ATIVIDADES DESENVOLVIDAS DURANTE O INTERCÂMBIO NO INPE, JUNTO A DSA, SOB ORIENTAÇÃO DO PROFESSOR Dr. JUAN CARLOS

CEBALLOS.

Cícero Manoel dos Santos

Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais – DSA / CPTEC / INPE

Instituto de Ciências Atmosféricas – ICAT / UFAL

Maceió, Setembro de 2011

RESUMO: O presente relatório vem mostrar de forma sucinta as atividades de pesquisas desenvolvidas, pelo referente aluno, na Divisão de Satélites e Sistemas Ambientais – DSA, associada ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE, sob tutoria do Professor Dr. Juan Carlos Ceballos, no período de 05 de Agosto a 05 de Setembro de 2011.

Sumário

Conhecimento dos produtos de radiação oferecidos pela DSA; Entendimento do funcionamento do modelo GL1.2; Analise inicial de dados de irradiância solar global do modelo GL1.2; Interpretação e construção de scripts para extração de dados de irradiância

solar global do Modelo GL1.2; Calibração do modelo empírico para estimar a irradiância solar global

diária com base na amplitude térmica diária; Avaliação da água precipitação e a irradiância solar global esperada para

condições de céu claro para locais de Alagoas; Outras atividades desenvolvidas; Conclusão; Referências; Certificados.

Conhecimento dos produtos de radiação oferecidos pela DSA

O primeiro contato junto com o INPE foi o conhecimento dos produtos de satélites desenvolvidos e fornecidos pela instituição, em especial os produtos de radiação solar, produzidos e fornecidos pela DSA, mostrado pelo aluno de

mestrado Anthony Carlos. O INPE disponibiliza uma infinidade de produtos meteorológicos gratuitos e de fácil acesso, basta acessar a seguinte página eletrônica (http://www.cptec.inpe.br/). Os produtos de satélites fornecidos pela DSA são encontrados em (http://satelite.cptec.inpe.br/home/). A DSA desenvolve e fornece, para a sociedade, uma gama de produtos oriundos de imagens de satélite, tendo como referência a radiação solar. Dentro os produtos vistos, podemos citar o índice de ultravioleta (UV), insolação diária e irradiância solar global diária e mensal, todos para a América do Sul. O índice ultravioleta (UV) mede o nível de radiação solar na superfície da Terra. Quanto mais alto, maior o risco de danos à pele e de surgimento de câncer. A insolação representa a quantidade de horas diária que houve a incidência da radiação solar direta em uma superfície, seu conhecimento é de extrema importância para projeções e instalações de sistemas de painéis solares. Radiação solar é a energia radiante emitida pelo Sol, transmitida sob a forma de ondas eletromagnética, o conhecimento da quantidade de energia que incide em uma superfície é de extrema importância em estudos relacionados com a evapotranspiração de culturas, transpiração de florestas, atmosfera física e as utilizações na prática dos recursos de energias renováveis, entre outros.

Entendimento do funcionamento do modelo GL1.2

As imagens de satélites utilizadas pela DSA são fornecidas pelo satélite GOES (Geoestacionário), coletadas a cada 15 minutos de varredura do sensor. Para a estimativa da irradiância solar global diária a partir das imagens do satélite, foi desenvolvido por pesquisadores da DSA um modelo físico denominado de modelo GL1.0, correções foram efetuadas e atualmente a versão 1.2 está em funcionamento. Novas correções estão sendo realizadas para melhorar o desempenho do modelo em algumas áreas que apresentaram falhas. A nova versão passará a ser chamada de modelo GL1.4, entrando em funcionamento quando os erros forem corrigidos. Na estimativa da irradiância solar global o modelo levar em consideração a reflectância da radiação solar no canal visível. Ele é baseado nos parâmetros físicos de água precipitável, conteúdo de ozônio e dióxido de carbono. Quando comparado os valores da irradiância solar global estimado pelo modelo, com valores de irradiância solar global, medidos em estações meteorológicos com piranômetro, foi observado que a o modelo estima a irradiância solar global diária com uma boa precisão, apresentando erros estatísticos pequenos e bons coeficientes de correlação. As equações físicas, funcionamento e desempenho do modelo GL1.2, detalhados, são encontrados em (Ceballos et. al. (2004), Ceballos et. al. (2006), Ceballos et. al. (2010)).

Analise inicial de dados de irradiância solar global do modelo GL1.2

Dados de irradiância solar global do período de Setembro a Dezembro de 2010, extraídos do modelo GL1.2, foram fornecidos pela DSA, para uma analise preliminar da estimava do modelo com dados medidos em estações meteorológicas automáticas distribuídas em diversas regiões do estado de Alagoas. Os dados foram fornecidos para as estações meteorológicas da Eletrobrás instaladas em: Maceió (09°28’29,1”S, 35º49'43,6”W e 127 m de altitude), Coruripe (10°01’29,1”S, 36°16’29,1”W e 108,7 m de altitude), Arapiraca (9°47’54,8”S, 37°36’23,4”W e 239 m de altitude), Santana do Ipanema (9°22’30,7”S, 37°13’53,6”W e 279,4 m de altitude), Pão de Açúcar (9°44’48,1”S, 37°26’15,1”W e 46 m de altitude), Água Branca (9°15’15,0”S, 37°56’15,0”W e 593 m de altitude), São José da Laje (8°58’01,2”S, 36°03’48,0”W e 344,7 m de altitude), Palmeira dos Índios (9°24’19,9”S, 36°39’22,7”W e 328 m de altitude) e Matriz de Camaragibe (9°07’28,7”S, 35°33’01,4”W e 30 m de altitude). Contudo, quando comparadas as coordenadas geográficas dos dados fornecidos de irradiância solar global do modelo GL1.2 com as das estações meteorológicas, verificou-se que a extração dos valores de irradiância solar global para algumas estações, foi efetuada para latitude e longitude diferentes das mencionadas acima. Novas extrações de dados foram efetuadas com os reais pontos de localização, em seguida os valores extraídos foram organizados em planilhas.

Para garantir a qualidade dos dados em analise, levou-se em consideração o critério da filtragem de dados adotada por Ceballos et. al. (2010), onde:

O valor de irradiância média no dia deve estar no intervalo G: [30,400] W.m-2;

A diferença entre modelo GL e medida G no dia deve ser |GL – G|<100 W.m-2;

Aplicados os dois filtros anteriores, o número de pares (GL, G) restantes no mês deve ser não inferior a 15.

Na avaliação do desempenho do modelo GL1.2, utilizaram-se a média geral dos desvios (Dmed), o Desvio padrão da população de desvios (DesvP), o Desvio padrão estimado para a média da população (DesvMP), o coeficiente de correlação ‘r’ (concordância) e o índice de Willmont ‘d’ (indica a precisão da estimativa). Critérios semelhantes foram adotados por Ceballos et. al. (2010).

As Figuras 1, 2 e 3, mostram a relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo GL1.2), para os meses de Setembro, Outubro, Novembro e Dezembro de 2010, nas estações de Palmeira dos Índios, Água Branca e Maceió, respectivamente. É possível perceber nas Figuras 1 e 2, a existência de uma boa linearidade, entre os valores de irradiância solar global estimada pelo Modelo GL1.2 e as medidas das estações de Palmeira dos

Índios e Água Branca. Na figura 3 observe-se uma dispersão bastante acentuada para valores de irradiância maiores que 200 W/m2. Isto pode ter sido ocasionado pela a proximidade da estação ao litoral, onde ocorre com maior frequência a formação de nuvens tipo cirrus. As nuvens tipo cirrus não espalham a radiação incidente com grande teor, contudo, o satélite ao fazer a varredura interpreta-a como tendo considerável profundidade óptica.

Figura 1. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo GL1.2), para os meses de Setembro, Outubro, Novembro e Dezembro de 2010, na estação de Palmeira dos Índios. A linha diagonal contínua representa a reta de 1:1.

Figura 2. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo GL1.2), para os meses de Setembro, Outubro, Novembro e Dezembro de 2010, na estação de Água Branca. A linha diagonal contínua representa a reta de 1:1.

Palmeira dos Índios fica localizada na região do Agreste Alagoana, onde foi encontrada uma correlação de 92%. Em geral o Modelo GL1.2, sempre apresentou a tendência de superestimar os valores de irradiância solar global diária medida na estação de Palmeira dos Índios, para o ultimo quadrimestre de 2010. O

coeficiente de determinação encontrado para a regressão efetuada corresponde a 0.84. Entre as três estações, a região de Água Branca, que fica localizada no Sertão de Alagoas, apresentou o melhor coeficiente de correlação (r = 0.95), com os valores de irradiância sempre tendendo a superestimar os valores medidos. Com os coeficientes de correlação e determinação igual a 0.88 e 0.77, respectivamente, a estação de Maceió, apresentou os valores mais baixos entre os obtidos. Por sua vez, tais valores, são estatisticamente muito bons. Com base no ultimo quadrimestre de 2010, o modelo GL1.2, superestimou os valores de irradiância solar global diária medido para todas as estação da Eletrobrás do estado de Alagoas. Contudo, em termo anual, o modelo sempre tende a subestimar as medidas.

Figura 3. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo GL1.2), para os meses de Setembro, Outubro, Novembro e Dezembro de 2010, na estação de Maceió. A linha diagonal contínua representa a reta de 1:1.

A Tabela 1 mostra os índices estatísticos associados ao ultimo quadrimestre de 2010, obtidos para as estações da Eletrobrás instaladas no estado de Alagoas. A média geral dos desvios (Dmed) variou de 3.38 a 39.57 W/m2, com concentração maior de valores abaixo de 20 W/m2. As estações de Arapiraca e Coruripe apresentaram maiores desvios padrões estimados (DesvP), 41.67 e 35.96 W/m2, respectivamente. Isto foi ocasionado pela extração dos dados, de irradiância solar global diário do modelo, de coordenadas diferentes das estações. O desvio padrão estimado para a média da população (DesvMP) apresentou mínimo de 1.63 W/m2 para a estação de Água Branca e máximo de 3.94 W/m2 para Arapiraca. Observa-se que os máximos encontrados para DesvP e DesvMP, correspondem aos locais em que foram encontrados erros para as coordenadas utilizadas, sendo que os dados corrigidos serão levados em consideração em uma nova analise. O indicativo estatístico “d” de Willmont mostrou que as estimativas pelo modelo apresentam bons resultados, mostrando valores compreendidos no intervalo de (92.00 <= “d” <= 98.00). Para analisar

valores de estimativas com medidos, torna-se necessário o uso de pelo menos duas ferramentas estatísticas distintas.

Tabela 1. Índices estatísticos associados ao ultimo quadrimestre de 2010, obtidos para as estações da Eletrobrás instaladas no estado de Alagoas. Com Dmed, DesvP e DesvMP dado em (W/m2) e d em (%).

Dmed DesvP DesvMP "d" PALMEIRA DOS ÍNDIOS 7.03 22.89 2.17 98.00 ÁGUA BRANCA 23.08 17.60 1.63 96.00 MACEIÓ 3.38 22.28 2.03 96.00 ARAPIRACA 16.54 41.67 3.94 93.00 SANTANA DO IPANEMA 14.58 18.04 1.66 97.00 PÃO DE AÇÚCAR 19.56 24.24 2.21 93.00 CORURIPE 39.57 35.96 3.28 92.00 SÃO JOSÉ DA LAJE 18.80 24.59 2.24 94.00

Interpretação e construção de scripts para extração de dados de irradiância solar global do Modelo GL1.2.

Os dados de irradiância solar global diária gerados pelo Modelo GL1.2, são guardados em DVDs pela DSA no formato binário. Para a extração de valores de irradiância solar global diária, podemos utilizar alguns programas estatísticos existentes ou então desenvolver-los em qualquer linguagem de programação. Como meio alternativo, foi construído um algoritmo para a extração de valores de irradiância solar global diária, para qualquer região da América do Sul, compreendida na área de alcance do sensor do satélite GOES. A estrutura do algoritmo consiste da seguinte forma: Abrir e ler o diretório, abrir e ler os arquivos, extrair os dados e salvar os dados. Na parte de abrir e ler o diretório, o algoritmo lista todos os arquivos existentes no diretório de origem, eliminando os arquivos ocultos e lendo apenas os reais valores de arquivos existentes. Na estrutura abrir e ler os arquivos, o algoritmo identifica os arquivos no formato binário convertendo as estruturas dos mesmos em células, em seguida cria o local de saída e o nome do arquivo. Dentro da estrutura 2 foi criado uma rotina para a retirada da informação desejada ( no caso, valores da irradiância solar global). Na terceira etapa do algoritmo, a rotina criada extrai a informação desejada no local indicado. Bastar entrar com os valores em graus da latitude e longitude do local desejado, a rotina criada buscará no ponto indicado a irradiância solar global no dia desejado. Por fim, o algoritmo extrai a informação solicitada, cria um arquivo e salva no local indicado.

O algoritmo foi adaptado para extrair os dados da irradiância solar global diária, simultaneamente, para as 8 estações meteorológicas da Eletrobrás instaladas em Alagoas, para isso foi criado um arquivo no formato .txt com os valores de latitude e longitude das estações e inserido no modelo numa nova rotina. Como citado anteriormente, o algoritmo criado possui o potencial de extrair os dados de irradiância solar global para qualquer lugar que o sensor do satélite alcance. Com esta adaptação, foram extraídos os valores da irradiância solar global diária para os anos de 2007 a 2010, nas coordenadas (em graus) onde estão instaladas as estações automáticas da Eletrobrás em Alagoas.

Calibração de um modelo empírico para estimar a irradiância solar global diária com base na amplitude térmica diária

Na literatura existem inúmeros modelos empíricos propostos para a estimativa da irradiância solar global horária, diária, mensal ou anual. Tais modelos possuem como parâmetros de entradas variáveis meteorológicas como a duração do brilho solar (Angstrom – 1924; Bahel – 1987), temperatura do ar (Bristow e Campbell – 1984; Hargreaves e Hagreaves – 1985), precipitação (Gariepy – 1980), umidade relativa do ar (Lewis – 1983) e pressão de vapor d’agua do ar (Trabeaa, 2000). Sempre quando avaliados, os modelos empíricos apresentam desempenho satisfatório, com bons índices estatísticos (grandes correlações e pequenos erros de medidas), podendo ser uma ferramenta matemática muito importante para estimar a irradiância solar global em locais que não possuem estação meteorológica com piranômetro instalado. Tendo em vista ser a temperatura do ar a variável meteorológica mais facilmente medida em comparação com a irradiância solar global, a seguir calibraremos um modelo empírico para estimar a irradiância solar global em locais de Alagoas com base na diferença entre a temperatura máxima e mínima do ar.

Podemos considerar o comportamento anual, da irradiância solar global que incide em uma superfície, caracterizado como sendo uma função polinomial do 2º grau. Uma função polinomial do 2º grau é representada em pela forma genérica da seguinte forma:

푦(푥) = 퐴푥 + 퐵푥 + 퐶 (1)

Nesse caso, podemos dizer que y é função de x. Na literatura, existem trabalhos com modelos empíricos baseados em uma função polinomial do 2º grau (Samani – 2000; Bandyopadhyay et. al. – 2008), os modelos foram propostos para estimar a irradiância solar global com base na temperatura do ar. Podemos reescrever a equação 1 em função da amplitude térmica diária do ar, como segue:

= 퐴∆푇 + 퐵∆푇 + 퐶 (2)

Onde Ro é a irradiância solar global no topo da atmosfera. Com A, B e C os coeficientes empíricos do modelo a ser ajustado para cada local. O regime de temperatura adotado (∆푇) é dado pela seguinte relação:

∆푇 = 푇 (푖)− 푇 (푖) (3)

Em que 푇 (푖) e 푇 (푖) são a temperatura do ar máxima e mínimo do dia, respectivamente.

Para avaliar a eficiência do modelo em estimar a irradiância solar global em locais de Alagoas, foram levados em considerações dados de temperatura do ar e irradiância solar global diária, obtidos das estações meteorológicas automáticas localizadas nas regiões de Santana do Ipanema, Palmeira dos Índios e Maceió, no período de 2007 a 2010. Santana do Ipanema, Palmeira dos Índios e Maceió, ficam localizadas na região do Sertão, Agreste e Litorânea, respectivamente. Na calibração dos parâmetros do modelo, levou-se em consideração dados de irradiância solar global diária e temperatura do ar, obtidos no período de 2007 a 2008. Para validar o desempenho do modelo, utilizaram-se dados meteorológicos do período de 2009 a 2010. A irradiância solar extraterrestre (irradiância solar global que chega ao topo da atmosfera – (Ro)) é calculada obedecendo aos critérios definidos por IQBAL (1983).

Para garantir a qualidade dos dados em analise, levou-se em consideração o critério da filtragem de dados adotada por Ceballos et. al. (2010), mencionado anteriormente. Na avaliação do desempenho do modelo, utilizou-se a média geral dos desvios (Dmed), o Desvio padrão da população de desvios (DesvP), o Desvio padrão estimado para a média da população (DesvMP), o coeficiente de correlação ‘r’ (concordância) e o índice de Willmont ‘d’ (indica a precisão da estimativa).

Para calibrar o modelo polinomial, foi elaborado um algoritmo baseado em regressão linear. O algoritmo foi divido em três: o primeiro foi digitado a função (modelo polinomial), o segundo rodar o modelo e os dados, dando como resultado final o chute inicial para os coeficientes empíricos, o terceiro processa os dados com os chutes iniciais dos coeficientes e gera os valores finais para A, B e C.

O modelo foi ajustado para estimar a irradiância solar global em termo mensal, anual, estação seca e chuvosa. Os valores dos coeficientes A, B e C mensais gerados, apresentaram um padrão ao longo do ano. Em geral, os coeficientes A e C mostraram um padrão negativo, enquanto o coeficiente B positivo. No ajuste para a estimativa diária anual, os coeficientes A, B e C, demonstraram o mesmo padrão encontrado mensalmente. Para a região de Maceió, o coeficiente gerado para as estações seca e chuvosa mostraram o mesmo

padrão, valores negativos para A e C, e positivo para B. Na região de Palmeira dos Índios e Santana do Ipanema, o coeficiente C para a estação seca e chuvosa, não mostrou o mesmo padrão identificado para os outros locais, valores positivos de C foram encontrados. A partir dos coeficientes gerados, é possível notar que, valores distintos foram encontrados para A, B e C, nas estações. Desse modo, percebe-se a necessidade de calibração do modelo para cada local em estudo.

A Figura 4 mostra a relação entre a irradiância solar global medida e a estimada pelo modelo, para os meses de Outubro e Novembro de 2008 e o ano de 2010 para a estação de Santana do Ipanema. Observa-se a não existência de uma linearidade para os dados mensais analisados. Apenas para a Figura 4. c) a dispersão foi mais acentuada para os pontos centrais, onde a frequência de céu parcialmente nublado é mais comum. O coeficiente de correlação encontrado variou de 0.55 a 0.89 para os meses de Outubro e Novembro de 2008, respectivamente. Os melhores valores de “d”, também foram encontrados para os mesmos meses, como pode ser observado na Tabela 2. O coeficiente de correlação encontrado para o mês de Novembro foi muito baixo, contudo, para este mês o “d” de Willmont apresentou o melhor resultado. Por sua vez, foi encontrado para o mês de Novembro de 2008 maior DesvP (24.60 W/m2), concordando com a baixa correlação.

Apesar de apresentar DesvP = 30.95 W/m2, a estimativa diária anual do modelo polinomial, mostrou melhores resultados para correlação (85%) e DesvMP (1.64 W/m2), em consideração com a estimava diária mensal. Levando em consideração algumas restrições, o modelo polinomial pode ser aplicado para estimar a irradiância solar global diária anual para Santana do Ipanema com uma boa concordância e correlação.

Tabela 2. Índices estatísticos associados a meses de 2008, 2009 e para os totais de 2010, obtidos para as estações de Santana do Ipanema, Palmeira dos Índios e Maceió. Com Dmed, DesvP e DesvMP dado em (W/m2) e d em (%).

Dmed DesvP DesvMP "d"

SANTANA DO IPANEMA

Novembro de 2008

8.02 24.60 4.42 95.00

Outubro de 2008 5.69 22.57 4.05 92.00 Totais 2010 9.14 30.95 1.64 94.00

PALMEIRA DOS ÍNDIOS

Dezembro de 2008

15.94 36.95 6.75 89.00

Maio de 2009 4.01 27.29 4.90 93.00 Totais 2010 -8.05 34.32 1.85 93.00

MACEIÓ

Novembro de 2008

4.02 25.55 4.66 95.00

Março de 2009 -17.06 24.46 4.39 90.00 Totais 2010 4.16 34.74 1.82 95.00

Figura 4. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo Polinomial), para a) o mês de Novembro de 2008, b) o mês de Outubro de 2008 e c) o ano de 2010, na estação de Santana do Ipanema. A linha diagonal contínua representa a reta de 1:1.

Na Tabela 2, encontram-se os valores dos erros estatístico e “d” de Willmont para dados específicos da estimativa para a estação de Palmeira dos Índios. O mês de Dezembro de 2008 apresentou o maior DesvP (36.95 W/m2) e baixo coeficiente de correlação (0.34). Na Figura 5. a) é possível verificar a dispersão dos dados para este mês, observa-se uma aglomeração de pontos situados no intervalo de 200 a 350 W/m2. Para o mês de Maio de 2009, encontraram-se valores menores para Med (4.01 W/m2), DesvP (27.2 W/m2) e DesvMP (4.90 W/m2), com bons resultados para o coeficiente de correlação e o “d” de Willmont. Contudo, para alguns meses, os valores estatísticos encontrados não foram satisfatórios, mostrando que o modelo não estima uniformemente com uma boa precisão a irradiância solar global diária mensal para a região de Palmeira dos Índios.

Quando calibrando para estimar a irradiância solar global diária anual para a região de Palmeira dos Índios, o modelo polinomial apresentou bom desempenho. Com elevados índices de Dmed (-8.05 W/m2) e DesvP (34.32 W/m2),

e satisfatórios valores de DesvMP (1.85 W/m2), correlação (0.83) e “d” de Willmont (0.93). De maneira geral o modelo polinomial, desempenhou melhores estimativas para a irradiância solar global diária anual que diária mensal, na região de Palmeira dos Índios.

Figura 5. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo Polinomial), para a) o mês de Dezembro de 2008, b) o mês de Maio de 2009 e c) o ano de 2010, na estação de Palmeira dos Índios. A linha diagonal contínua representa a reta de 1:1.

Na estimativa da irradiância solar global diária mensal para Maceió, o modelo polinomial, demonstrou estimar com boa concordância. Por sua vez, melhores resultados foram encontrados para a irradiância solar global diária anual. Na Tabela 2 e na Figura 6, são mostrados o desempenho do modelo para períodos distintos. Para o mês de Novembro de 2008, obteve “d” de Willmont (0.95) com melhor resultado, por sua vez, baixo valor para o coeficiente de correlação foi identificado (0.48). Em termos mensais, a melhor correlação foi encontrada para o mês de Março de 2009. Porém, o maior desvio foi identificado para o mesmo mês, desse modo, podemos perceber que a avaliação do desempenho estatístico de um modelo empírico deve ser levada em consideração com base em pelo menos duas ferramentas estatísticas.

Para obter uma estimava mais acurácia, na estação de Maceió, é conveniente o uso do modelo polinomial para valores de irradiância solar global

diária anual. Apesar da Figura 6. c) mostrar grandes dispersões para irradiância abaixo de 250 W/m2 e pouca linearidade para dados acima de 250 W/m2, os índices estatísticos encontrados (Dmed (4.16 W/m2), DesvP (34.74 W/m2), DesvMP (1.82 W/m2), r (0.81) e d (0.95)) mostram considerável desempenho do modelo em estimar a irradiância solar global.

Figura 6. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo Polinomial), para a) o mês de Novembro de 2008, b) o mês de Março de 2009 e c) o ano de 2010, na estação de Maceió. A linha diagonal contínua representa a reta de 1:1.

A Tabela 3 mostra os índices estatísticos para as estações seca e chuvosa nas regiões de Maceió, Palmeira dos Índios e Santana do Ipanema, para o ano de 2010. Na estação seca, a região de Santana do Ipanema, apresentou menores valores de DesvP (29.80 W/m2) e DesvPM (1.58 W/m2), com boa concordância (d = 92.00). A região de Maceió apresentou pior desempenho, com altos erros estatísticos e baixa concordância. Em geral, a região de Santana do Ipanema, também apresentou as melhores estimativas para a irradiância solar global na estação chuvosa, com (Dmed = 4.26 W/m2, DesvP = 26.80 W/m2, DesvMP = 2.16 W/m2 e d = 90.00 %). Apesar de desempenhar o menor valor para a média geral dos desvios (Dmed = 0.67 W/m2), a região de Maceió, apresentou maiores valores para o DesvP e DesvMP, para a estação chuvosa. O resultado estatístico obtido

para o modelo polinomial na região de Palmeira dos Índios nas estações seca e chuvosa, não foi bastante satisfatório, com elevados valores para os índices estáticos. Os resultados Mostram que existe uma deficiente do modelo polinomial em estimar com boa precisão a irradiância solar global diária para locais de Alagoas. Contudo, correções podem ser feitas no modelo, para tentar melhorar seu desempenho.

Tabela 3. Índices estatísticos associados às estações seca e chuvosa no ano de 2010 para as regiões de Maceió, Palmeira dos Índios e Santana do Ipanema. Com Dmed, DesvP e DesvMP dado em (W/m2) e d em (%).

Dmed DesvP DesvMP d

Estação Seca Maceió 15.23 34.78 1.85 74.00 Palmeira dos Índios 5.96 31.42 1.67 89.00 Santana do Ipanema 9.17 29.80 1.58 92.00

Estação Chuvosa Maceió 0.67 37.83 3.06 87.00 Palmeira dos Índios -5.61 36.16 2.92 86.00 Santana do Ipanema 4.26 26.80 2.17 90.00

Na Figura 7 é mostrada a dispersão da irradiância solar global medida e a estimada pelo modelo polinomial para a estação seca e chuvosa, nas regiões de Maceió, Palmeira dos Índios e Santana do Ipanema. No período seco, observa-se uma grande dispersão para valores menores que 250 W/m2 e uma considerável linearidade para valores maiores 250 W/m2. Contudo, para a seca na região de Maceió, Figura 7.a, nota-se uma grande dispersão para irradiância acima de 250 W/m2. Estas discrepâncias são comprovadas pelos grandes erros encontrados, de acordo com a Tabela 3.

Para a estação chuvosa, também foram encontrados grandes dispersões dos pontos, Figuras 7b, 7d e 7f. A estação de Santana do Ipanema apresentou a menor dispersão dos pontos, sendo comprovado pelos baixos índices estatísticos identificados. Em suma, o modelo polinomial estimou a irradiância solar global para o período seco e chuvoso com baixa precisão, com altos erros estatísticos e boa concordância.

Figura 7. Relação entre a irradiância solar global diária medida (Piranômetro) e estimada (Modelo Polinomial), para a) Estação seca em Maceió, b) Estação chuvosa em Maceió, c) Estação seca em Palmeira dos Índios, d) Estação Chuvosa em Palmeira dos Índios, e) Estação seca em Santana do Ipanema e f) Estação chuvosa em Santana do Ipanema, para o ano de 2010. A linha diagonal contínua representa a reta de 1.

Avaliação da água precipitação e a irradiância solar global esperada para condições de céu claro para locais de Alagoas

A radiação solar, atualmente, é uma das mais importante e promissora forma de obtenção de energia renovável e sustentável do mundo. Seu conhecimento é de extrema importância para simular modelos biofísicos, agrometeorológicos e de fluxo de energia (Santos, C., M. et. al. 2011). A modelagem de sua propagação na atmosfera não é simples, devido à complexidade das interações combinadas com componentes atmosféricos (Ceballos – 2000). Apesar da complexidade existente na modelagem atmosférica, (Ceballos – 2000), desenvolveu um modelo simplificado separando os principais fatores responsáveis pela diminuição da radiação incidente. Os conceitos físicos envolvidos são simples e permitem avaliar o ciclo diário de irradiância esperada em condições de céu claro (Ceballos – 2000). Baseado nas equações matemáticas, com explicações físicas inseridas no modelo, foi desenvolvido um script para estimar valores da irradiância solar global esperada para condições de céu claro. O script desenvolvido pode estimar a irradiância solar global em intervalos de tempo selecionada pelo usuário, para qualquer local. Para isso basta inserir os valores da latitude, longitude, dia Juliano do ano (intervalo) e água precipitável do local em interesse. Água precipitável é a quantidade de água, expressa em altura ou em massa, que poderia ser obtida se todo o vapor de água contido numa coluna de atmosfera de secção de transversal horizontal unitária se condensasse e precipitasse.

Como analise funcional do modelo, estimou-se a irradiância solar global esperada para condições de céu claro (sem nuvens), nas estações de Maceió (Litorânea) e Água Branca (Sertão). Escolhendo para o período chuvoso e seco, em ambas os locais, dias com valores máximos de Kt (índice de claridade). Para a estação de Água Branca foram selecionados os dias 25 de Julho, 01 e 13 de Novembro de 2009, a primeira para o período chuvoso e as duas seguintes para a estação seca, respectivamente. Para Maceió foram escolhidas datas próximas às escolhidas para Água Branca, considerando a possibilidade de atuação de eventos climáticos no mesmo período. 17 e 31 de Julho de 2009 para o período chuvoso e 17 de Novembro de 2009 para a estação seca, foram selecionados para Maceió.

Os valores de irradiância solar global foram gerados em intervalos de minutos, fixando para o nascer do sol 06h00min e 17h00min para o por do sol (Observação: o nascer e o pôr do sol variam ao longo do ano, porém, para o estado de Alagoas as variações são pequenas). Sendo assim, fixamos este intervalo para poder ter um padrão nos dados a analisar. Foi tomada a média a cada 10 minutos da irradiância solar global (estimada para condições de céu claro e medida por

piranômetro), para melhores observações do comportamento temporal. Valores variados de água precipitável foram levados em consideração (w = 2 g/cm2, w = 3 g/cm2, w = 4 g/cm2 e w = 5 g/cm2).

A Figura 8 mostra o ciclo diário da irradiância solar global medida por piranômetro e estimado para condições de céu claro no dia 25 de Julho de 2009 para Água Branca. Nesse dia foram verificados 249.35 W/m2 e 0.70, para a irradiância solar global e Kt, respectivamente. Observa-se para o intervalo de 9 as 13 horas grande dispersão dos pontos, quando a irradiância medida superestima o valor da irradiância esperada para céu claro, o fenômeno de reflexões múltiplas é caracterizado. Para o período perto ao por do sol a irradiâncias estimada acompanha adequadamente a medida (RG). Porém não é possível identificar qual o valor de água precipitável possui boa concordância com a medida.

As Figuras 9 e 10 mostram o ciclo diário da irradiância solar global para a estação chuvosa em Maceió. No dia de Julho de 2009 encontrou-se 248.08 W/m2 para valor diário da irradiância, com Kt correspondente a 0.72. Entretanto, o máximo encontrado foi para 31 de Julho, com 262.34 W/m2 e Kt = 0.73. Reflexões múltiplas são observadas na Figura 9, para o intervalo de 9 às 13 horas, e boa linearidade para o nascer e por do sol. Na Fugira 10 nota-se um período menor com acentuada nebulosidade, no pico máximo o valor de irradiância para condições de céu claro (para w = 4 g/cm2) acompanha coerentemente a medida (RG).

As Figuras 11, 12 e 13 mostram o ciclo diário para a irradiância solar global para o período seco em Maceió e Água Branca. Na Figura 11, para o dia 17 de Novembro de 2009 na estação de Maceió, observa-se boa linearidade entre a irradiância solar medida e a esperada para condições de céu claro, da mesma forma pode ser notado para os dias 1 e 13 de Novembro de 2009 na região de Água Branca. Apesar do valor da irradiância esperada para condição de céu claro obtido com o uso de w = 5 g/cm2 se aproximar dos medidos, recomenda-se o uso de w = 3.5 g/cm para o estado de Alagoas, pois não existem variações gigantescas, pelo fato da pequena extensão territorial do estado.

Figura 8. Ciclo diário da irradiância solar global, medida por piranômetro e estimada para condição de céu claro com diversos valores para água precipitável (w (g/cm2)) no dia 25 de Julho de 2009 (Estação chuvosa), para a estação de Água Branca.

Figura 9. Ciclo diário da irradiância solar global, medida por piranômetro e estimada para condição de céu claro com diversos valores para água precipitável (w (g/cm2)) no dia 17 de Julho de 2009 (Estação chuvosa), para a estação de Maceió.

Figura 80. Ciclo diário da irradiância solar global, medida por piranômetro e estimada para condição de céu claro com diversos valores para água precipitável (w (g/cm2)) no dia 31 de Julho de 2009 (Estação chuvosa), para a estação de Maceió.

Figura 11. Ciclo diário da irradiância solar global, medida por piranômetro e estimada para condição de céu claro com diversos valores para água precipitável (w (g/cm2)) no dia 17 de Novembro de 2009 (Estação seca), para a estação de Maceió.

Figura 92. Ciclo diário da irradiância solar global, medida por piranômetro e estimada para condição de céu claro com diversos valores para água precipitável (w (g/cm2)) no dia 01 de Novembro de 2009 (Estação seca), para a estação de Água Branca.

Figura 13. Ciclo diário da irradiância solar global, medida por piranômetro e estimada para condição de céu claro com diversos valores para água precipitável (w (g/cm2)) no dia 13 de Novembro de 2009 (Estação seca), para a estação de Água Branca.

Outras atividades desenvolvidas

Dados de irradiância solar global diária foram coletados do banco de dados do grupo de Radiação Solar e Terrestre – RST da DSA, oriundos do INMET para locais de Alagoas, Pernambuco e Sergipe. Foram organizados e analisados em planilhas.

Construção/elaboração de planilhas para organizar e analisar dados de irradiância solar global diária estimada pelo modelo GL1.2 e medida pelo piranômetro das estações meteorológicas automáticas localizadas em Alagoas. (*Observação: Os dados de radiação solar global das estações de Alagoas estavam guardados em irradiação (MJ/m2), quando organizados em novas planilhas, foram convertidos para irradiância (W/m2), para possuir a mesma unidade dos dados do modelo GL1.2).

Construção/elaboração de planilhas para avaliar a água precipitação (w) e a irradiância solar global esperada para condições de céu claro (sem nuvens) nos locais de Maceió e Água Branca para meses na estação chuvosa e estação seca, utilizando com diversos valores de w.

Leitura de artigos científicos relacionados com radiação solar e transferência atmosférica.

Realização de cursos, oferecidos pela University Corporation for Atmospheric Research's (UCAR's) Community Programs (UCP), disponível em: https://www.meted.ucar.edu/index.php. Os cursos realizados foram:

Skew – T Mastery (8 horas); Temperature and Relative Humidity Relationships (75 horas); Distributed Hydrologic Models for Flow Forecasts – Part 1 (75 horas); Toward an Advanced Sounder on GOES? (50 horas); Entre outros.

Conclusão Em síntese, as atividades desenvolvidas junto a DSA, sob orientação do Professor Dr. Juan Carlos Ceballos, foram de suma importância para a continuidade de minhas atividades de pesquisas referente à dissertação e qualificação profissional.

Referências ANGSTROM, A. Solar and terrestrial radiation. QJR Meteorol. Soc. 1924;50:121–5; BAHEL, V., BAKHSH, H., SRINIVASAN, R. A correlation for estimation of global solar radiation. Energy 1987;12:131–5; BANDYOPADHYAY, A. et. al. Estimation of monthly solar radiation from measured air temperature extremes. Agricultural and Forest Meteorology 148 (2008) 1707–1718; BRISTOW, K., CAMPBELL, G. On the relationship between incoming solar radiation and daily maximum and minimum temperature. Agri. Forest Meteorol. 1984;31:159–66; CEBALLOS, J., C. Estimativa de radiação solar à superfície com céu claro: Um modelo simplificado. Revista Brasileira de Meteorologia v.15, 113-122, 2000. CEBALLOS, J.C., M.J. BOTTINO, J.M. SOUZA. A simplified physical model for assessing solar radiation over Brazil using GOES 8 visible imagery. J. of Geophysics. Research, v. 109, D02211, doi: 10.1029/2003JD003531, 2004; CEBALLOS, J.C., M.J. BOTTINO. Solar radiation in South America, period 1998-2004: Some aspects of a satellite-based data base. Anais, XIV Congresso Brasileiro de Meteorologia, Florianópolis, SC, 2006; CEBALLOS, J. C., RODRIGUES, M. L., e OLIVEIRA, L. M. Desempenho do modelo GL versão 1.2 época: outubro 2010 – dezembro 2010. Relatório Técnico 01/11-RST-DAS; GARIEPY, J. Estimation of extra-terrestrial solar radiation (Estimation du rayonnement solaire global), Internal Report. Service of Meteorology, Government of Quebec, Canada; 1980; HARGREAVES, GL, et. al. Irrigation water requirement for the Senegal River Basin. J. Irrigat. Drain. Eng. ASCE 1985;111:265–75; IQBAL, M. An introduction to solar radiation. New York: Academic Press. 1983. 390p; LEWIS G. Estimates of irradiance over Zimbabwe. Solar Energy 1983;31:609–12. SAMANI, Z., 2000. Estimating solar radiation and evapotranspiration using minimum climatological data. J. Irrig. Drain. Eng., ASCE 126 (4), 265–267; SANTOS, C., M. et. al. Estimativa da irradiação solar global diária por dia do ano na região de Maceió – AL. Anais, XVII Congresso Brasileiro de Agrometeorologia, Guarapari, ES, 2011; TRADEAA, A., A., SHALTOU, M. Correlation of global solar radiation with meteorological parameters over Egypt. Renew Energy 2000;21(2):297–308.