[論文レビュー] Reconciling observations of solar irradiance variability with cloud size distributions

Wouter Mol, Bart van Stratum+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2022

Solar Radiation and Photovoltaics被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、高周波度の日射量データ、衛星画像、およびモデル化を用いて、太陽放射の変動と雲のサイズ分布を統合し、雲の影のサイズが複数スケールにわたりべき乗則に従うことを明らかにした。ただし、約750 m未満では縁の透明性のためこの法則から逸脱する。局所的な日射量の増加は影と同程度の頻度で発生し、境界層の雲によって駆動されており、雲の微物理と地表面の日射量変動を根本的に結びつける。

ABSTRACT

Clouds cast shadows on the surface and locally enhance solar irradiance by absorbing and scattering sunlight, resulting in fast and large solar irradiance fluctuations on the surface. Typical spatiotemporal scales and driving mechanisms of this intra-day irradiance variability are not well known, hence even one day ahead forecasts of variability are inaccurate. Here we use long term, high frequency solar irradiance observations combined with satellite imagery, numerical simulations, and conceptual modelling to show how irradiance variability is linked to the cloud size distribution. Cloud shadow sizes are distributed according to a power law over multiple orders of magnitude, deviating only from the cloud size distribution due to cloud edge transparency at scales below 750 meters. Locally cloud-enhanced irradiance occurs as frequently as shadows, and is similarly driven mostly by boundary layer clouds, but distributed over a smaller range of scales. We reconcile studies of solar irradiance variability with those on clouds, which brings fundamental understanding to what drives irradiance variability. Our findings have implications for not only for weather and climate modelling, but also for solar energy and photosynthesis by vegetation, where detailed knowledge of surface solar irradiance is essential.

研究の動機と目的

• 日中の日射量変動の空間的・時間的要因を理解し、現在のところ1日先の正確な予測を制限している要因を特定する。
• 文献における太陽日射量変動と雲のサイズ分布の間の合意のなさを解消する。
• 日射量変動研究と雲の微物理的性質の間の矛盾を、日射量の変動を雲のサイズ分布に関連付けることで解消する。
• 境界層の雲が地表面における影の発生と局所的日射量増加の両方をどのように引き起こすかを定量化する。
• 気象学および再生可能エネルギー分野におけるモデル化の向上を目的として、雲のサイズ分布と地表面日射量変動との間の機構的関係を確立する。

提案手法

• 急速な日射量変動を捉えるために、長期にわたる高周波度の地表面日射量観測を実施した。
• 衛星画像を統合して、空間スケールにわたる雲カバー、雲縁の特性、および影のパターンを特定した。
• 数値シミュレーションを用いて、雲のサイズや透明度が異なる条件下での雲の放射エネルギー効果と日射量応答をモデル化した。
• 概念的モデルを用いて、雲のサイズ分布と日射量変動の関係を分析し、特にべき乗則に従うスケーリング行動に焦点を当てた。
• 約750メートル未満のスケールでは、理想化されたべき乗則分布から逸脱する雲縁の透明性の影響を考慮した。
• 影の発生と局所的日射量増加の両方のイベントを分析し、その頻度とスケール依存性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 雲のサイズ分布は、観測された地表面日射量の空間的・時間的変動とどのように関係しているか？
• RQ2 約750メートル未満のスケールで、雲の影のサイズがべき乗則から逸脱する原因は何か？
• RQ3 局所的日射量増加イベントは影のイベントと比べてどの程度の頻度で発生するのか？ その背後には何が働くか？
• RQ4 境界層の雲が日射量の低下と増加の両方を引き起こす要因として、どの程度の寄与をしているか？
• RQ5 日射量変動に関する観測データを、雲の微物理的性質とどのように統合できるか？

主な発見

• 雲の影のサイズは、複数のオーダーのスケールにわたりべき乗則に従うことが判明し、雲システムにおけるスケール不変性を示している。
• 約750メートル未満のスケールでは、雲縁の透明性の影響により、べき乗則からの逸脱が生じる。
• 局所的日射量増加は影と同程度の頻度で発生しており、雲による双方向的放射エネルギー効果を示している。
• 日射量増加は主に境界層の雲によって引き起こされ、影の発生よりも空間スケールの範囲が狭い。
• 本研究は、太陽日射量変動と雲のサイズ分布に関する矛盾する観測結果を、物理的メカニズムを通じて統合した。
• 研究結果は、気象、気候、および再生可能エネルギー分野における日射量モデル化の根本的基盤を提供する。