfera que mantiene los siste- la presencia de nubosidad, y con estos valores
mas meteorológicos. A escala mas local, Q* afec- puede calcularse la irradiancia solar en la superfi-
tará la evaporación diaria y el calentamien- cie (Kd). En días despejados la irradiancia solar
to/enfriamiento de la capa límite atmosférica y al reflejada se puede relacionar con el albedo de la
suelo (Oke, 1987). La energía de la radiación neta superficie.
se conserva mediante la suma del flujo de calor El objetivo del presente estudio es la elaboración
sensible (Qh), de calor latente (Qe), y del flujo de de mapas de las distintas componentes del balance
calor en el suelo (Qg). de radiación en la superficie utilizando datos
HRPT de la banda visible de METEOSAT. Los
−2 (1) Q* =Qh +Qe +Qg (Wm ) valores son calculados para un día despejado de
Junio (12/6/91) correspondiente a la campaña de
investigación EFEDA desarrollada en Castilla-La También se puede Q* definir como:
Mancha en Junio de 1991.
−2Q* =Kd +Ld −Ku −Lu (Wm ) (2)
−2 PROCESO DE DATOS =Kd(1 − αg) +Ld −Lu (Wm )
La imagen digital de METEOSAT fue rectifica-
donde K y L se, refieren respectivamente a la da a escala lineal en longitud y latitud y encua-
о о оirradiancia solar y a la de onda larga, “u” y "d" se drando la región 45.0 N; 10.0 W-5.0 E. Datos
refieren a los flujos ascendentes y descendentes, y adicionales que fueron usados consistieron en
αg se refiere al albedo del suelo. perfiles integrados de vapor de agua. Estos fueron
Nº 3– Noviembre 1994 1 de 4 J M. Núñez, J.A. Valiente, J.C. Fortea, E. López Baeza y J. Moreno
obtenidos con los radiosondeos tornados en Barrax tuvo también un error promediado de 11,2%. Este
о о(39.03 N; 2.17 W) el 11 de Junio de 1991. se calculó como:

Error = RMS (Gmodelo-Gmedido)/Gpromedio ANALISIS

a) Irradiancia solar descendente (Kd). Para hacer el cálculo de Kd para el día 12 de Ju-
Utilizando el modelo espectral de Tanre et al. nio se necesita un valor de visibilidad. Este dato
(1990), Kd puede parametrizarse en condiciones fue conseguido comparando el cálculo de Kd con
de cielos despejados en términos de coeficientes varios valores de visibilidad y medidas de irra-
globales de transmisividad en función de la absor- οdiancia solar tomadas en Tomelloso (39.08 N;
ο ο οción de ozono (To), por vapor de agua (Tw), por 3.0 W) y Rada de Haro (39.5 N; 2.03 W). Los
dispersión Rayleigh (Tr) y por aerosoles (Td). Por valores de visibilidad fueron ajustados hasta que el
tanto, la irradiancia directa en la superficie (1) y la cálculo de irradiancia concordó con las dos medi-
irradiancia difusa debida a los aerosoles (D1) y a la das diarias. Se obtuvieron valores de visibilidad de
dispersión de Rayleigh (D2) pueden escribirse 19 Km. (Tomelloso) y 23 Km. (Rada de Haro). El
como: promedio de estos dos valores, 21 Km., se uso
corno representante para toda España.
I =I T T T T cosZ0 r w o d Bajo las condiciones de cielos despejados, Kd no
D =I T T T (1 −T )f cosZ (3) varia mucho en toda la península Ibérica (Figura 1 0 r w o d
2). Hay una variación lenta con latitud y albedo D =I T T ((1 −T )/2) cosZ2 0 w o r
que se, obtiene con los datos de satélite.
G =(I +D +D )/(1 − ραg)1 2

donde I es la constante solar, Z ese ángulo solar 0
zenital y f es el porcentaje de la radiación directa
que es dispersada por los aerosoles y que incide en
la superficie. La irradiancia global que llega a la
superficie (G) es la suma de estos tres términos
después de considerar múltiples reflexiones entre
la superficie de albedo αg y la atmósfera de albedo
ρ. Todos los términos en las cuatro ecuaciones
anteriores pueden parametrizarse en términos del
ángulo solar zenital, vapor de agua precipitaba,
contenido en ozono, visibilidad (aerosoles de tipo
continental), y albedo en banda ancha. La parame-
trización tiene forma de polinomio de orden alto en
la variable independiente. En todos los casos, la
correlación superó el valor 0,99.
Fig. 2-Albedo (%), 12 junio 1991

b) Albedo.
El albedo de la superficie se obtiene con el si-
guiente análisis. Primeramente la radiancia ascen-
dente en el techo de la atmósfera (Ku´)toa se esti-
ma usando las cuentas digitales (C) que represen-
tan los niveles de gris. El valor de Ku' esta modu-
lado por el filtro espectral del satélite, y por lo
tanto no representa un valor en la banda ancha. La
calibración de Kriebel y Amann (1989) es usada
para la conversión, siendo esta:
Fig. 1.- Irradiancia calculada Vs. lrradiancia medida
-2 -1 ο ο
(MJ m d ) HOBART, TASMANIA 42.8 S 147.2 E −2 (4) (Ku')Toa = π(7.3903 +0.938C) (Wm )

El modelo fue probado con datos independientes
También se hace la suposición de que la superfi-de irradiancia solar tomados en Hobart, Australia
ο ο cie observada es lambertiana. Por ello, la irradian-(42.8 S; 147.5 E). Se tomaron datos de irradiancia
cia se obtiene usando la constante π. El albedo en solar en 54 días despejados con valores de perfiles
el techo de la atmósfera ( α'ea) se obtiene usando: de agua integrados. La Figura 1 presenta la compa-
(5) α'ea =(Ku')toa/(I 'cosZ)0ración entre el cálculo diario, y el medido. Se ob-
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En la ecuación (5), I ' es la constante solar en la derá de la temperatura de la superficie y su emisi-0
banda de METEOSAT. Por lo tanto α´ea represen- vidad. Estas dos componentes de Q*, Ld y Lu, se
ta un albedo en banda estrecha correspondiente a la podrían calcular independientemente, aunque sería
banda de METEOSAT. Para convertir α'ea en un difícil con condiciones nubosas debido a la buena
albedo en banda ancha(0.3 mm - 2.5 mm) se usa absorción de radiación de onda larga.
una parametrización obtenida también mediante el Un enfoque diferente se presenta aquí. La irra-
modelo de Tanre et al. (1990). diancia neta diaria de onda larga (L* = Ld - Lu) se
puede relacionar con la irradiancia solar neta diaria
(6) (K*). La correlación es negativa porque cuando la αea = −0.040924 +1.1741 α'ea
irradiancia solar (Kd) disminuye debido a la nubo-
sidad, la temperatura de la superficie baja y Ld Finalmente el albedo del suelo ( αg) se calcula
aumenta (las nubes emiten