Global and direct solar radiation at surface over Iberian Peninsula: variability, trends and forecasting

Abstract

Besides being the key to Earth's climate, global solar radiation at the surface (𝑆𝑊) is one of the most valuable renewable resources. This way, an adequate knowledge of the solar resource is critical as an assessment for a strategic planning of projects related to the production of solar energy. Therefore, the main goals of this thesis is to analyze past changes and variability of solar radiation fluxes in Portugal and Iberia Peninsula (IP) using observational available measurements, ERA−40 and NCEP/NCAR reanalysis datasets and, predict and characterize the solar radiation at the surface over Iberian Peninsula based on numerical weather prediction models. In a first part, this study is dedicated to the analysis of temporal and spatial variability of 𝑆𝑊 based on ground-based stations, as well as in ERA−40 and NCEP/NCAR reanalysis. Parametric and non-parametric tests are applied to detect trends in both reanalysis and ground-based observations. Cloud cover obtained from reanalysis is also used to examine the possible causes of the observed long-term changes in 𝑆𝑊. In a second stage, is presented an assessment of the 𝑆𝑊  W𝑅𝐹 model at high resolution ( 5 𝑘𝑚 ) against observations and with another 𝑊𝑅𝐹 configuration. After a bias removal process, a 𝑆𝑊 and cloud cover climatology was obtained for IP (1950−2010 period). Finally, the performance of IFS/ECMWF is evaluated to predict Direct Normal Irradiance (DNI) over Évora city at very short (1 hour) and short term (1 to 3 days), for one year period. It is also described a new methodology to compute DNI attenuation using in situ observational data in order to estimate the transparency of the atmosphere in the absence of cloud cover datasets. To improve IFS/ECMWF outputs is also tested a bias correction methodology; Resumo: A Radiação Solar Global e Direta à Superfície na Península Ibérica: Variabilidade, Tendências e Previsão A radiação solar é um dos recursos energéticos renováveis mais valiosos. Na Península Ibérica (PI) estão em instalação muitos sistemas comerciais e de investigação para o aproveitamento da energia solar. Neste contexto, o conhecimento do fluxo de radiação solar que incide na superfície terrestre e da sua evolução torna-se de extrema importância. Pretende-se com este trabalho estudar a distribuição espacial, a variabilidade e as tendências da radiação solar de pequeno comprimento de onda (𝑆𝑊) à superfície, na PI e em Portugal, a partir de dados observacionais e das reanálises ERA−40/NCEP assim como, prever e caracterizar a radiação com base em modelos de previsão numérica do tempo. Na primeira parte deste estudo, efetua-se uma análise da variabilidade temporal e espacial da radiação 𝑆𝑊 recorrendo a estações terrestres, bem como a dados de reanálise ERA−40 e NCEP/NCAR. Para o efeito utilizam-se testes paramétricos e não paramétricos a fim de detetar tendências nas séries em estudo. A cobertura de nuvens obtida a partir das reanálises é também usada para avaliar as possíveis causas da variabilidade da radiação 𝑆𝑊 observada. Numa segunda etapa do estudo, obteve-se uma climatologia a 5 𝑘𝑚 de resolução da radiação solar à superfície com base em simulações com o modelo regional 𝑊𝑅𝐹 − 𝐴𝑅𝑊, para a PI, e para o período 1950−2010. Os resultados das simulações foram validados recorrendo a estações de observação e a uma outra simulação 𝑊𝑅𝐹, com outra configuração, previamente validada. Na construção da climatologia 𝑆𝑊 e de nuvens foi aplicado um método de pós-processamento para remoção do viés. Finalmente, avalia-se o desempenho do modelo IFS, do ECMWF na previsão da radiação DNI a curto e médio prazo, sobre a região. Propõe-se uma nova metodologia para estimar a transparência da atmosfera e testa-se uma metodologia de correção de viés.