[论文解读] 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 7

一句话总结

本研究利用高频辐照度数据、卫星图像和建模方法，将太阳辐照度变化与云体尺寸分布相协调，发现云影尺寸在多个尺度上遵循幂律分布——但在约750米以下因边缘透明度而偏离。局部辐照度增强的发生频率与阴影事件相当，其成因是边界层云在更窄的尺度范围内产生，从根本上将云微物理特性与地表辐照度波动联系起来。

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.

研究动机与目标

• 理解影响日间太阳辐照度变化的时空驱动因素，这些因素目前限制了准确的日前预测。
• 解决文献中太阳辐照度变化观测与云体尺寸分布之间缺乏共识的问题。
• 通过将辐照度波动与云体尺寸分布关联，弥合太阳辐照度变化研究与云微物理特性之间的差异。
• 量化边界层云在地表产生遮蔽与局部辐照度增强作用的贡献。
• 建立云体尺寸分布与地表辐照度波动之间的机制联系，以改进气象学和可再生能源领域的建模。

提出的方法

• 利用长期高频太阳辐照度观测，捕捉地表辐照度的快速波动。
• 结合卫星图像，识别云覆盖、云边缘特征及跨空间尺度的阴影模式。
• 应用数值模拟，模拟不同云体尺寸和透明度条件下云的辐射效应及辐照度响应。
• 采用概念性建模，将云体尺寸分布与辐照度波动关联，重点关注幂律标度行为。
• 考虑在约750米以下尺度上云边缘透明度的影响，这些尺度下的分布偏离理想化的幂律分布。
• 分析遮蔽与局部辐照度增强事件，评估其频率与尺度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 云体尺寸分布如何与观测到的地表太阳辐照度时空变化相关联？
• RQ2 在约750米以下尺度上，云影尺寸为何偏离幂律分布？
• RQ3 局部辐照度增强事件的发生频率与遮蔽事件相比如何？其成因是什么？
• RQ4 边界层云在导致辐照度减少和增强方面分别起到多大程度的作用？
• RQ5 如何将辐照度变化的观测数据与云微物理特性相协调？

主要发现

• 云影尺寸在多个数量级范围内遵循幂律分布，表明云系统具有尺度不变性。
• 在约750米以下尺度上，由于云边缘透明度效应，分布出现偏离幂律。
• 局部辐照度增强的发生频率与遮蔽事件相当，表明云体具有双向辐射效应。
• 辐照度增强主要由边界层云引起，其空间尺度分布范围比遮蔽现象更窄。
• 本研究通过物理机制将太阳辐照度变化与云体尺寸分布研究中的矛盾观测结果协调一致。
• 研究结果为改进气象学、气候学和可再生能源应用中的太阳辐照度建模提供了基本依据。