SCHIMBARI ALE RADIATIEI GLOBALE ÎN CONTEXTUL SCHIMBARILOR CLIMATICE ÎN PARTEA NORD-VESTICA A ROMÂNIEI

Abstract

The aim of the study is to estimate regional changes of global radiation regarding climate change in northwestern part of Romania. In the first step the dependence of global radiation from cloudiness is calculated by linear regression. As the second step a statistical method of downscaling is applied to calculate how cloudiness changes parallel with the increase of hemispherical temperature with 0.5K: the regression of local variables against the hemispherical mean temperature is analyzed by the method of instrumental variables, in the recent monotonously warming period of 1973-1996. Finally the products of the two regression coefficients typically yield a few percent of relative positive changes in global radiation considering 0.5 K hemispherical warming. The effect of different types of clouds on global radiation is also analyzed by parameterization. The results show a decrease in global radiation induced mostly by changes in Cirrus, Nimbostratus having the less influences on incoming solar radiation. [PUBLICATION ABSTRACT]

Headnote

ABSTRACT. - Changes in global radiation regarding climate change in northwestern part of Romania. The aim of the study is to estimate regional changes of global radiation regarding climate change in northwestern part of Romania. In the first step the dependence of global radiation from cloudiness is calculated by linear regression. As the second step a statistical method of downscaling is applied to calculate how cloudiness changes parallel with the increase of hemispherical temperature with 0.5K: the regression of local variables against the hemispherical mean temperature is analyzed by the method of instrumental variables, in the recent monotonously warming period of 1973-1996. Finally the products of the two regression coefficients typically yield a few percent of relative positive changes in global radiation considering 0.5 K hemispherical warming. The effect of different types of clouds on global radiation is also analyzed by parameterization. The results show a decrease in global radiation induced mostly by changes in Cirrus, Nimbostratus having the less influences on incoming solar radiation.

Keywords: global radiation, cloudiness, climate change

(ProQuest: ... denotes formulae omitted.)

1. INTRODUCERE

Radiatia globala reprezinta principala sursa energetica a fenomenelor fizice, chimice si biologice care au loc În atmosfera. Ea ajunge la suprafata terestra sub forma de radiatie directa si radiatie difuza, cuprinzând spectrul electromagnetic Între 0.29 fj,m si 4.00 \m.

Radiatia globala este strâns legata de fenomenele climatice, respectiv de schimbarile sistemului climatic, În mai multe aspecte. În primul rând prin nebulozitate, care are un rol important În bilantul radiativ al atmosferei, si este implicata În mod direct si indirect În fenomenul schimbarilor climatice. Nebulozitatea modifica radiatia În ambele spectre (cel scurt si cel lung), iar În ansamblu reprezinta un component negativ al bilantului radiativ al Pamântului (Harison et al, 1990). În al doilea rând radiatia globala este influentata si de alte componente prezente În atmosfera cum sunt aerosolii, vaporii de apa, gazele cu efect de sera. Astfel radiatia globala este un parametru climatic valoros, dar mai putin studiat pâna În prezent.

Pentru tarile din Europa s-au elaborat câteva studii despre schimbarile radiatiei globale În contextul schimbarilor climatice Începând cu anii 1950 (Gilgen at al 1998, Stanhill and Cohen 2001, Pinker 2005). Aceste lucrSri raporteazS o*\ descrestere generals În radiatia solarS pânS În anii 1990, dupS care se constats o crestere pronuntatS. Schimbarea directiei trendului radiatiei globale se presupune cS se datoreazS descresterii concentratiei aerosolilor din atmosfera. Studiile aratS o crestere În radiatia globalS dupa anii 1990 si pe alte continente, iar magnitudinea acesteia variazS (Liepert 2002, Wild et al 2005), numai În câteva cazuri este detectatS o descrestere continuS În ultimii 50 de ani (Lohmann 2006, Grimenes 2006).

Studiul de fata are scopul de a determina schimbarea radiatiei globale la scarS locals printr-un motel statistic pentru regiunea nord-vesticS a României (Fig. 1) În contextul schimbSrilor climatice. Datele de la statiile din afara regiunii studiate sunt analizate cu scopul de a avea valori si pe marginile regiunii. Relatia statistics Între radiatia globala si temperatura emisferei nordice este analizata prin intermediul nebulozitatii, nebulozitatea fiind considerata ca elementul meteorologic cu rolul cel mai important În modificarea radiatiei solare În atmosfera (Salby, 1996).

2. MODELUL STATISTIC

Având variabila W, care se afla Într-o functie indirecta cu variabila X prin intermediul variabilei Y: W{Y(X)}. Daca W(Y) si Y(X) sunt lineare si variatia δX a lui X nu este prea mare, atunci ambele functii se pot descrie prin relatii lineare În intervale relativ mici fata de starea initiala:

...

si

...

În continuare se determina coeficientul de regresie pentru radiatia solara (ca variabila W) ca variabila dependents si pentru nebulozitate (ca variabila Y) fiind variabila dependents de temperatura medie a emisferei nordice (variabila X). Astfel:

...

unde produsul derivatelor poate fiestimat prin produsul coeficientilor de regresie corespunzStori.

Relatia statistics dintre radiatia globalS si nebulozitate este calculatS cu metoda celor mai mici pStrate, iar pentru determinarea regresiei lineare Între parametrii regionali (nebulozitatea) si parametrii globali (temperatura) se adapteazS o metoda statistics de downscaling, si anume metoda variabilelor instrumentale.

Se da variabila dependents Y, În acest caz nebulozitatea, si una independents X, temperatura medie emisfericS. Pentru a defini coeficientul de regresie b ca dY/dX din ecuatia Y=Y0 + bX, se aplica metoda variabilelor instrumentale, metoda statistics aplicatS În climatologie de prima datS de Groisman et al. (Vinnicov, 1986). Ideea metodei este de a introduce o variabilS Z, care În cazul nostru va fisirul anilor (Mika, 2000), care trebuie sS se ÎndeplineascS urmStoarele criterii:

* non-zero corelatie cu variabila independents

* zero corelatie cu rezidualele variabilei independente

* lipsa corelatiei cu rezidualul regresiei În variabila independents

Parametrul b se calculeazS dupS formula:

...

Variabila instrumentals pentru nebulozitate este sirul anilor 1973-1996, 24 de ani cu o tendintS de ÎncSlzire (+0,021K/an), iar coeficientul de corelatie cu temperatura emisfericS este de 0,796 (Tabelul. 2).

Metoda variabilelor instrumentale are o deficients, si anume, nu este determinat intervalul de confidents pentru coeficientii de regresie, astfel nu se poate stabili intervalul de incertitudine pentru rezultatele obtinute.

3. PARAMETRIZAREA EFECTULUI DIFERITELOR TIPURI DE NORI ASUPRA RADIATIEI SOLARE

Elaborarea estimSrii de radiatie mai precise bazate pe diferite tipuri de nori, devine mult mai complicatS fatS de cazul nebulozitStii totale. DificultStile derivS din faptul cS În cazul norilor de tip diferit suprapunerea straturilor si statistica aparitiilor simultane a acestora ÎngreuneazS estimSrile cantitative si calitative, astfel si metodele de prelucrare a datelor de acest tip. Ele pot fiÎmbunStStite partial prin operarea În ansamblu, dar totodatS trebuie sS luSm În considerare faptul cS relatia dintre formarea diferitelor tipuri de nori nu este linearS (datoritS diferitelor conditii fizico-chimice cum sunt continutul de apS, structura, variatia zilnicS si anualS, etc.). Cunostintele mai aprofundate despre efectele exercitate separat si În ansamblu a diferitelor tipuri de nori asupra radiatiei presupun observatii specifice asupra fenomenelor atmosferice care trebuie sS fie omogene, sS reprezinte o perioadS mai lungS si sS fie simultane. În lipsa acestor observatii trebuie sS apelSm la metode mai generalizate si astfel mai imprecise.

Metoda folosita În acest studiu se bazeazS pe douS conditii initiale:

* se ia În considerare numai un singur tip de nor observat, ignorând posibilitatea suprapunerii a mai multor straturi

* coeficientul de transparenta a tipului de nor respectiv este determinat pe baza bibliografiei

Daca relatia dintre tipul respectiv si radiatia solara este lineara, se scrie formula:

...

unde: Go radiatia globala În conditia de cer senin

gi efectul nebulozitatii la nivelul i asupra radiatiei

ni gradul de acoperire cu nori la nivelul i.

În literatura nu se gasesc constante empirice stabilite pentru regiunea studiata, prin care s-ar putea transforma direct tendinta diferitelor tipuri de nori În trend de radiatie solara. Totusi exista parametrii referitori la coeficientul de transparenta (T) pentru diferite tipuri de nori. Chiar daca acesti parametrii nu indica modificarea radiatie prin difuzie duplicata (reflectie de suprafata si de nori), privind o relatie lineara dintre nori si radiatia globala, adica ignorând pierderile prin reflexie, putem considera G = G0 În timp senin, si G0 =T În caz de acoperire totala, din care deriva relatia:

...

prin urmare,

...

Valorile T pentru diferite tipuri de nori se gasesc În Tab.1 (Kondratiev, Binenco, 1984). Valorile ni sunt Înlocuite cu valorile de schimbari absolute ale nebulozitatii calculate prin metoda de downscaling.

4. SURSE DE DATE, MOD DE LUCRU

Datele de radiatie globala sunt derivate din imagini satelitare (METEOSAT, prima generatie) prin algoritmul HELIOSAT-1 (Hammer et al., 2003). Datele lunare au o rezolutie de 4.4x4.4 km recalculate pentru teritoriul respectiv, pentru perioada 1995-1996, În unitate de Wluna/m2.

Sursa de date a observatiilor de nebulozitate consta din arhiva "Extended Edited Cloud Reports Archive" (EECRA, Hahn si Warren, 1999). Regiunea este reprezentata de 37 statii meteorologice (Fig. 1), datele lunare de nebulozitate totala, Cumulus, Nimbostratus, Cirrus si Altostratus sunt exprimate În procente (100% fiind acoperirea totala) si se refera la perioada 1973-1996. Lipsa de date a fost completata prin regresie lineara cu datele statiilor cu corelatia cea mai strânsa.

Sirul de anomalii de temperatura (perioada de referinta 1960-1990) pentru emisferica nordica este elaborat si publicat de Jones et al (1994).

Interpolarea datelor punctuale de nebulozitate s-a efectuat cu software-ul IDRISI KILIMANDJARO prin metoda TIN, respectiv TINSURF. În final hartile obtinute au fost filtrate cu ajutorul modulului IMAGE PROCESSING-ENHANCEMENT al produsului IDRISI utilizând filtrul GAUSSIAN de 5x5 celule de trei ori.

5. RELATIA STATISTICA DINTRE RADIATIA GLOBALA SI NEBULOZITATE

Relatia statistics dintre radiatia globala si nebulozitate este caracterizata prin coeficientul de corelatie. Cu ajutorul programului SIG s-a efectuat o suprapunere a hartilor de radiatie globala obtinuta pe baza datelor satelitare (Fig. 2), si a hartilor de nebulozitate create prin interpolarea valorilor punctuale ale celor 37 de statii meteorologice (Fig. 3). Astfel se calculeaza corelatia si panta lineara dintre cele doua variabile (media anilor 1995-1996) luând În considerare fiecare pereche de pixeli cu aceeasi pozitie geografica. Corelatia negativa significanta la 95% explica faptul ca prin cresterea nebulozitatii se produce o scadere În fluxul radiatiei globale, si invers. Coeficientul de regresie lineara caracterizeaza variatia radiatiei globale În functie de nebulozitatea totala, care va filuata În calcul În etapa a treia a modelului statistic.

6. VARIATIA NEBULOZITATII ÎN FUNCTIE DE ÎNCALZIREA & EMISFERICA

În etapa a doua a studiului este calculata variatia nebulozitatii totale În, functie de Încalzirea emisferica cu 0,5K prin metoda variabilelor instrumentale. Parametrii folositi În metoda respectiva sunt prezentati În Tab. 2.

Variatia nebulozitatii totala În functie de o Încalzire cu 0,5K, este prezentata În Fig. 4 (perioada 1973-1996). Valorile sunt exprimate În procente absolute (100% reprezinta acoperirea totala cu nori). Pe teritoriul investigat apar schimbari cu semne negative si pozitive, iar În medie se constats a descrestere a nebulozitatii totale cu -3,35%. Se observa o descrestere mai pronuntata În partea vestica si sud-vestica a regiunii cu maximum -8,9%, iar În zona centrala si estica apar valori pozitive, care indica o mica crestere În nebulozitate, cu maximum +1,67% localizata În Muntii Apuseni.

În cadrul studiului s-a efectuat analiza separata pentru variatia diferitelor tipuri de nori În functie de Încalzire cu 0,5K (Tab. 3).

Variatia tipului de nori Altostratus (As) de-a lungul anului este caracterizata printr-o tendinta de descrestere, mai accentuata În lunile de primavara, iar diferente mai mari Între statii apar iarna si primavara. Norii de tip Cirrus (Ci) prezinta o tendinta generala de descrestere, mai accentuata În cursul iernii cu maximum -20,53%. Variatia norilor Cumulus (Cu) În conditia de o Încalzire de 0,5K arata un comportament aproape neschimbator, cu valori mai ridicate Înj perioada calda (primavara, vara) a anului. Nimbostratus (Ni) arata o tendinta negativa mai ales În perioada de primavara si de vara, ce indica si scaderea cantitatilor de precipitatie odata cu Încalzirea globala În regiunea studiata.

7. VARIATIA RADIATIEI GLOBALE PE BAZA NEBULOZITATII ÎN CONTEXTUL SCHIMBARILOR CLIMATICE

Obiectivul studiului de fata este de a estima variatia radiatiei globale În functie de Încalzirea emisferica cu 0,5K. În aceasta sectiune coeficientii de regresie determinate pe de o parte dintre radiatia globala si nebulozitate iar de pe alta parte dintre nebulozitate si temperatura medie emisferica, pe baza algoritmul metodei statistice descrise mai sus, se Înmulteste pentru a obtine variatia energiei solare În functie de Încalzirea emisferica.

Fig. 5 prezinta schimbarea anuala a radiatiei globale În procente relative (raportat la valoarea medie 1995-1996). Estimarea pe baza nebulozitatii totale indica o crestere În energia solara receptata de suprafata terestra, paralel cu Încalzirea de 0,5K cu valoarea maxima de 17,01%. Valori negative, adica descrestere În radiatia solara, caracterizeaza regiunile montane În partea estica a regiunii (Muntii Vladeasa).

8. EFECTELE DIFERITELOR TIPURI DE NORI ASUPRA RADIATIEI GLOBALE

Cunoscând efectele norilor asupra radiatiei solare, adica parametrul gi ,' -si, Înlocuind valoarea corespunzatoare de T se poate determina coeficientul (1-niT), care ne da de fapt numarul Înmultitor, cu ajutorul caruia se poate calcula variatia pa care o determina tipul respectiv de nori În regimul radiatiei globale.

Dupa efectuarea Înmultirii schimburilor procentuale a nebulozitatii (de fapt coeficientii de regresie) cu valorile T (Tab. 1), se obtin valorile care descriu schimbarile cantitative ale radiatiei globale, adica o estimare referitoare la influenta diferitelor tipuri de nori asupra variatiei radiatiei globale În paralel cu Încalzirea climei.

Variatia radiatiei globale indicata de cele patru tipuri de nori este prezentata În Fig. 6.

Cirrus indica o descrestere accentuata În radiatia globala În medie cu -3,06%, o descrestere mai slaba este indicata si de Alostratus. Variatia indicata de Cumulus se afla În domeniul pozitiv, iar distributia valorilor este uniforma În ambele domenii În cazul Nimbostratus (Fig. 6).

9. CONCLUZII

Estimarea radiatiei globale prin metode statistice În conditia Încalzirii climatice (+0,5K temperatura medie emisferica) indica o crestere În energia solara disponibila pe teritoriul nord-vestic al României. Existenta surplusului de energie solara este demonstrate prin tendinta de descrestere a nebulozitatii.

Se constata si o diferentiere spatiala longitudinals, cele mai ridicate valori sunt reprezentate pe partea sudica si vestica a regiunii, În câmpii si În dealurile mai joase. În munti se constats o crestere În nebulozitatea totala, astfel o reducere În radiatia globala.

În vederea studierii mai detaliate a relatiei dintre nebulozitate si radiatia globala este realizata analiza schimbarilor cantitative a diferitelor tipuri de nori si efectele acestora asupra radiatiei. O astfel de abordare a estimarii da rezultate mult mai aprofundate despre variatia radiatiei globale si În acelasi timp despre potentialul energiei solare, În primul rând deoarece privirea În ansamblu a nebulozitatii are riscul de a ignora comportamentul deosebit al diferitelor tipuri de nori, care separat exercita efecte semnificative asupra radiatiei. Cirrus introduce schimbarea cea mai accentuata asupra radiatie, max. -10,3%, iar schimbarile mai putin semnificative În radiatia globala sunt produse de Nimbostratus.

10. RECUNOASTERE

Autorii aduc multumiri Domnului Dr. Mika János, de la Institutul National de Meteorologie din Budapesta, Ungaria pentru ajutorul acordat În dezvoltarea metodei aplicate, iar pentru Doamna Anja Drews, de la Energy and Semiconductor Research Laboratory, University of Oldenburg, Oldenburg, Germania pentru furnizarea datelor de radiatie globala.

References

REFERENCES

1. Gilgen H., Wild M., Ohmura A., (1998), Means and trends of shortwave irradiance at the surface estimated from global energy balance archive data, J. Climate, 11, 2042-2061

2. Grimenes A., Thue-Hansen V., (2006), The reduction of global radiation in south-eastern Norway during the last 50 years, Theor. Appl. Climatol. 85, 37-40

3. Hahn C. J., Warren S. G., (1999), Extended Edited Synoptic Cloud Reports from Ships and Land Stations Over the Globe, 1952-1996, Internet publication and data http://cdiac.esd.ornl.gov/epubs/ndp/ndp026c/ndp026c.html

4. Hammer A., Heinemann D., Hoyer C, Kuhlemann R., Lorenz E., Müller R. W., Beyer H. G, (2003), Solar Energy Assessment Using Remote Sensing Technologies, Remote Sensing of Environment, 86, 423-432

5. Harison E.F., P. Minnis, B.R. Barkstrom, V. Ramanathan, R.D. Cess, G.G.Gibson, (1990), Seasonal variation of cloud radiative forcing derived from the earth Radiation Budget experiment. J. Geophys. res. 95, 18687-18703

6. Jones P.D., (1994), Hemispheric surface air temperature variations: a reanalysis and an update to 1993. J. Climate, 7, 1794-1802

7. Kondratiev K. Ya., Bineko, V. I., (1984), Effect of cloudiness on radiation and climate (In Russian: Vlijanzije oblacsnosytzi na radiaciju I klimat), Gidrometeoizdat, Leningrad, 240 o.

8. Liepert B. G., (2002), Observed Reductions in Surface Solar Radiation in the United States and Worldwide from 1961 to 1990, Geophys. Res. Lett. 29, no. 10

9. Lohmann S., Schillings C, Mayer B., Meyer R., (2006), Long-term variability of solar direct and global radiation derived from ISCCP data and comparison with reanalysis data, Solar Energy, 80, Issue 11, 1390-1401

10. Mika J., Bálint G, (2000), Rainfall scenarios for the Upper-Danube catchment, In: Proc. XXth Conf. Danubian Countries, Bratislava, Slovakia, 4-8 Sep., 2000. CD pp. 990-995

11. Pinker R. T., Zhang B., Dutton E. G., (2005), Do satellites detect trends in surface solar radiation?, Science, 308, 850-854

12. Salby L. M., (1996), Fundamentals of Atmospheric Physics, Academic Press, International Geophysics Series, vol. 61, San Diego

13. Stanhill G., Cohen S., (2001), Global dimming: a review of the evidence for a widespread and significant reduction in global radiation with discussion of its probable causes and possible agricultural consequences, Agric Forest Meteorol. 107, 255-278

14.Vinnikov K. Ya., (1986), Sensitivity of climate, Gidrometeoizdat, 219 p (In Russian)

15. Wild M., Gilgen H., Roesch A., Ohmura A., Long C. N., Dutton E. G., Forgan B., Kallis A., Russak V., Tsvetkov A., (2005): From dimming to brightening: decadal changes in solar radiation at Earth' surface, Science, 308, 847-850