Επιδράσεις ατμοσφαιρικών αιωρημάτων και νεφών στην ηλιακή ακτινοβολία

Abstract

The PhD thesis focuses on the study of changes in solar radiation reaching the ground, and is divided into a purely experimental part that includes the installation and operation of instruments and the quality control of measurements and a part that focuses on the analysis of measurements carried out during the preparation of the dissertation and measurements collected after 1990.Specifically, it includes the installation of a CHP-1 pyrheliometer from Kipp & Zonen at the actinometric station of the Laboratory of Atmospheric Physics (LAP) of the Aristotle University of Thessaloniki, for the measurement of the direct solar radiation using a tracker, for which the necessary computer programs were constructed for the synchronization with the apparent motion of the Sun. Computational tools were developed for the processing, evaluation and combination of data from the CHP-1 pyrheliometer, the CM-21 pyranometer, and satellite measurements of solar radiation outside the atmosphere. Measurements of global solar radiation in Thessaloniki with the CM-21 pyranometer with a duration of more than 30 years were processed and evaluated. Quality control algorithms were applied on both measurements datasets, with the aim of producing time series of reliable measurements of direct and global radiation. Also, algorithms for detecting the presence of clouds from these measurements were developed and implemented. The quality controlled data of global solar radiation that resulted, were analyzed by applying various statistical methods to draw conclusions regarding the long-term changes in global radiation in Thessaloniki, under cloudy and cloudless sky conditions. The conclusions indicate a link of the long-term increasing trend of global radiation that was observed with corresponding changes in atmospheric aerosols that have anthropogenic origin and clouds that are related to climate change. Also, was found a positive dependence of the long-term increasing trends of radiation with the zenith angle of the sun, attributed to an increase in attenuation. The occurrence of total solar radiation enhancement events due to the presence of clouds was studied and compared to cloud-free conditions. The long-term trends in the phenomenon were studied, both in terms of the frequency of the enhancements over time and the increase in the flux density reaching the ground. The above quantities were then studied in terms of their seasonal variation and the duration of the enhancements. Finally, the cases for which the observed enhancement leads to a flux density of solar radiation greater than that at the boundary of the atmosphere were isolated and statistically studied. To study the above, simulation techniques of the propagation of solar radiation in the atmosphere were applied using the libRadtran model. These estimates were used to study the optical thickness of the aerosols and its spectral dependence (Angstrom exponent α) from measurements of Brewer 086 spectrophotometer and a Cimel photometer operated by the Laboratory of Atmospheric Physics of the Aristotle University of Thessaloniki, as well as to estimate their long-term effect on solar radiation.

Η διδακτορική διατριβή εστιάζει στη μελέτη των μεταβολών της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο έδαφος, και διακρίνεται σε ένα καθαρά πειραματικό μέρος που περιλαμβάνει την εγκατάσταση και λειτουργία οργάνων και τον ποιοτικό έλεγχο των μετρήσεων και ένα μέρος που επικεντρώνεται στην ανάλυση των μετρήσεων που διενεργήθηκαν κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διατριβής αλλά και μετρήσεων που συλλέχθηκαν μετά το 1990. Συγκεκριμένα, περιλαμβάνει την εγκατάσταση στον ακτινομετρικό σταθμό του Εργαστηρίου Φυσικής της Ατμόσφαιρας (ΕΦΑ) του ΑΠΘ ενός πυρηλιομέτρου τύπου CHP-1 του οίκου Kipp & Zonen για τη μέτρηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας με τη χρήση ηλιοστάτη, για τον οποίο κατασκευάστηκαν τα απαραίτητα προγράμματα Η/Υ για τον συγχρονισμό του με την φαινόμενη κίνηση του Ήλιου. Γίνεται ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων επεξεργασίας, αξιολόγησης και συνδυασμού των δεδομένων του πυρηλιομέτρου CHP-1, του πυρανομέτρου CM-21, και δορυφορικών μετρήσεων της ηλιακής ακτινοβολίας εκτός ατμόσφαιρας. Επεξεργάζονται και αξιολογούνται οι μετρήσεις της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας στη Θεσσαλονίκη με το πυρανόμετρο CM-21 με διάρκεια τουλάχιστον 30 ετών. Σε αυτές τις μετρήσεις και μαζί με τις μετρήσεις του πυρηλιομέτρου, εφαρμόζονται αλγόριθμοι ποιοτικού ελέγχου με στόχο τη δημιουργία χρονοσειρών αξιόπιστων μετρήσεων της άμεσης και της ολικής ακτινοβολίας. Επίσης, αναπτύσσονται και εφαρμόζονται αλγόριθμοι εντοπισμού της παρουσίας νεφών από αυτές τις μετρήσεις. Τα ποιοτικώς ελεγμένα δεδομένα της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας που προέκυψαν αναλύθηκαν με την εφαρμογή διάφορων στατιστικών μεθόδων για την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τις μακροχρόνιες μεταβολές της ολικής ακτινοβολίας στη Θεσσαλονίκη, υπό συνθήκες νέφωσης και συνθήκες ανέφελου ουρανού. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν συνδέουν την μακροχρόνια αυξητική τάση της ολικής ακτινοβολίας που παρατηρήθηκε με αντίστοιχες μεταβολές των ατμοσφαιρικών αιωρημάτων τα οποία έχουν ανθρωπογενή προέλευση και των νεφών τα οποία σχετίζονται με την μεταβολή του κλίματος. Επίσης, προέκυψε θετική εξάρτηση των μακροχρόνιων αυξητικών τάσεων της ακτινοβολίας από την ζενίθεια γωνία του ήλιου, που αποδίδονται σε αύξηση της εξασθένησης. Στη συνέχεια μελετήθηκε η εμφάνιση γεγονότων ενίσχυσης της ολικής ηλιακής ακτινοβολίας λόγω της παρουσίας νεφών συγκριτικά με συνθήκες χωρίς νέφη. Μελετήθηκαν οι μακροχρόνιες τάσεις μεταβολής του φαινομένου, τόσο ως προς την διαχρονική συχνότητα εμφάνισης των ενισχύσεων, όσο και ως προς την αύξηση της πυκνότητας ροής που φθάνει στο έδαφος. Στη συνέχεια μελετήθηκαν τα παραπάνω μεγέθη και ως προς την εποχική τους διακύμανση αλλά και τη διάρκεια των ενισχύσεων. Τέλος απομονώθηκαν και μελετήθηκαν στατιστικά οι περιπτώσεις για τις οποίες η παρατηρούμενη ενίσχυση οδηγεί σε πυκνότητα ροής της ηλιακής ακτινοβολίας μεγαλύτερη αυτής στο όριο της ατμόσφαιρας. Για την μελέτη των παραπάνω εφαρμόστηκαν τεχνικές προσομοίωσης της διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα με τη χρήση του μοντέλου libRadtran. Αυτές οι εκτιμήσεις χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη του οπτικού πάχους των αιωρημάτων και της φασματική του εξάρτησης (εκθέτης Angstrom α) από μετρήσεις ενός του φασματοφωτομέτρου Brewer 086 και του φωτόμετρου Cimel που λειτουργούν το Εργαστήριο Φυσικής της Ατμόσφαιρας του ΑΠΘ, καθώς για την εκτίμηση της μακροχρόνιας επίδρασής τους στην ηλιακή ακτινοβολία.