“BIOCLIMATOLOGY AND NATURAL HAZARDS” Priestorová a …cbks.cz/SbornikPolana07/pdf/Hofierka_Cebecauer.pdf · 2008-04-24 · Střelcová, K., Škvarenina, J. & Blaženec, M. (eds.):

Priestorová a časová distribúcia slnečného žiarenia na georeliéfe Slovenska

J. HOFIERKA (1) and T. CEBECAUER (2)

(1) Katedra geografie a regionálneho rozvoja, Fakulta humanitných a prírodných vied Prešovskej univerzity v Prešove, Prešov, Slovenská republika (e-mail: [email protected])

(2) Geografický ústav Slovenskej akadémie vied, Bratislava, Slovenská republika (e-mail: [email protected])

Abstract Solar radiation exhibits strong spatial and temporal variations influenced by many factors. For example, basic patterns of seasonal and daily variations given by astronomic factors are strongly modified by changing atmospheric conditions (clouds, aerosols, water vapour, and ozone) that influence absorption, scattering, and alter the solar radiation spectrum. While spatially and temporally averaged solar radiation data offer a basic information about available solar radiation over large areas, estimates at regional and local scales may significantly deviate from the general trends. To account for spatial and temporal variations of solar radiation in different geographical conditions, solar radiation models were integrated with GIS. In this paper, we present the open-source solar radiation model r.sun implemented in GRASS GIS and its application to assessments of spatial and temporal distribution of solar radiation on georelief of Slovakia. The results show that this distribution is strongly influenced by topography represented by a digital terrain model. The results point out the importance of the local terrain properties represented by slope and aspect of the surface facet as well as surrounding terrain forms casting shadows. The topographic factors increase the spatial and seasonal variability of incident solar radiation. The attenuation effects of cast shadows are discussed along with selected examples.

J. Hofierka and T. Cebecauer

Střelcová, K., Škvarenina, J. & Blaženec, M. (eds.): “BIOCLIMATOLOGY AND NATURAL HAZARDS” International Scientific Conference, Poľana nad Detvou, Slovakia, September 17 - 20, 2007, ISBN 978-80-228-17-60-8

Key words: solar radiation, GIS, digital terrain model, Slovakia

Úvod

Slnečné žiarenie má pre bioklimatické podmienky lokality alebo regiónu obrovský význam. Kvantifikácia množstva slnečného žiarenia v ľubovoľnom bode krajinnej sféry je preto veľmi potrebná najmä pri modelovaní prírodných procesov alebo pri plánovaní konkrétnych ľudských aktivít. Príkladom môže byť plánovanie a hodnotenie možností pestovania na slnko náročnej poľnohospodárskej plodiny alebo energetickej bilancie obytných budov.

Slnečné žiarenie, ktoré dopadá na georeliéf je výsledkom zložitej interakcie medzi atmosférou a povrchom Zeme. Jeho množstvo závisí od mnohých faktorov. Okrem geografickej šírky, deklinácie, oblačnosti a ďalších optických vlastností atmosféry je hlavným priestorovým distribučným faktorom georeliéf a to najmä prostredníctvom výšok, sklonu, orientácie voči svetovým stranám a jeho tvarov v okolí, ktoré môžu zatieniť resp. zamedziť dopad priamej zložky žiarenia ako aj ovplyvniť množstvo odrazeného žiarenia.

Meranie globálneho slnečného žiarenia Slovenským hydrometeorologickým ústavom v Bratislave v niekoľkých vybraných lokalitách na Slovensku podáva len veľmi približný obraz o priestorovom rozložení množstva dostupného žiarenia na jeho území. Vzhľadom na značnú vertikálnu členitosť územia sú tieto priame merania nedostatočné na vyjadrenie priestorovej a časovej variability slnečného žiarenia dopadajúceho na povrch georeliéfu. Z tohto dôvodu je potrebné okrem dostupných meraní využiť

aj existujúce poznatky a modely na vytvorenie priestorovo distribuovanej databázy slnečného žiarenia.

Problematikou slnečného žiarenia a faktormi ovplyvňujúcimi jeho priestorovú a časovú variabilitu sa na Slovensku zaoberalo viacero autorov a pomocou rôznych metód (napr. Kitler a Mikler (1986), Hrvoľ (1996), Hrvoľ a Horecká (2000), Krcho (1990), Jenčo (1992), Hofierka (1997)). Autori Hrvoľ a Tomlain (1992, 1997), Tomlain a Hrvoľ (2002) publikovali mapy globálneho slnečného žiarenia pre horizontálnu a naklonené plochy na základe mesačných priemerov oblačnosti a dĺžky slnečného svitu za roky 1951-1980 a 1961-1990. Mapy globálneho slnečného žiarenia boli vytvorené ručnou interpoláciou. Šúri (2002) vytvoril digitálnu databázu globálneho žiarenia s rozlíšením rastra 500 m pomocou modelu r.sun, digitálneho modelu reliéfu (DMR), meteorologických údajov ESRA (Scharmer a Greif, 2000) a údajov publikovaných Hrvoľom a Tomlainom (1992). Táto databáza bola ďalej analyzovaná pre možné fotovoltické aplikácie v urbánnych oblastiach Slovenska (Šúri et al., 2002).

Modely slnečného žiarenia využívajú poznatky o šírení a modifikácii slnečného žiarenia v prostredí atmosféry a jeho interakcii so Zemským povrchom, pričom na popis týchto vzťahov je využívaný matematický aparát. Vstupom bývajú rôzne druhy priestorových údajov popisujúce dôležité parametre ovplyvňujúce šírenie slnečného žiarenia (zloženie atmosféry, množstvo ozónu, aerosólov, vodných pár, oblačnosť, nadmorská výška, albedo a pod.)


vychádzajúcich z pozemných a družicových meraní, poprípade ďalších priestorových databáz. Pri modelovaní priestorového rozloženia slnečného žiarenia musia byť aj vstupné parametre priestorovo distribuované, a preto pre správu a predspracovanie sa javí byť výhodné použitie geografických informačných systémov (GIS). Samotný model slnečného žiarenia môže mať s GIS-om rôznu tesnosť prepojenia od samostatných nezávislých systémov s jednoduchou výmenou dát až po ich úplnú integráciu do jeho prostredia. V našich predchádzajúcich prácach (Šúri and Hofierka, 2004) sme analyzovali modely slnečného žiarenia dostupné v GIS-och, napríklad SolarFlux (Dubayah a Rich, 1995, Hetrick et al., 1993), Solei (Mészároš, 1998), Solar Analyst (Fu a Rich, 2000) a SRAD (Wilson a Gallant, 2000). Táto analýza ukázala, že uvedené modely majú určité obmedzenia v oblasti použiteľnosti pre veľké územia a vstupu parametrov v podobe priestorovo distribuovaných údajov (máp). Hofierka (1997) vytvoril model priameho slnečného žiarenia pre bezoblačnú oblohu r.sun v prostredí GIS-u GRASS. Tento model bol neskôr zdokonalený Šúrim a Hofierkom (2004) tak, aby umožňoval modelovať difúzne a odrazené žiarenie pre ľubovoľne orientované plochy a tiež žiarenie modifikované oblačnosťou. Tento model je dostatočne robustný a flexibilný pri použití v rôznych mierkach (Šúri, 2002; Hofierka a Cebecauer 2007; Hofierka et al., 2007), preto bol použitý aj pri modelovaní priestorovej distribúcie slnečného žiarenia na georeliéfe Slovenska.

Cieľom tohto príspevku je pomocou modelu r.sun a vybraných vstupných údajov modelovať a analyzovať priestorovú a časovú variabilitu slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenskej republiky, a to vo všetkých jeho troch zložkách (priame, difúzne a odrazené žiarenie). Zvlášť si všímame vplyv georeliéfu, ktorý ovplyvňuje najmä lokálnu variabilitu množstva dopadnutého slnečného žiarenia.

Metódy a údaje

Model r.sun

Model r.sun využíva rovnice šírenia slnečného žiarenia publikované v Európskom atlase slnečného žiarenia (ESRA) (Scharmer a Greif, 2000). Model umožňuje vypočítať množstvo priameho, difúzneho a odrazeného žiarenia pre bezoblačnú oblohu pre okamžikový čas (plošnú hustotu toku žiarenia) alebo zvolený časový interval (plošnú hustotu energie žiarenia, úhrn žiarenia) na základe zoslabenia extraterestriálneho žiarenia vzdušnou masou a zákalom atmosféry. Vzdušná masa je odvodená na základe aktuálnej polohy slnka vzhľadom na analyzovaný bod a zákal atmosféry je vyjadrený Linkeho koeficientom. Množstvo dopadajúceho slnečného žiarenia pre skutočnú oblohu (t.j. aj s vplyvom oblačnosti) sa odvádza zo žiarenia pre bezoblačnú oblohu a indexu bezoblačnej oblohy (clear sky index - CSI), ktorý vyjadruje zoslabenie žiarenia bezoblačnej oblohy spôsobené oblačnosťou. Priestorovú vrstvu CSI je možné odvodiť z pozemných meraní (pomeru nameranej globálneho žiarenia k modelovanému žiareniu

pre bezoblačnú oblohu) interpoláciou alebo priamo ako priestorovo distribuované dáta zo satelitných meraní. Pri modelovaní zložiek skutočného žiarenia (žiarenia pre skutočnú oblohu) dopadajúceho na horizontálnu rovinu sú vstupom modelu r.sun samostatné CSI pre priamu a difúznu zložku žiarenia. Tieto môžu byť odvodené napríklad interpoláciou hodnôt pozemných meraní pomeru difúzneho a globálneho žiarenia (Šúri a Hofierka, 2004).

V použitom metodickom prístupe modelu r.sun sa výpočet žiarenia dopadajúceho na georeliéf (t.j. na ľubovoľne naklonenú rovinu) odvodzuje využitím modelu publikovaného v práci Muneer (1990). Tento model zabezpečuje transformáciu priamej a difúznej zložky globálneho žiarenia dopadajúceho na horizontálnu rovinu na prislúchajúce zložky žiarenia dopadajúce na ľubovoľne orientovanú rovinu. Okrem samotnej orientácie a sklonu povrchu georeliéfu je dôležitým faktorom ovplyvňujúcim množstvo dopadnutého priameho slnečného žiarenia zatienenie okolitým georeliéfom. Vplyv zatienenia býva výrazný najmä pri členitom georeliéfe a nízkych výškach slnka. Napríklad na území Slovenskej republiky sú miesta, kde v určitých obdobiach roka nie je po celý deň priame slnečné žiarenie. Analýza zatienenia okolitým georeliéfom je výpočtovo najnáročnejšou časťou metodiky modelu r.sun. Okolitý georeliéf ovplyvňuje aj množstvo difúzneho a odrazeného žiarenia, aktuálna verzia modelu r.sun však priamy vplyv na tieto zložky nezohľadňuje.

Model r.sun je implementovaný v GIS-e GRASS ako jeho interný príkaz, resp. modul. Použitá metodika je podrobne opísaná v práci (Šúri a Hofierka, 2004), aplikácia tohto modelu pre výpočet potenciálu využitia slnečnej energie na Slovensku je uvedená v práci (Hofierka a Cebecauer, 2007), využitie pre fotovoltické aplikácie v Európe uvádzajú Šúri et al. (2005) a Šúri et al. (2007). Syntax, popis parametrov a používateľské poznámky k príkazu je možné tiež nájsť v prácach (Hofierka, 2004), (Neteler a Mitasova, 2004) a v manuálových stránkach modulu r.sun (GRASS 2007). GIS GRASS funguje na väčšine súčasných hardvérových architektúr a softvérových platforiem vrátane operačných systémov Linux a Microsoft Windows (GRASS 2007).

Samotný model r.sun funguje v dvoch režimoch. Režim 1 je určený pre okamžikový čas a slúži na výpočet rastrových máp žiarenia (W.m-2) a uhlu dopadu slnečných lúčov (v stupňoch) pre užívateľom špecifikovaný časový okamih. V režime 2 je možné vypočítať rastrové mapy denných úhrnov slnečného žiarenia (Wh.m-2) a trvanie priameho žiarenia (v minútach) pomocou integrácie hodnôt od východu po západ slnka s časovým krokom zvoleným používateľom. Pri výpočte je možné vziať do úvahy aj vplyv zatienenia okolitým georeliéfom. Pomocou skriptu jazyka shell operačného systému Linux sa tieto dva režimy môžu použiť samostatne alebo v kombinácii na výpočet ľubovoľného časového intervalu alebo v časovom kroku s postupnou zmenou vybraných vstupných parametrov.



Dôležité vlastnosti modelu r.sun môžeme zhrnúť do týchto bodov:

1. umožňuje výpočet všetkých troch zložiek slnečného žiarenia (okamihového žiarenia alebo úhrnu žiarenia) pre jasnú a tiež skutočnú oblohu,

2. na výpočet žiarenia je možné použiť slnečný (lokálny) alebo občiansky (zonálny) čas,

3. model je dostatočne flexibilný pre rôzne mierky, priestorové rozlíšenia a veľkosti územia. Správa pamäte a optimalizácia kódu umožňuje použiť veľké údajové súbory a údaje s vysokým časovým a priestorovým rozlíšením,

4. program je integrovaný v prostredí GIS-u GRASS ako modul pre rastrový údajový formát s priestorovo variabilným vstupom alebo výstupom údajov. Alternatívne sa vybrané parametre môžu zadať aj ako konštanty,

5. integrácia s otvoreným prostredím GIS-u GRASS umožňuje v jednom prostredí využívať nástroje GIS-u GRASS pre potreby spracovania vstupných a výstupných údajov.

6. licenčné podmidmienky GNU GPL poskytujú otvorenosť modelu a dostupnosť zdrojového kódu pre ďalšie zdokonaľovanie modelu a jeho počítačovej implementácie (je naprogramovaný v jazyku ANSI C).

Vstupné údaje

Vstupné údaje boli pripravené z existujúcich údajových zdrojov, ktoré boli analyzované a spracované do podoby vyžadovanej modulom r.sun. K týmto údajom patrí digitálny model reliéfu (DMR), merané hodnoty globálneho a difúzneho žiarenia z pozemných staníc a mapa Linkeho koeficientu zákalu atmosféry.

Ako bolo už spomenuté vyššie, jedným z kľúčových faktorov ovplyvňujúcich dostupnosť slnečného žiarenia a jeho lokálnu variabilitu je georeliéf. Georeliéf je v GIS-e reprezentovaný DMR a v tejto forme aj vstupuje do modelu r.sun. Horizontálne rozlíšenie rastrového DMR významne ovplyvňuje presnosť modelovania a priestorovú distribúciu slnečného žiarenia. Najmä tiene vrhnuté tvarmi okolitého georeliéfu sú citlivé na rozlíšenie DMR. V tejto práci sme použili DMR, ktorý bol odvodený z databázy SRTM vytvorenej v roku 2001 počas misie raketoplánu Endeavour interferometrickým zariadením SAR C-band (Zyl 2001). Tieto údaje pokrývajú približne 80% celkového povrchu Zeme a sú voľne k dispozícii s rozlíšením 3 arcsekundy, čo reprezentuje približne 90 m. Presnosť primárnych 1-arcsekundových údajov pre európsky subkontitent je reprezentovaný absolútnou horizontálnou chybou 8,8 m a absolútnou vertikálnou chybou 6,2 m na 90 % tohto územia (Rodriguez et al. 2006). Pôvodné údaje s rozlíšením 3-arcsekundy v geografickom súradnicovom systéme WGS84 boli pre účely tejto práce transformované

a prevzorkované na horizontálne rozlíšenie 100 m. Aby bolo možné úplne zahrnúť vplyv zatienenia okolitým georeliéfom, použitý DMR obsahuje aj 50-km pás za štátnou hranicou Slovenska. Analýza tieňov na veľkých rastroch a pre každý deň v roku znamená vysoké výpočtové nároky, ktoré je možné minimalizovať pomocou modulu r.horizon. Pomocou tohto modulu bolo vytvorených 96 vrstiev, ktoré reprezentujú uhly horizontu pre meniaci sa azimut s krokom 3,75°. Sada takýchto rastrov predstavuje alternatívny vstup modelu r.sun a umožňuje v prípade viacnásobných výpočtov značne urýchliť výpočet slnečného žiarenia s vplyvom zatienenia okolitým georeliéfom.

Mapy Linkeho koeficientu zákalu boli odvodené z globálnej databázy publikovanej autormi Remund et al. (2003) s pôvodným horizontálnym rozlíšením 5‘, ktoré bolo neskôr spresnené na rozlíšenie 1 km pomocou reverznej korekcie nadmorskej výšky a interpoláciou (Marcel Šúri, osobný rozhovor). Táto databáza reprezentuje dlhodobé priemerné mesačné hodnoty Linkeho zákalu atmosféry.

Žiarenie bezoblačnej oblohy sa dá relatívne jednoducho vypočítať pomocou modelu r.sun s využitím DMR a Linkeho koeficientu zákalu. Skutočné žiarenie však závisí viac na miestnych meteorologických podmienkach (najmä oblačnosť), ktoré znižujú množstvo dostupného žiarenia. Hustota meteorologických staníc, ktoré merajú slnečné žiarenie a iné potrebné meteorologické parametre (napr. zákal atmosféry, oblačnosť, a pod.) je zvyčajne riedka a nerovnomerne rozmiestnená, čo neumožňuje dostatočnú horizontálnu a vertikálnu reprezentáciu variability slnečného žiarenia. Na Slovensku je za posledné desaťročia k dispozícii len 6 staníc, ktoré merali globálne žiarenie. Preto sme okrem údajov z týchto staníc použili aj údaje zo 16 staníc v blízkosti hraníc Slovenska (Obr. 1), aby bol lepšie zachytený trend variability na celom území Slovenska. Merania globálneho a difúzneho žiarenia sú potrebné na výpočet žiarenia skutočnej oblohy pomocou odhadu pomeru žiarenia skutočnej oblohy a žiarenia bezoblačnej oblohy reprezentovaného prostredníctvom CSI (Šúri and Hofierka, 2004). Pre jednotlivé stanice boli priama a difúzna zložka CSI odvodené z mesačných priemerov meraní globálneho a difúzneho žiarenia pre obdobie rokov 1981-1990 (Scharmer a Greif, 2000) a globálneho žiarenia pre bezoblačnú oblohu vypočítanú modelom r.sun (Šúri et al. 2005).

Rastrové mapy s priestorovo distribuovanými vstupnými údajmi odvodenými z meraní sa často vytvárajú pomocou interpolácie (napr. splajnové metódy, vážené priemery, kriging (napr. Hutchinson et al., 1984; Hulme et al., 1995; Zelenka et al., 1992). Veľmi nízka priestorová hustota vstupných bodov reprezentujúcich meracie stanice však vyžadujú sofistikovanejšie interpolačné postupy, napríklad cokriging (D’Agostino and Zelenka, 1992; Beyer et al., 1997) alebo multivariačné splajny (Hofierka et al., 2002, Šúri a Hofierka, 2004). Pri týchto metódach sa používa ďalšia, doplnková premenná (informáciu) z DMR alebo družicových obrazových záznamov, ktorá zlepšuje kvalitu interpolácie. Pomocou tohto postupu a multivariačného



splajnu autori Šúri et al. (2005) vytvorili komplexnú databázu vstupných parametrov pre model r.sun pre Európu vrátane Slovenska. Mesačné priemery hodnôt CSI a pomeru priameho a difúzneho globálneho žiarenia boli interpolované pomocou modulu v.vol.rst v GIS-e GRASS, ktorý umožňuje trojrozmernú interpoláciu pomocou regularizovaného splajnu s tenziou (Neteler and Mitasova 2004). Treťou, doplnkovou premennou, ktorá zvyšuje rozlíšenie a presnosť interpolácie bola nadmorská výška reprezentovaná DMR s rozlíšením 1 km. Na záver boli odvodené rastrové mapy priamej a difúznej zložky CSI, ktoré sú potrebné pre model r.sun pre odhad skutočného žiarenia dopadajúceho na georeliéf. Tieto údaje boli pripravené aj z vyššie uvedených 22 meteorologických staníc použitých v tejto práci. Horizontálne rozlíšenie týchto údajov je však 1 km, preto pôvodné rastrové údaje boli prevzorkované pomocou interpolácie so zhladzovaním na rozlíšenie 100 m. Táto transformácia bola vykonaná pre rastrové mapy priamej a difúznej zložky CSI (koeficienty coefbh a coefdh modelu r.sun) a Linkeho koeficientu zákalu atmosféry (koeficient linkein modelu r.sun). Rozlíšenie 100 m je dostatočné aj vzhľadom na priestorovú variabilitu georeliéfu.

Postup výpočtu slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska

Pri výpočte množstva slnečného žiarenia sme vychádzali z dostupných údajov uvedených vyššie, modulov r.sun, r.horizon a v.vol.rst. Vstupné údaje dlhodobých mesačných priemerov CSI a Linkeho koeficientu zákalu, determinovali časový rámec výsledkov analýz a to na dlhodobé mesačné priemery. Použitie DMR však umožnilo zohľadniť vplyv geometrickej konfigurácie slnka voči povrchu georeliéfu a zachytiť jeho dennú a sezónnu dynamiku. Výpočet

Obr. 1 Pozemné meteorologické stanice s meraniami slnečného žiarenia a DMR odvodený z údajov SRTM.

slnečného žiarenia sa uskutočnil pre 12 mesiacov, pričom jednotlivé mesiace bol v modeli r.sun nahradené reprezentatívnym dňom v danom mesiaci. Časový krok na integráciu denných úhrnov žiarenia bol 15 minút, pričom pre vybrané mesiace boli uchované aj okamihové hodnoty plošnej hustoty toku žiarenia. Pri výpočtoch mesačných hodnôt (r.sun režim 2) a hodnôt pre jednotlivé časové kroky (r.sun režim 1) sme využili nástroje shellového skriptu a automatizovali tak výpočtový postup.

Výsledné priestorové vrstvy slnečného žiarenia môžeme zosumarizovať:

1. mesačné úhrny globálneho žiarenia a jeho zložiek pre bezoblačnú a skutočnú oblohu dopadajúceho na horizontálnu rovinu,

2. mesačné úhrny globálneho žiarenia a jeho zložiek pre skutočného oblohu dopadajúceho na georeliéf.

3. okamihové hodnoty slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf v 15 min. kroku pre mesiace marec, jún, september a december.

Pre vrstvy vytvorené v bodoch 1 a 2 boli následne odvodené ročné úhrny žiarenia integráciou mesačných hodnôt. Pri výpočte žiarenia dopadajúceho na georeliéf sa ako vstupné parametre aspin a slopein modelu r.sun použili priestorové vrstvy orientácie a sklonu georeliéfu odvodené modulom r.slope.aspect.

Všetky rastrové mapy reprezentujúce priestorovú variabilitu mesačných a ročných priemerov denných úhrnov žiarenia dopadajúceho na georeliéfu sú v jednotkách [kWh/m2/deň], v prípade ročného úhrnu to je [kWh/m2/rok] a v prípade okamihových hodnôt [W/m2].



Výsledky a diskusia

Pomocou vyššie uvedenej metodiky a údajov sme vytvorili sériu rastrových máp s rozlíšením bunky 100 m, ktoré dokumentujú dlhodobé priemery priestorovej distribúcie slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska. V príspevku graficky uvádzame len ročné priemery na vybraných príkladoch dokumentujeme vplyv zatienenia okolitým georeliéfom na denných chod žiarenia.

Na Obr. 2 je uvedený priemerný ročný úhrn globálneho slnečného žiarenia pre skutočnú oblohu dopadajúceho na georeliéf. Priemerný ročný úhrn sa pohybuje od 925 kWh/m2/rok v severne orientovaných svahoch a v dolinách pohorí až po 1250 kWh/m2/rok na južne orientovaných svahoch pohorí, pričom lokálne sa môžu vyskytnúť aj extrémnejšie hodnoty. Tieto svahy majú o niečo vyšší príjem žiarenia ako roviny južného Slovenska (1150-1200 kWh/m2/rok), pretože optimálny sklon, pri ktorom je maximalizovaný energetický zisk zo slnečného žiarenia je pre južne orientované plochy v prípade Slovenska v rozmedzí 36-44o (Hofierka a Cebecauer, 2007) a niektoré južné svahy sa môžu svojim sklonom blížiť týmto hodnotám. Z uvedenej mapy vyplýva, že priestorová variabilita globálneho žiarenia pod vyplyvom georeliéfu na Slovensku je značná a v prípade citlivých abiotických a biotických systémov môže predstavovať významný diferenciačný faktor. Plošné zastúpenie vybraných intervalov úhrnu globálneho slnečného žiarenia pre skutočnú oblohu je uvedené v Tab. 1.

Tab. 1 Plošné zastúpenie vybraných intervalov globálneho slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska.

Intervaly ročných úhrnov globálneho žiarenia [kWh/m2/rok]

Plošné zastúpenie [%]

– 900 2,71901 – 1000 10,22

1001 – 1100 30,311101 – 1200 52,681201 – 1300 3,97

1301 – 0,11

Na Obr. 3 je uvedený priemerný ročný úhrn priameho žiarenia dopadajúceho na georeliéf pre skutočnú oblohu. Toto žiarenie je najcitlivejšie na vplyv georeliéfu, najmä orientáciou povrchu vo vzťahu k uhlu dopadu slnečného žiarenia ako aj prostredníctvom tvorby tieňov pri nízkej výške slnka nad obzorom (ráno, večer a v zimnom období). Pri východne alebo západne orientovaných svahoch môže dôjsť aj ku kumulácii týchto vplyvov (veľký zenitový uhol slnka v jednej časti dňa a tiene v druhej). Pohoria tiež ovplyvňujú zvýšenú oblačnosť v letnom období, spôsobujúcu útlm priameho slnečného žiarenia. Ročný úhrn priameho žiarenia sa pohybuje od 100 kWh/m2/rok na severne orientovaných svahoch a dolinách pohorí až po 650 kWh/m2/rok (lokálne aj viac) na južne orientovaných svahoch pohorí a na rovinách na juhu Slovenska.

Difúzne žiarenie (Obr. 4) je druhou najvýznamnejšou zložkou globálneho žiarenia. Jeho množstvo je ovplyvňované indexom bezoblačnej oblohy, CSI, ako aj priamym žiarením (je teda anizotropné), ale nie je tak silne ovplyvnené georeliéfom ako priame žiarenie. V použitom modeli r.sun je vplyv georeliéfu zúžený len na sklon konkrétnej plochy, vplyv okolitého georeliéfu nie je uvažovaný. Priemerný ročný úhrn difúzneho žiarenia sa pohybuje v rozmedzí od 500 kWh/m2/rok na severne orientovaných svahoch a dolinách pohorí až po ako 650 kWh/m2/rok na južne orientovaných svahoch pohorí vo vyšších polohách pre ktoré je charakteristický nižší zákal atmosféry. Na rovinách na juhu Slovenska dosahuje približne 600 kWh/m2/rok. Výsledky poukazujú na celkovo nižšiu variabilitu v porovnaní s priamym žiarením.

Odrazené žiarenie (Obr. 5) má najnižší podiel na globálnom žiarení. Prejavuje sa len v členitom georeliéfe. Ročný úhrn odrazeného žiarenia sa pohybuje od 0 kWh/m2/rok na rovinách až po 18 kWh/m2/rok na strmých svahoch s rôznou orientáciou najmä v pohoriach. Podobne ako v prípade difúzneho aj pri odrazenom žiarení je model r.sun vzhľadom na komplexné vzťahy s okolitým georeliéfom zjednodušený. Navyše pre účely tejto štúdie nebolo uvažované s premenlivým albedom počas roka, čo sa mohlo odraziť na výsledkoch modelu odrazeného žiarenia dopadnutého na georeliéf. Vzhľadom na nízke absolútne hodnoty odrazeného žiarenia a malú variabilitu hodnôt difúzneho žiarenia zjednodušenie vzťahov vplyvu georeliéfu má len malý vplyv na celkové hodnoty globálneho žiarenia.

Obr. 2 Priemerný ročný úhrn globálneho slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska.

Obr. 3 Priemerný ročný úhrn priameho slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska.



Obr. 4 Priemerný ročný úhrn difúzneho slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska.

Obr. 5 Priemerný ročný úhrn odrazeného slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska.

Priemerné ročné úhrny slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf odhalili veľké priestorové rozdiely. Sezónna variabilita priemerných denných úhrnov globálneho žiarenia na georeliéf Slovenska je uvedená v Tab. 2. Vďaka relatívne vysokej zemepisnej šírke územia Slovenska, sú sezónne rozdiely v množstve dopadnutého žiarenia veľmi veľké. Celkový priemerný úhrn žiarenia je počas letných mesiacov (jún, júl, august) približne 5,5 krát vyšší ako počas zimných mesiacov (december, január, február). Najväčšie sezónne rozdiely sú na severných svahoch pohorí, kde môžu dosahovať až 7 násobok a najmenšie na južných svahoch kde klesajú až na 2,5 násobok. Tieto priestorové rozdiely v sezónnej variabilite sú spôsobené najmä vplyvom georeliéfu a zatienenia, ktoré je najvýraznejšie najmä v zimných mesiacoch.

Tab. 2 Priemerné, minimálne a maximálne denné úhrny globálneho slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf Slovenska v [kWh/m2/deň].

denný úhrn žiarenia [kWh/m2/deň]

mesiac1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rok

priemer 0,9 1,6 2,7 3,9 4,8 5,0 5,3 4,4 3,2 2,2 1,1 0,7 3,0minimum 0,3 0,6 1,0 1,3 1,8 2,0 2.0 1,5 1,0 0,7 0,5 0,3 1,1maximum 2,3 3,2 4,1 4,7 5,5 5,8 6,1 5,3 4,4 3,5 2,3 1,7 3,9

Kvalita modelovania je výsledkom použitého modelu, metodiky a zdrojových údajov. Pri modelovaní množstva slnečného žiarenia dopadajúceho na georeliéf je priestorové rozlíšenie a kvalita DMR jedným z kľúčových faktorov najmä v členitých častiach Slovenska. Obr. 6 dokumentuje vplyv zatienenia okolitým georeliéfom na dostupnosť priameho žiarenia v hodinových intervaloch od 7:00 hod. do 17:00 hod. miestneho času pre 17. marec (blízko jarnej rovnodennosti). Vybraná lokalita predstavuje Liptovskú kotlinu s priľahlými pohoriami. Na obrázku sú modrou farbou zvýraznené tie plochy, ktoré sú v daných časových krokoch zatienené. Viditeľná je silná tvorba tieňov najmä v ranných a večerných hodinách, čo môže významne ovplyvniť napr. využitie slnečnej energie pri fotovoltických a termálnych aplikáciách.



7:00 8:00 9:00 10:00

11:00 12:00 13:00 14:00

15:00 16:00 17:00

Obr. 6 Dynamika tieňov spôsobených okolitým georeliéfom (modrá farba) v Liptovskej kotline a okolitých pohoriach pre 17. marec.

Obr. 7. Redukcia globálneho žiarenia dopadajúceho na georeliéf vplyvom zatienenia dňa 17. marca v Liptovskej kotline a okolitých pohoriach. Vľavo: denný úrhn globálneho žiarenia, vpravo: relatívna redukcia žiarenia.



Vplyv zatienenia je ešte výraznejší v zimnom období s nízkou výškou slnka nad obzorom, kedy ovplyvňuje úhrn slnečného žiarenia počas celého dňa. Naopak v letnom období je výrazný len v ranných a večerných hodinách s len miernym vplyvom na celodenné úhrny žiarenia. Obr. 7 zobrazuje vplyv zoslabenia globálneho žiarenia vplyvom zatienenia pre 17. marec. Dynamika tieňov spolu s orientáciou georeliéfu vzhľadom k polohe slnka spôsobujú veľkú dennú dynamiku ako aj výsledné úhrny žiarenia dopadajúceho na georeliéf. Táto dynamika je jedným zo základných faktorov formujúcich celkové geoekologické podmienky územia, ich priestorovú variabilitu a tým aj fungovanie celého geosystému.

Záver

V príspevku sme uviedli základné vlastnosti slnečného modelu r.sun. Na príklade Slovenska sme dokumentovali možnosti modelovania jednolivých zložiek slnečného žiarenia dopadajúcich na georeliéf. Poukázali sme na význam vplyvu orientácie a sklonu georeliéfu ako aj zatienenia okolitým georeliéfom a to najmä v zimných mesiacoch roka, keď výška slnka nad obzorom je nízka. Prezentované hodnoty žiarenia predstavujú hodnoty pre skutočnú oblohu. Georeliéf je výrazný diferenciačný faktor. Hodnoty žiarenia sa pohybujú od 925 kWh/m2/rok v severných, často zatienených polohách až po 1250 kWh/m2/rok na južných svahoch pohorí. V ďalších štúdiách je možné sledovať závislosti vlastností kajinnej pokrývky od príjmu slnečnej energie (napr. druhové zloženie vegetácie, chorobnosť lesného porastu a pod.). Otvárajú sa tiež možnosti identifikácie území a ich vhodnosti pre konrétny účel – napríklad ktoré spĺňajú podmienky dostatočného príjmu slnečnej energie, prípadne ďalších agrotechnických kritérií. GIS je ideálnym nástrojom pre analýzy práve tohto typu.

Veľmi užitočnou aplikáciu je aj využitie priestorových rozdielov v okamihových hodnotách žiarenia pre rádiometrickú korekciu satelitných záznamov v oblasti pohorí s častým výskytom tieňov. Identifikáciou zatienených oblastí a ich analýzou je možné minimalizovať ich vplyv na kvalitu satelitného snímku aj pomocou jednotlivých zložiek žiarenia (zatienené oblasti nie sú ožiarené priamym žiarením, ale zvyčajne sú ožiarené difúznym a odrazeným žiarením).

V príspevku sme taktiež identifikovali možné vylepšenia výpočtu difúzneho a odrazeného žiarenia modelom r.sun s komplexnejším začlenením vplyvu okolitého georeliéfu. Poukázali sme na problém kvality vstupných parametrov, ktoré vzhľadom na často nízku hustotu siete meteorologických meraní nemajú dostatočnú priestorovú reprezentatívnosť. V príspevku sme sa snažili tento problém čiastočne odstrániť použitím multivariačných metód interpolácie. Existencia archívov údajov geostacionárnych satelitov siahajúca až do polovice 80-tych rokov sa javí ako jedna z alternatív na zlepšenie priestorovej reprezentatívnosti vstupných parametrov modelu r.sun.

Využitie slnečnej energie je mnohoraké. Okrem prírodovedných aplikácií má slnečná energia veľký význam aj v technických aplikáciách súvisiacich s výrobou tepelnej a elektrickej energie. V tomto prípade je často predmetom záujmu množstvo slnečného žiarenia dopadajúce na horizontálnu rovinu alebo rôzne naklonené panely. Prezentovaný model umožňuje modelovanie dostupného slnečného žiarenia aj takýchto aplikáciách tak, že namiesto sklonu a orientácii voči svetovým stranám georeliéfu sa použijú rastre náklonu a orientácie solárnych panelov (príklad takejto aplikácie je uvedený v práci Hofierka a Cebecauer, 2007). Výhodou modelu r.sun je, že umožňuje analyzovať rozsiahle územia a využívať pri tom existujúce databázy a analytické funkcie GIS-u. Model je voľne k dispozícii ako súčasť GIS-u GRASS.

Poďakovanie

Príspevok je súčasťou riešenia projektu VEGA č. 1/3049/06. Táto práca bola tiež podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. COST-0016-06.

Literatúra

[1] BEYER H.G., CZEPLAK G., TERZENBACH U. AND WALD L., 1997, Assessment of the method used to construct clearness index maps for the new European solar radiation atlas (ESRA). Solar Energy, 61, 389-397.

[2] D’AGOSTINO V., ZELENKA A., 1992, Supplementing solar radiation network data by co-kriging with satellite images. International Journal of Climatology, 12, 749-761.

[3] DUBAYAH, R., RICH, P.M., 1995, Topographic solar radiation models for GIS. International Journal of Geographical Information Systems, 9, 405-419.

[4] FU, P., RICH, P. M., 2000, The Solar Analyst 1.0 User Manual. Helios Environmental Modeling Institute, http://www.hemisoft.com.

[5] GRASS, 2007, GRASS Development Team. GRASS GIS. [Online]. Available: http://grass.itc.it/

[6] HETRICK, W. A., RICH, P. M., BARNES, F. J., WEISS, S. B., 1993, GIS-based solar radiation flux models. American Society for Photogrammetry and Remote Sensing. Technical papers. GIS, Photogrammetry and Modeling, 3, 132-143.

[7] HOFIERKA, J., 1997, Direct solar radiation modelling within an open GIS environment. Proceedings of the Joint European GI Conference 1997, Vienna, 575-584.

[8] HOFIERKA, J., 2004, Modelovanie priestorovej distribúcie slnečného žiarenia na georeliéfe pomocou modelu r.sun a geografického informačného systému. Acta Facultatis Studiorum Humanitatis et Naturae Universitatis Prešoviensis. Prírodné vedy, Folia Geographica 7, pp. 157-166.



[9] HOFIERKA, J., CEBECAUER, T., 2007, Spatially distributed assessment of solar resources for energy applications in Slovakia. Acta Facultatis Studiorum Humanitatis et Naturae Universitatis Prešoviensis. Prírodné vedy, Folia Geographica 11. V tlači.

[10] HOFIERKA, J., HULD, T., CEBECAUER, T., ŠÚRI, M., 2007, Open Source Solar Radiation Tools for Environmental and Renewable Energy Applications. In: D. A. Swayne, J. Hrebicek (Eds.): Environmental Software Systems: Dimensions of Environmental Informatics. Proceedings of the 6th International Symposium on Environmental Software Systems 2007, Prague, Czech Republic, May 22 - 25, 2007.

[11] HOFIERKA, J., PARAJKA, P., MITASOVA, M., MITAS, L., 2002, Multivariate interpolation of precipitation using regularized spline with tension. Transactions in GIS, 6, 135-50.

[12] HRVOĽ, J., ,1996, Irradiation of south oriented surfaces by direct solar radiation. Acta Met. Univ. Comenianae, 25, 17-27.

[13] HRVOĽ, J., HORECKÁ, V., 2000, Contribution to computation of daily sums of global radiation. Acta Met. Univ. Comenianae, 29, 9-25.

[14] HRVOĽ, J., TOMLAIN, J., 1992, Globálne žiarenie na rôzne orientované sklonené plochy na území Slovenskej republiky. Štúdia X., roč. VI., Slovenská bioklimatologická spoločnosť pri SAV, Bratislava.

[15] HRVOĽ, J., TOMLAIN, J., 1997, Globálne žiarenie na území Slovenska za obdobie 1961-1990. Bulletin Slovenskej bioklimatologickej spolocnosti SAV, XVI, 26, 3-17.

[16] HULME, M., CONWAY, D., JONES, P.D., JIANG, T., BARROW, E.M., TURNEY, C.A., 1995, 1961-1990 climatology for Europe for climate change modelling and impact applications. International Journal of Climatology, 15, 1333-1364.

[17] HUTCHINSON, M.F., BOOTH, T.H., MCMAHON, L.P., NIN, H.A., 1984. Estimating monthly mean values of daily total solar radiation for Australia. Solar Energy, 32, 277-290.

[18] JENČO, M., 1992, Distribúcia priameho slnečného žiarenia na georeliéfe a jej modelovanie pomocou komplexného digitálneho modelu reliéfu. Geografický časopis, 44, 342-355.

[19] KITTLER, R., MIKLER, J., 1986, Základy využívania slnečného žiarenia. Bratislava, Veda

[20] KRCHO, J., 1990, Morfometrická analýza a digitálne modely georeliéfu. Bratislava, Veda

[21] MÉSZÁROŠ, I., 1998, Modelovanie príkonu slnečnej energie na horské povodie. Acta Hydrologica Slovaca, 1, 68-75.

[22] MUNEER, T., 1990, Solar radiation model for Europe. Building services Engineering Research and Technology, 11, 153-163

[23] NETELER, M., MITASOVA, H., 2004, Open Source

GIS: A GRASS GIS Approach, Kluwer Academic Publishers, Boston

[24] REMUND, J., WALD, L., LEFEVRE, M., RANCHIN, T., PAGE J., 2003, Worldwide Linke Turbidity Information. Proceedings of ISES Solar World Congress, 16-19 June 2003. Goteborg, Sweden.

[25] RODRÍGUES, E. MORRIS C., S., BELZ, J., E., 2006, A global assessment of the SRTM Performance. Photograsmmetric Engineering & Remote Sensing, 72, 249-260.

[26] SCHARMER, K., GREIF, J., (eds.) 2000, The European Solar Radiation Atlas. Vol. 2: Database and Exploitation Software. Presses de l’Ecole des Mines de Paris, Paris, France.

[27] ŠÚRI M., HULD T.A., DUNLOP E.D. OSSENBRINK H.A., 2007, Potential of solar electricity generation in the European Union member states and candidate countries. Solar Energy (in press).

[28] ŠÚRI, M. 2002. Modelovanie a kartografické zobrazovanie globálneho žiarenia. In Feranec, J. Pravda J., eds. Proceeding of the workshop “Aktivity v kartografii 2002”, Bratislava (Slovak Cartographic Society and Institute of Geography SAS), 31.10.2002, 126-133.

[29] ŠÚRI, M., HOFIERKA, J., 2004, A New GIS-based Solar Radiation Model and Its Application to Photovoltaic Assessments. Transactions in GIS, 8, 175-190.

[30] ŠÚRI, M., HULD, T.A., DUNLOP, E.D., 2005, PVGIS: a web-based solar radiation database for the calculation of PV potential in Europe. International Journal of Sustainable Energy, 24, 55-67.

[31] ŠÚRI, M., JONES, A.R., DUNLOP, E.D., 2002, Mapping the potential of photovoltaic systems in urban areas of Slovakia. In: Brebbia, C.A., Martin-Dunque, J.F., Wadhwa, L.C. (Eds.) The Sustainable City II, Urban Regeneration and Sustainability. WIT press (Southampton). 1007-1016.

[32] ŠÚRI, M. 2006. Slnečná elektrina a perspektívy jej výroby na Slovensku. Životné prostredie, 40, 127-132.

[33] TOMLAIN, J., HRVOĽ, J., 2002, Mapa globálneho žiarenia (1:2 000 000). In Atlas krajiny Slovenskej republiky, 1. vydanie, Bratislava (Ministerstvo životného prostredia SR), Banská Bystrica (Slovenská agentúra životného prostredia).

[34] WILSON, J.P., GALLANT, J.C., 2000, Secondary topographic attributes. In: Wilson, J.P. and Gallant, J.C. (eds) Terrain Analysis; Principles and Applications. New York, Wiley, 87-132.

[35] ZELENKA, A., CZEPLAK, G., D’AGOSTINO, V., JOSEFSON, W., MAXWELL, E., PEREZ, R., 1992, Techniques for Supplementing Solar Radiation Network Data, Technical Report, International Energy Agency, # IEA-SHCP-9D-1, Swiss Meteorological Institute, Switzerland.

[36] ZYL, J. J., 2001, The shuttle radar topography mission (SRTM): a breakthrough in remote sensing of topography. Acta Astronautica, 48, 559-565.


Documents

“BIOCLIMATOLOGY AND NATURAL HAZARDS” Priestorová a …cbks.cz/SbornikPolana07/pdf/Hofierka_Cebecauer.pdf · 2008-04-24 · Střelcová, K., Škvarenina, J. & Blaženec, M. (eds.):