[논문 리뷰] Reconciling observations of solar irradiance variability with cloud size distributions

Wouter Mol, Bart van Stratum외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 21.

Solar Radiation and Photovoltaics인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 고주기 일광 조사 데이터, 위성 영상 및 모델링을 활용하여 일광 조사 변화와 구름 크기 분포를 조율한다. 그 결과, 구름 그림자의 크기는 여러 스케일에서 거듭제곱 법칙을 따르지만, 약 750m 이하에서는 가장자리 투명도로 인해 이를 따르지 않는다. 국소적으로 증가한 일조도 그림자와 비슷한 빈도로 발생하며, 이는 경계층 구름이 더 좁은 스케일 범위에서 발생시킨다. 이는 구름 미세구조와 지표면 일조 변화 간의 근본적인 연관성을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 현재 일일 예측의 정확도를 제한하는 일일 내부의 일조 변화의 지리적·시간적 원인을 이해한다.
• 문헌에서 일조 변화 관측치와 구름 크기 분포 간의 합의 부족 문제를 해결한다.
• 일조 변화 연구와 구름 미세구조 특성 간의 모순을 극복하기 위해, 일조 변화를 구름 크기 분포와 연결함으로써 이를 조율한다.
• 경계층 구름이 지표면에서 그림자 형성과 국소 일조 증가를 유도하는 역할을 정량화한다.
• 기상학 및 재생 가능 에너지 분야에서의 모델링 향상을 위해, 구름 크기 분포와 지표면 일조 변화 간의 기계적 연관성을 수립한다.

제안 방법

• 표면 일조 변화의 급격한 변동을 포착하기 위해 장기적 고주기 일조 관측 데이터를 활용한다.
• 다양한 공간 스케일에서 구름 커버, 구름 가장자리 특성 및 그림자 패턴을 식별하기 위해 위성 영상을 통합한다.
• 다양한 구름 크기 및 투명도 조건 하에서 구름 복사 효과와 일조 반응을 모델링하기 위해 수치 시뮬레이션을 적용한다.
• 거듭제곱 법칙 스케일링 행동에 초점을 맞춰, 구름 크기 분포를 일조 변화와 연결하는 개념적 모델링을 사용한다.
• 약 750미터 이하 스케일에서 이상화된 거듭제곱 법칙 분포에서 벗어나는 구름 가장자리 투명도 영향을 고려한다.
• 빈도와 스케일 의존성 평가를 위해 그림자 형성과 국소 일조 증가 사건을 모두 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구름 크기 분포는 관측된 표면 일조 변화의 지리적·시간적 변동성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 약 750미터 이하 스케일에서 구름 그림자 크기의 거듭제곱 법칙에서 벗어나는 원인는 무엇인가?
• RQ3 국소적으로 증가한 일조 사건은 그림자 사건에 비해 얼마나 자주 발생하며, 무엇이 이를 유도하는가?
• RQ4 경계층 구름이 일조 감소와 증가를 동시에 유도하는 데 얼마나 기여하는가?
• RQ5 관측된 일조 변화 데이터를 구름 미세구조 특성과 어떻게 조율할 수 있는가?

주요 결과

• 구름 그림자 크기는 여러 주요 스케일 범위에서 거듭제곱 법칙 분포를 따르며, 이는 구름 시스템에서 척도 불변성 행동을 나타낸다.
• 약 750미터 이하 스케일에서의 거듭제곱 법칙에서의 이탈은 구름 가장자리 투명도 효과로 인해 발생한다.
• 국소적으로 증가한 일조는 그림자와 유사한 빈도로 발생하며, 이는 구름이 이중 방향 복사 효과를 유도한다는 것을 시사한다.
• 일조 증가는 주로 경계층 구름에 의해 유도되며, 그림자보다 더 좁은 공간 스케일 범위에 분포한다.
• 이 연구는 일조 변화와 구름 크기 분포 연구 간의 모순 관측치를 물리적 메커니즘을 통해 연결함으로써 이를 조율한다.
• 연구 결과는 기상학, 기후 모델링 및 재생 가능 에너지 적용 분야에서 일조 변화 모델링 향상을 위한 기본적 기초를 제공한다.