Solstråling under arktiske forhold Udarbejdet på Danmarks Tekniske Universitet under Center for Arktisk Teknologi Udarbejdet af s032076 Katrine Flarup Jensen s031855 Diana Lauritsen Forsideillustrationerne stammer fra grønlandsturen august 2006
FORORD Dette polytekniske midtvejsprojekt (PMP) er udarbejdet af to studerende ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU), under Center for Arktisk Teknologi (kursus 11422). Projektet tager udgangspunkt i udnyttelse af solenergi under arktiske forhold, idet der under disse forhold forekommer stort potentiale for udnyttelse af solens energi. Dette skyldes behovet for opvarmning gennem hele året, således at både den tilgængelige solenergi i sommer- og vinterperioden med fordel kan udnyttes. Gennem dette projekt er der blevet lagt vægt på analysearbejde vedr. de mange faktorer som har indflydelse på solstrålingen, samt dennes refleksion. Dette analysearbejde er grundlæggende for fremtidig forståelse og optimering af solenergi under arktiske forhold. Gennem projektforløbet (januar 2006 - december 2006) har samarbejdet mellem gruppens deltagere fungeret upåklageligt, hvor begge har lige stor andel i projektets gennemførelse. Vi vil gerne rette en tak til vores vejledere, lektor Simon Furbo samt Ph-d studerende Elsa Andersen, som har været meget behjælpelige med tilrettelæggelse af projektet, samt ugentlig opfølgning af projektets udvikling. Vi ønsker endvidere at rette en tak til lektor Hans Lund, som har været en stor hjælp til forståelse af pyrheliometrets opbygning, drift og opstilling. Civilingeniør Bjarke Dahl-Madsen skal have tak for alt hans hjælp med programmering og opsætning af hhv. programmer og computer der skulle transporteres med til Grønland. Desuden har Jianhua Fan været en stor hjælp med udarbejdelsen af isokurver til illustrering af vinkelforhold. Asiaq har stået til rådighed for fremsendelse af alt foreliggende datamateriale, således at vi havde noget at starte projektet op på, og Ellen V. Laursen fra Asiaq har været yderst behjælpelig med klimadata og korrespondance pr. mail. Lektor Egil Borchersen, Ingeniørassistent Poul Linnert Christiansen og værkstedsmedarbejder Claus Reinholdt Jensen var en uvurderlig hjælp under feltarbejdet på Grønland. Egil reddede dagen og vores data, da alt ellers så håbløst ud, grundet tekniske problemer. Linnert og Claus hjalp med alt det praktiske vedr. opstilling og kørsel af teknisk udstyr - intet var en umulig opgave for dem. Vi siger tak til Niels Brock, for alt hans hjælp med digitale kort i Mapinfo. Udarbejdelsen af råmaterialet for skyggekortene, blev ligeledes foretaget i tæt samarbejde med Niels. Trods de mange forhindringer, idet ingen på forhånd vidste noget om skyggekort, opgav Niels ikke at hjælpe. Sidst, men ikke mindst vil vi gerne takke Center for Arktisk Teknologi og de ansatte for en uforglemmelig og mindeværdig tur til Sisimiut i august 2006.
RESUMÉ I dette projekt er der sat fokus på solstrålingen og dennes refleksion under arktiske forhold. Der er gennem projektet blevet bearbejdet et bredt spektrum af faktorer, der kunne tænkes at have indflydelse på den jordreflekterede stråling. Projektet er opdelt i en teoretisk analyse af foreliggende datamateriale, samt en korrigering af dette materiale, udført på baggrund af eksperimentelt arbejde i Grønland. Den teoretiske analyse omfatter en behandling af datasæt fra to måleår, stammende fra en klimastation opstillet i Sisimiut, Grønland. Herunder foretages en definering af solbestrålingsstyrke i hht. usikkerhed hæftet til horisontafskærmning, samt en definering af perioder med hhv. snedække og bar jord. Der foretages ligeledes en vurdering af hhv. solhøjde samt solpositionens indflydelse for reflekteret stråling under forhold med snedække og bar jord. Som grundlag for det eksperimentelle arbejde, foretages en teoretisk vurdering af vinkelforholdet fra pyranometer til jord således, at det område der ønskes kortlagt, indkredses. Korrigeringen af det foreliggende materiale blev udført på baggrund af en terrænkortlægning, og efterfølgende udarbejdelse af skyggekort. Ved kendskab til det teoretiske vinkelforhold samt skyggeandelen på jorden ved kendt solhøjde og solposition kunne denne korrigering foretages, hvilket medførte en forhøjelse af refleksionskoefficienten for jordreflekteret stråling. Det har gennem bearbejdelsen vist sig, at der under arktiske forhold, foreligger et stort potentiale for udnyttelse af solenergi, idet der, trods de mørke vinterperioder, forekommer en intensiv mængde solstråling, når solen viser sig på himlen. Det er efter udarbejdelse af dette projekt blevet klart, at man ved tanke på udnyttelse af solenergien, bør tage visse forbehold ved placering af en evt. solfanger. Det har vist sig, at det omkringliggende terræn spiller en væsentlig rolle for mængden af reflekteret stråling, og især har underlagets type betydning for andelen af reflekteret stråling. Det er fundet, at andelen af reflekteret stråling ved snedække kan nå op på 80 %, mens den reflekterede strålingsandel ved bart terræn udgør omkring 20 %. Under arktiske forhold forekommer der betydelige mængder nedbør, hvilket der også bør tages højde for, idet refleksionskoefficienten ændres væsentlig fra nyfalden sne til daggammelt sne. På baggrund af denne rapport, er det muligt at danne sig et overblik over hvilke parametre, der vil have betydelig indvirken på udnyttelsen af solstråling. Det skal dog nævnes at før et fuldendt overblik over potentialet for udnyttelse af solenergi under arktiske forhold ligger fast, bør der udarbejdes flere og mere dybdegående analyser, med baggrund i den grundlæggende viden, der her er blevet udarbejdet.
ABSTRACT Throughout this project, solar radiation and its reflection under Arctic conditions has been of main focus. A wide specter of parameters, with possible influences on the ground-reflected radiation has been investigated throughout this project. The project has been separated into a theoretical analysis of the existing data material and a correction of this material. This adjustment has been carried out on the foundation of experimental work performed in Greenland. The theoretical analysis includes an investigation of data sets from two years of measurement performed at a climate station located in Sisimiut, Greenland. A definition of irradiance level linked to the uncertainty of the horizon screening has been carried out and further, a definition of periods with ground-coverage of snow and no snow-coverage has been performed. This has formed the background for an evaluation of the influence of solar height as well as the position of the sun, with respect to ground-reflected radiation under the conditions of snow-coverage and no snow-coverage. A theoretical evaluation of the view factor from the pyranometer to the ground has been performed, to encircle the relevant area where detailed mapping of the terrain was required. The adjustment of the existing data material was carried out on basis of a terrain mapping performed in Greenland, followed by construction of maps illustrating the formation of shadows. With the knowledge of the theoretical view factor and the proportion of shadows on the ground at a known solar height and position of the sun, the albedo (reflection coefficient) for ground-reflected radiation has been adjusted. This resulted in an increase of the reflection coefficient. This project has resulted in a greater understanding of solar radiation under Arctic conditions. A great potential for utilization of the solar energy under these conditions has been found, despite the dark winter periods. After this work has finished, several lessons have been learned and it is advised, that considerations are made by placing, for instance a solar collector, to get the optimum utilization of the solar energy. The topography of the surrounding terrain has great influence on the amount of reflected radiation, and especially the type of ground-coverage holds great influence. It has been found, that the proportion of reflected radiation by ground-coverage of snow can reach up to 80 %, while the proportion of reflected radiation at no snow-coverage accounts for approx. 20 %. Substantial amounts of precipitation are seen under Arctic conditions, and this should be taken into consideration as well, as the proportion of reflected radiation is changed considerably from fresh snow to aged snow. In the view of the analyses carried out in this report, it is made possible to obtain an overview of the prerequisites that holds importance in order to achieve optimal utilization of the solar energy. It is necessary to mention, that in order to obtain a complete overview of utilization of solar energy under Arctic conditions, further and in-depth analyses, on basis of this fundamental knowledge, should be carried out.
Indholdsfortegnelse 1 Symbolliste... 6 2 Indledning... 8 3 Projektbeskrivelse... 9 3.1 Generelt... 9 3.2 Problemformulering... 9 4 Baggrund... 10 4.1 Sisimiut... 10 4.2 Beskrivelse af solhat, målinger mv.... 11 5 Teori... 14 5.1 Solstråling... 14 5.1.1 Direkte solstråling, Q direkte... 14 5.1.2 Diffus solstråling, Q diffus... 14 5.1.3 Reflekteret solstråling, Q reflekteret... 15 5.1.4 Globalstråling, G... 15 5.1.5 Totalstråling, Q total... 15 5.2 Omregning af datamateriale... 16 5.3 Vinkelforhold... 17 5.3.1 Baggrund for beregninger... 17 5.4 Bestemmelse af diffus stråling... 19 5.5 Bestemmelse af refleksionskoefficient... 21 6 Indledende behandling og vurdering af solstrålingsmålinger... 23 6.1 Månedlige solstrålingsstørrelser... 23 6.2 Gennemsnitlige dagsværdier pr. måned... 24 6.3 Sammenligning med klimanormaler og referenceår for solstråling... 27 6.4 Udvælgelse af eksisterende måleår... 29 7 Observationer i Sisimiut... 30 7.1 Beskrivelse af måleopstilling... 30 7.2 Kortlægning af topografi... 31 7.2.1 360 o billede fra solhatten... 31 7.2.2 Niveauforskel... 31 7.3 Vinkelforhold... 33 7.3.1 Teoretisk bestemmelse af vinkelforhold F fra pyranometer til jord... 33 7.4 Skyggeforhold... 40 7.4.1 skyggekort... 40 8 Databehandling... 42 8.1 Bestemmelse af refleksion fra diffus stråling... 42 Side 1 af 89
9 Dataanalyse af eksisterende målinger... 46 9.1 Grænse for solbestrålingsstyrke... 46 9.2 Ugyldige refleksionskoefficienter... 47 9.3 Sne vs. ikke sne... 47 9.4 Refleksionskoefficienter som en funktion af:... 50 9.4.1 Solazimut Fladeazimut (γ s -γ)... 50 9.4.1.1 Afvigende målinger, Ikke-sne, solhøjde 5 o -10 o... 54 9.4.1.2 Afvigende målinger, sne, solhøjde 5 o -10 o... 56 9.4.2 Solhøjde, α s... 58 9.4.3 Solazimut- Fladeazimut og Solhøjde... 63 9.4.4 Sneens alder... 67 9.4.5 Sammenfatning... 70 9.5 Kontrol af beregnede refleksionskoefficienter... 70 9.5.1 Sneperiode... 70 9.5.1.1 Korrigering af refleksionskoefficienten... 74 9.5.2 Ikke-sne periode... 76 9.6 Korrigering af refleksionskoefficienter på baggrund af skyggekort... 78 10 Diskussion... 86 11 Konklusion... 87 12 Referencer... 89 Bilag Logbog - Grønland, august 2006... Bilag 1 Mapleark- usikkerhed ved bestemmelse af diffus refleksionskoefficient... Bilag 2 Grafer af ρ som funktion af solazimut fladeazimut.... Bilag 3 Grafer over dage i ikke-sne perioden... Bilag 4 Grafer af ρ som funktion af solhøjde... Bilag 5 Grafer af hhv. ρ og s som funktion af solazimut-fladeazimut... Bilag 6 Side 2 af 89
Figurliste Figur 4-1 Kort over Grønland [5]... 10 Figur 4-2 Sisimiut- Vejrstation på Teleøen [6]... 11 Figur 4-3 Solhattens opbygning... 12 Figur 4-4 Et CM 11 pyranometer... 12 Figur 5-1 Illustrering af komponenterne i diffus stråling [3]... 15 Figur 5-2 Illustrering af begreberne vedr. solhøjde, solazimut mm. [3]... 16 Figur 5-3 Definition af a, b og c til beregning af vinkelforhold [1]... 17 Figur 5-4 Definition af afstandene a, b og c til beregning af vinkelforhold fra pyranometer til jorden.... 18 Figur 5-5 Bestemmelse af direkte stråling, Q direkte... 19 Figur 5-6 Bestemmelse af reflekteret stråling på lodret, Q refl, pyr, lodret... 20 Figur 6-1 Globalstrålingen, G, pr. måned for 2004 og 2005... 23 Figur 6-2 Gns. Dagsværdier for globalstrålingen, G, pr. måned i 2004 og 2005... 24 Figur 6-3 Den gennemsnitlige dagsværdi for total- og globalsolstråling pr. måned i 2004 og 2005.... 25 Figur 6-4 Den gennemsnitlige dagsværdi for jordreflekteret stråling pr. måned i 2004 og 2005.... 26 Figur 6-5 Temperaturforløb gennem året... 27 Figur 6-6 Nedbør gennem året... 28 Figur 6-7 Globalstråling for 2004 og 2005, sammenholdt med referenceår... 28 Figur 7-1 Målingsopstilling i Sisimiut, 2006.... 30 Figur 7-2 360 o s billede rundt om solhatten... 31 Figur 7-3 Luftfoto af omgivelserne rundt om bakken hvor solhatten er placeret... 32 Figur 7-4 Terrænet omkring solhatten... 32 Figur 7-5 Terrænet af den bakke, som solhatten er placeret på... 33 Figur 7-6 Pyranometer- afstandene a og b.... 33 Figur 7-7 Beregningsbånd for F ved konstant a.... 34 Figur 7-8 Vinkelforholdet F for et bånd vinkelret på pyranometret, b som variabel... 34 Figur 7-9 Beregningsbånd for F ved konstant b.... 35 Figur 7-10 Vinkelforholdet F for et bånd parallelt med pyranometret, a som variabel... 36 Figur 7-11 Beregningsbånd for F med sammenlignelig afstand a, og varierende afstand b.... 36 Figur 7-12 Beregning af vinkelforholdet F pyranometer->jord.... 37 Figur 7-13 Beregnet vinkelforhold F fra pyranometer til jord for a [-10;10]m og b[0;10]m... 38 Figur 7-14 Beregnet vinkelforhold F fra pyranometer til jord for a [-10;10]m og b[0;20]m... 39 Figur 7-15 Eksempel på skyggekort, når solen står i syd og α s =27,5 o... 41 Figur 8-1 Stråling for dag 226, 227 og 228 i tidsintervallet [7;11] lokal vintertid... 43 Figur 8-2 for diffus stråling som funktion af tiden (lokaltid, vinter) for dag 226, 227 og 228... 43 Side 3 af 89
Figur 8-3 Min. og max. værdier af refleksionskoefficient for diffus stråling.... 45 Figur 9-1 viser antal solskinsdage i januar ved forskellige solbestrålingsstyrker, G [W/m 2 ]... 46 Figur 9-2 Definition af sne/ikke-sne perioder. Nord... 48 Figur 9-3 Definition af sne/ikke-sne perioder. Syd... 48 Figur 9-4 Definition af sne/ikke-sne perioder. Øst... 49 Figur 9-5 Definition af sne/ikke-sne perioder. Vest... 49 Figur 9-6 Illustration af γ s -γ når solen står stik syd.... 51 Figur 9-7 Ikke-sne: α s [25 o ;30 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position)... 51 Figur 9-8 Sne: α s [25 o ;30 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position)... 52 Figur 9-9 Illustration af refleksion i sne-periode... 52 Figur 9-10 Illustration af refleksion i ikke-sne-periode... 53 Figur 9-11 Ikke-sne: α s [5 o ;10 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position)... 54 Figur 9-12 Ikke-sne: α s [5 o ;10 o ], afvigende målinger... 55 Figur 9-13 Sne: α s [5 o ;10 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position)... 56 Figur 9-14 Sne: α s [5 o ;10 o ], afvigende målinger... 57 Figur 9-15 Dag 155, ikke-sne. Solstråling som fkt. af tiden. Illustrering af afskærmning i ca. 77 o solazimut 58 Figur 9-16 viser principopdelingen ved numerisk azimutforskel (her mellem 20 o & 40 o )... 59 Figur 9-17 Refl.koeff. (ρ) ved IKKE SNE som funktion af α s når 20 o γ s -γ <40 o... 59 Figur 9-18 Refleksiosnsmønster for ikke sne ved lave solhøjder... 60 Figur 9-19 Refleksionsmønster for ikke-sne ved høje solhøjder... 60 Figur 9-20 Refl.koeff. (ρ) ved SNE som funktion af α s når 20 o γ s -γ <40 o... 61 Figur 9-21 Refleksionsmønster for sne ved lave solhøjder... 61 Figur 9-22 Refleksionsmønster for sne ved høje solhøjder... 62 Figur 9-23 Refl.koeff. (ρ) ved IKKE SNE som funktion af α s når 160 o γ s -γ <180 o... 62 Figur 9-24 Refl.koeff. (ρ) ved SNE som funktion af α s når 160 o γ s -γ <180 o... 63 Figur 9-25 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i sne-perioden.... 64 Figur 9-26 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i sne perioden, dag 70... 64 Figur 9-27 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i sne perioden, dag 90.... 65 Figur 9-28 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i ikke-sne perioden.... 66 Figur 9-29 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i ikke-sne perioden, dag 155.... 66 Figur 9-30 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i ikke-sne perioden, dag 248.... 67 Figur 9-31 Refleksionskoefficient som funktion af sneens alder [2]... 68 Figur 9-32 ref.koeff. for Ts [11:30;12:30] over sneperioden sammenholdt med temperatur og nedbørsdata. 69 Figur 9-33 Opsummering af totalstråling for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved sne... 71 Figur 9-34 Opsummering af for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved sne... 71 Side 4 af 89
Figur 9-35 Opsummering af for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved sne, dag 89... 72 Figur 9-36 Opsummering af for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved sne, dag 90... 73 Figur 9-37 Opsummering af for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved sne, dag 91... 73 Figur 9-38 Illustration af vinklerne og... 74 Figur 9-39 Angivelse af antaget terrænhældning 360 o om solhatten... 75 Figur 9-40 Terrænets hældning med vandret når =1... 75 Figur 9-41 Grafisk afbildning af terrænets hældning når =1... 76 Figur 9-42 Opsummering af totalstråling for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved ikke sne... 77 Figur 9-43 Opsummering af for nord/syd og øst/vest ved 25 o <= s <30 o ved ikke-sne... 78 Figur 9-44 Skyggekort: Solen er placeret i øst med α s =27,5 o... 79 Figur 9-45 Skyggekort: Solen er placeret i syd/øst med α s =27,5 o... 79 Figur 9-46 Skyggekort: Solen er placeret i syd med α s =27,5 o... 80 Figur 9-47 Skyggekort: Solen er placeret i syd/vest med α s =27,5 o... 80 Figur 9-48 Skyggekort: Solen er placeret i vest med α s =27,5 o... 80 Figur 9-49 Korrigeret ρ for SNE-periode, α s =[25 o ;30 o ]. Lyskilde placeret i solazimut= 0 o... 82 Figur 9-50 Korrigeret ρ for IKKE-SNE, α s =[25 o ;30 o ]. Lyskilde placeret i solazimut= - 45 o... 83 Figur 9-51 Korrigeret ρ for IKKE-SNE, α s =[25 o ;30 o ]. Lyskilde placeret i γ s = 0 o... 83 Figur 9-52 Korrigeret refleksionskoefficient for IKKE-SNE, α s =[25 o ;30 o ]. Lyskilde placeret i γ s = 45 o... 84 Figur 9-53 Korrigeret ρ for IKKE-SNE, α s =[25 o ;30 o ]. Lyskilde placeret i γ s = 90 o... 84 Tabelliste Tabel 5.1.1-1 Egenskaberne for solhattens 9 pyranometre... 12 Tabel 5.3.1-1 Kalibreringskonstanter for pyranometrene... 30 Tabel 7.3.1-1 Den %-vise fordeling af vinkelforholdet, F pyranometer->jord, for a [-10;10]m og b[0;20]m... 39 Tabel 9.5.2-1 Angivelse af retning for korrigering af refleksionskoefficient... 79 Tabel 9.5.2-2 %-vise nedsættelse af F pyranometer->jord, grundet skygger.... 81 Side 5 af 89
1 SYMBOLLISTE a Afstand relateret til vinkelforhold [m] b Afstand relateret til vinkelforhold [m] c Afstand relateret til vinkelforhold [m] F Vinkelforhold [-] F 12 Vinkelforhold fra flade 1 til flade 2 [-] F jord lodret Vinkelforhold fra jord til lodret [-] F pyr himmel Vinkelforhold fra pyranometer til himmel [-] F pyr lodret Vinkelforhold fra pyranometer til lodret [-] F pyranometer jord Vinkelforhold fra pyranometer til jord [-] G Globalstråling [W/m 2 ] G r Reflekteret stråling [W/m 2 ] T j Tidsekvation [min] T s Sand soltid [h] s s Usikkerhed for korrekt solhøjde [-] s Qdiffus Usikkerhed ved bestemmelse af diffus stråling [-] s Qdirekte,pyr Pyranometerusikkerhed ved måling af direkte stråling [-] s Qglobal Pyranometerusikkerhed ved måling af globalstråling [-] s Qtotal Pyranometerusikkerhed ved måling af totalstråling [-] Q diffus Diffus stråling [W/m 2 ] Q diffus, pyr Diffus stråling bestemt for pyrheliometret [W/m 2 ] Q direkte Direkte stråling [W/m 2 ] Q direkte,pyr Direkte stråling målt af pyrheliometret [W/m 2 ] Q total Totalstråling [W/m 2 ] Q total,pyr Totalstråling målt af pyrheliometret [W/m 2 ] Q reflekteret Reflekteret stråling [W/m 2 ] Q refl,pyr Reflekteret stråling bestemt for pyrheliometret [W/m 2 ] Q refl,pyr,lodret Reflekteret stråling på lodret, bestemt ud fra pyrheliometrets målinger [W/m 2 ] X Afstand relateret til vinkelforhold [m] Y Afstand relateret til vinkelforhold [m] s Solhøjde [ o ] Side 6 af 89
Vinkel mellem normalerne af pyranometret der måler globalstråling, [ o ] og pyranometret der måler reflekteret stråling. Vinkel fra lodret til skrå terrænflade [ o ] Deklination [ o ] Fladeazimut [ o ] s Solazimut [ o ] Indfaldsvinkel [ o ] z Zenitvinkel [ o ] Refleksionskoefficient [-] diffus Refleksionskoefficient for diffus stråling [-] Timevinkel [ o ] Sum af [-] nord/syd Sum af for syd og nord [-] øst/vest Sum af for øst og vest [-] Side 7 af 89
2 INDLEDNING I dag sættes der mere og mere fokus på alternative energikilder, herunder solvarme. Under arktiske forhold, har det hidtil ikke været udbredt at udnytte solenergien, idet der forekommer så ekstreme klimaændringer hen over året. På trods at de lange og mørke vinterperioder, viser det sig at der på årsbasis forekommer næsten samme antal soltimer under arktiske forhold som f.eks. i Danmark. Det er denne iagttagelse der har sat gang i undersøgelserne vedr. solstråling under arktiske forhold, og gjort forskere opmærksomme på at der muligvis foreligger et stort potentiale i solvarme under disse forhold. Der er tidligere blevet opsat et solfangeranlæg på kollegiebygningen ved Bygge- og anlægsskolen (Sanaartonermik Illiniarfik) i Sisimiut, men der er ikke blevet foretaget analyser af, hvilke faktorer der har indflydelse på solstrålingen under arktiske forhold. På Teleøen i Sisimiut blev der i midten af 2003 opstillet en såkaldt solhat, bestående af 9 pyranometre, som skulle registrere solstrålingen på vandret, samt på lodret i de fire verdenshjørner. Derudover skulle solhatten måle den jordreflekterede stråling i de fire verdenshjørner. Registreringen fra denne solhat, som vil blive beskrevet yderligere i afsnit 4.2, har nu kørt uden større problemer i næsten 3 år. Ved starten af dette projekt foreligger der måledata fra år 2004 og 2005, hvilket er de to år, der danner grundlag for resten af projektet. Først ønskes en generel behandling af de to dataår. Det sker ved at sammenholde klimadata for hvert år med hhv. referenceår for solstråling samt klimanormaler. Derefter foretages en bearbejdning af strålingsmålingerne, således at der opnås en dybere forståelse af refleksionskoefficientens afhængighed af solens position horisontalt og vertikalt (azimutforskel og solhøjde), samt årstiden (sne/ikke-sne). Ved denne bearbejdning af de eksisterende data vil det være nødvendigt at tage hensyn til horisontafskærmning samt definere sikre perioder, hvor der forefindes hhv. sne og ikke-sne. En nøjagtig kortlægning af det område hvor dataene registreres er desuden nødvendig, for at der kan skabes et generelt billede af solstrålingen under arktiske forhold. Derfor skal vinkelforhold fra pyranometrene til omgivelserne fastlægges og et skyggekort over området ved forskellige solhøjder og varierende solazimut udarbejdes. Under feltarbejde i Grønland måles den direkte stråling i solens retning, samt totalstrålingen i samme retning. Dernæst sammenkobles disse målinger, med det foreliggende datamateriale fra solhatten til en vurdering af den diffuse strålings andel. Med den omfattende analyse af de eksisterende data som baggrund, vil det være muligt at korrigere refleksionskoefficienternes værdi mht. de lokale topografiforhold. Derved opnås et mere generelt billede af solstrålingens refleksion under arktiske forhold. Side 8 af 89
3 PROJEKTBESKRIVELSE 3.1 GENERELT Formålet med dette projektarbejde er at bidrage til en bedre forståelse af solstråling under arktiske forhold. På Asiaq s klimastation 515 i Sisimiut, Grønland, er der siden midten af 2003 foretaget målinger af solstrålingen, således at der foreligger 5-min s målinger for hele 2004 og 2005. Der er foretaget målinger af globalstrålingen (den direkte stråling + diffus stråling) på vandret, totalstråling på lodret fra de 4 verdenshjørner samt reflekteret stråling på lodret fra de 4 verdenshjørner. På baggrund af disse datasæt foretages der undersøgelser af vejrforholdenes indvirkning på refleksionskoefficienternes værdi. Det er nødvendigt at lave et grundigt forarbejde, før vejrforholdenes indvirkning på refleksionskoefficienten kan fastsættes. 3.2 PROBLEMFORMULERING Potentialet for udnyttelse af solens energi i arktiske regioner, er stadig ikke fuldt klarlagt. Derfor er det yderst aktuelt at foretage undersøgelser af solstrålingen under arktiske forhold. Da dette projekt strækker sig over to semestre, er det nødvendigt at begrænse arbejdet og fokus er derfor rettet mod analysearbejdet bag den endelige vurdering for solenergiens potentiale under arktiske forhold. Projektet vil være opdelt i en teoretisk analyse af foreliggende datamateriale, samt en korrigering af dette materiale, på baggrund af eksperimentelt arbejde udført i Grønland. Følgende områder vil på baggrund af dette blive belyst: Årstidernes indvirkning på terrænets refleksion af solstrålingen. o Herunder behandles vejrforholdenes indvirken i form af sne/ikke sne. Refleksionskoefficientens afhængighed af: o Solhøjden, α s o Solens position (solazimut), γ s o Topografien. Herunder undersøges også: De teoretiske vinkelforhold Skyggeforhold Side 9 af 89
4 BAGGRUND Der gives et kort overblik over Sisimiut, set i forhold til beliggenhed, omfang, klima osv. Dernæst beskrives solhatten, samt de målinger som denne registrerer. 4.1 SISIMIUT Sisimiut er beliggende på Grønlands vestkyst, 100 km nord for Polarcirklen, illustreret med rødt på Figur 4-1. Mere specifikt på følgende position: Længdegrad = 53,69 o Nord Breddegrad = 66,94 o Vest Med denne beliggenhed har Sisimiut et arktisk klima, hvor temperaturerne spænder fra 35 o C om vinteren til +20 o C om sommeren. Sisimiut er Grønlands næststørste by med omkring 5000 indbyggere, bosat i Sisimiut by, Sisimiut kommune indbefatter udover selve byen, endvidere de tre bygder, Itilleq, Sarfannguaq og Kangerlussuaq, hvor der sammenlagt er bosat yderligere ca. 1000 mennesker. Figur 4-1 Kort over Grønland [5] Hovederhvervet i Sisimiut er fiskeri, og Grønlands største Royal Greenland fiskefabrik er bl.a. beliggende i Sisimiut havn. Side 10 af 89
Der foregår et tæt samarbejde mellem Bygge-og Anlægsskolen i Sisimiut, Sanaartornermik Ilinniarfik og DTU, der har til hovedformål, at skabe mulighed for teknologiudvikling med fokus på anvendelse i de Arktiske Regioner. Nøgleord i denne sammenhæng er bæredygtighed, energiudnyttelse og miljø. Dette samarbejde har bl.a. resulteret i Grønlands Innovationscenter, der skal bruges som et aktivitetshus for udvikling af arktisk teknologi. Innovationscentret er beliggende i Sisimiut, men skal være et hus der er åbent for initiativtagere fra hele Grønland. Se evt. mere på: www.greenland-innovation.com om Grønlands Innovationscenter www.arktiskcenter.gl om Artek, Center for Arktisk Teknologi. Gennem projekter udført på Artek er der opsat 2 solvarmeanlæg i Sisimiut. Det er muligt at følge drift og forbrug on-line på www.arcticsolar.com. 4.2 BESKRIVELSE AF SOLHAT, MÅLINGER MV. Asiaq i Grønland (svarende til Danmarks Metrologiske Institut), foretager målinger på mange klimastationer i flere grønlandske byer. Klimastation 515 er placeret på Teleøen i Sisimiut, hvor der gennem flere år er blevet målt vindretning, vindhastighed, nedbør osv., angivet som Weather station på Figur 4-2. Figur 4-2 Sisimiut- Vejrstation på Teleøen [6] Udover de instrumenter der foretager de traditionelle målinger, blev der i 2003 opstillet en såkaldt solhat. Idéen med solhatten er at måle solstråling. Solhatten er konstrueret med 9 pyranometre, der hhv. måler globalstråling, lodret totalstråling i de fire verdenshjørner, samt refleksionen i de fire verdenshjørner. På Figur 4-3 ses opbygningen af solhatten, og i Tabel 5.1.1-1 ses en kort listning over de 9 pyranometres egenskaber. Desuden ses opbygningen af et pyranometer på Figur 4-4. Side 11 af 89
Figur 4-3 Solhattens opbygning Tabel 5.1.1-1 Egenskaberne for solhattens 9 pyranometre Model Usikkerhed: Globalstråling, G CM11 2 % Totalstråling syd CM3 4-5 % Totalstråling vest CM3 4-5 % Totalstråling nord CM3 4-5 % Totalstråling øst CM3 4-5 % Reflekteret syd CM3 4-5 % Reflekteret vest CM3 4-5 % Reflekteret nord CM3 4-5 % Reflekteret øst CM3 4-5 % Figur 4-4 Et CM 11 pyranometer Side 12 af 89
Målingerne bliver foretaget som øjebliksværdier af solstrålingsintensiteten hvert 5. minut året rundt. De opsamlede data registreres direkte på en computer i Nuuk, og opdateres konstant på Internettet, hvor de ligger til fri afbenyttelse på www.asiaq.gl/public. Målingerne fra solhatten gør det muligt at bestemme, hvor stor en andel af den totale indkomne solstråling der reflekteres, hvilket betegnes refleksionskoefficienten. Refleksionskoefficienten, som er beskrevet i afsnit 5.5, kan have værdier fra 0 til 1. En refleksionskoefficient på 1 betyder, at alt indkommen solstråling er blevet reflekteret fra jorden og omgivelserne, hvilket dog i praksis er sjældent. Det er terrænets topografi og overflade, der har indflydelse på refleksionskoefficienten. Det er endvidere muligt at bestemme solens position til et hvert tidspunkt, hvilket er nyttigt ved bestemmelse af solstrålernes refleksionsmønster her skelnes der mellem fremadrettet eller tilbagerettet refleksion. Dette behandles i afsnit 9.4.1. Solhatten er placeret på et meget ujævnt terræn, hvilket igen har indflydelse på refleksionsmålingerne. Dette vil der blive set nærmere på i det senere arbejde. Al bearbejdning af målinger fra solhatten, benyttes til bestemmelse af refleksionen fra terræn, både med og uden snedække. Side 13 af 89
5 TEORI De anvendte begreber i projektet er i dette afsnit beskrevet, således at der i det følgende ikke stilles tvivlspørgsmål vedr. disses betydning. Der bliver endvidere foretaget en kort gennemgang af samtlige beregningsmetoder, som senere vil blive benyttet. 5.1 SOLSTRÅLING Solstrålingen på jorden opdeles i flere komponenter. Dette skyldes, at solstrålingen passerer atmosfæren og spredes, således at denne derfor udgøres af både direkte, diffus og reflekteret solstråling. Før solstrålingen passerer atmosfæren kan effekten af solstrålingen vinkelret på strålingen, gennemsnitligt måles til 1367 W/m 2 + 3 %. Denne værdi kaldes solkonstanten. Solbestrålingsstyrken målt på jorden afhænger af lokalitet for måling, da den luftmasse, som solstrålingen skal passere har indflydelse på intensiteten af strålingen. Ligeledes har vejrforholdene stor betydning for den målte solstråling, idet skydække influerer, hvor meget solstrålingen spredes i atmosfæren. 5.1.1 DIREKTE SOLSTRÅLING, Q DIREKTE Den direkte solstråling målt på jorden, er den solstråling der kommer direkte fra solskiven, uden at blive spredt i atmosfæren. Værdien af den direkte solstråling på jorden afhænger af graden af skydække på himlen, og kan antage 0 W/m 2, hvis det er helt overskyet. 5.1.2 DIFFUS SOLSTRÅLING, Q DIFFUS Den diffuse solstråling dækker over den solstråling, der spredes når solstrålingen passerer atmosfæren. Den diffuse stråling inddeles i yderligere 3 bidrag, jf. Figur 5-1: Isotropisk stråling fra himmelhvælvingen. o Kontinuert stråling fordelt over himlen. Circumsolar diffus stråling o Koncentreret stråling i et område omkring solskiven. Diffus stråling fra horisonten, Horizontal brightening. o Koncentreret ved horisonten, mest udtalt ved klart vejr. Side 14 af 89
Figur 5-1 Illustrering af komponenterne i diffus stråling [3] 5.1.3 REFLEKTERET SOLSTRÅLING, Q REFLEKTERET Når solstrålingen rammer jorden, vil en andel af både den direkte og diffuse stråling reflekteres. Andelen af reflekteret stråling afhænger af solstrålingens indfaldsvinkel og jordens underlag. Refleksionskoefficienten for reflekteret stråling kan antage værdier fra 0 til 1, og angiver, hvor meget af den indkomne stråling der reflekteres af den aktuelle overflade. En refleksionskoefficient på 1 vil svare til et spejl der reflekterer al solstråling, men i praksis ligger værdien for refleksionskoefficienten mellem 0,2 for græs og 0,8 for nyfalden sne, jf. [3]. 5.1.4 GLOBALSTRÅLING, G Globalstrålingen måles på en vandret overflade, og består af bidrag fra både den direkte og den diffuse solstråling. G Q Q direkte diffus 5.1.5 TOTALSTRÅLING, Q TOTAL Totalstrålingen måles på en skrå flade, og består derfor af bidrag fra den direkte solstråling, den diffuse solstråling samt den jordreflekterede solstråling. Q total Q direkte Q diffus Q reflekteret Side 15 af 89
5.2 OMREGNING AF DATAMATERIALE For at kunne benytte de registrerede data fra solhatten, er det nødvendigt at gennemgå en del beregninger undervejs, som alle er foretaget jf. [3]. Som forudsætning for samtlige beregninger, antages det, at de solstråler der rammer jorden er parallelle. Denne antagelse skyldes den store afstand mellem Jorden og solen. Det er vigtigt at pointere at det oplyste dataformat fra solhatten, svarer til lokal vintertid for Sisimiut. Ved analysen benyttes de listede begreber herunder. For beregningsmetoder og teori henvises til [3]. Deklinationen, [ o ] Tidsekvationen, T j [min] Sand soltid, T s [h] Timevinkel, [ o ] Indfaldsvinkel, [ o ] Zenitvinkel, z [ o ] Solhøjden, s [ o ] Solazimut, γ s, [ o ] Fladeazimut, γ, [ o ] På Figur 5-2 illustreres det, hvorledes de forskellige begreber vedr. solen, er placeret i forhold til hinanden. Figur 5-2 Illustrering af begreberne vedr. solhøjde, solazimut mm. [3] I det følgende arbejde, vil begreberne ofte blive nævnt ved symbol. Side 16 af 89
5.3 VINKELFORHOLD For at kunne begrunde dataenes udfald, fra solhatten i Sisimiut og forklare evt. afvigende målinger, er det vigtigt at kortlægge det omkringliggende terræn. Terrænet bør kortlægges således, at det er muligt at foretage en vurdering af mulige forhindringer for solstrålingen, refleksionen osv. For ikke at skulle kortlægge hele terrænet i Sisimiut, er det vigtigt at lokalisere hvilket område der har relevans, altså hvor stort et område, solhatten i virkeligheden er i stand til at se. Dette gøres ved at beregne det teoretiske vinkelforhold fra solhatten til jorden. 5.3.1 BAGGRUND FOR BEREGNINGER Vinkelforholdet fra solhatten til jorden, beregnes ud fra følgende grundformel, jf, betegnelserne på Figur 5-3: hvor, F 12 1 Arc tan X 2 1 1 Y 2 Arc tan X 1 Y 2 a X og c b Y c Figur 5-3 Definition af a, b og c til beregning af vinkelforhold [1] Denne relation er gældende for en differentiel flade da 1 vinkelret på den rektangulære flade 2. Figur 5-4 viser, hvorledes afstandene a, b og c defineres. Da beregningsmetoden til bestemmelse af vinkelforholdet forudsætter, at underlaget er plant, holdes afstanden c konstant på 2,1 m, der angiver pyranometrets højde over terræn. Side 17 af 89
Figur 5-4 Definition af afstandene a, b og c til beregning af vinkelforhold fra pyranometer til jorden. Side 18 af 89
5.4 BESTEMMELSE AF DIFFUS STRÅLING På baggrund af de foretagne målinger i Sisimiut, august 2006, kan andelen af den diffuse stråling samt refleksionen af denne bestemmes, hvilket bliver gjort i afsnit 8. Målinger fra den eksisterende solhat og det opstillede pyrheliometer sammenkædes og bruges til at adskille den diffuse stråling fra totalstrålingen. Den globale stråling på vandret plan, G, der måles på solhatten, udgøres af bidrag fra den direkte og diffuse stråling: G Q Q direkte diffus Den direkte stråling måles af pyrheliometret, der følger solen med solhøjden s. Den direkte stråling på et vandret plan, Q direkte, kan derfor udtrykkes ved den målte direkte solstråling i pyrheliometrets retning, Q direkte, pyr : Figur 5-5 Bestemmelse af direkte stråling, Q direkte, defineret jf. Figur 5-5 ved: Q direkte Q direkte pyr, sin s Herved kan den diffuse stråling på vandret plan, Q diffus, bestemmes: Qdiffus G Qdirekte, pyr sins Herefter kan andelen af diffus stråling i pyrheliometrets retning bestemmes, og derved i solens retning. Pyranometret der måler totalstråling i solens retning, kan kun se en vis andel af himlen, hvilket afhænger af solhøjden. Vinkelforholdet fra pyranometer til himlen, F pyr->himmel, der angiver hvor meget af himlen pyranometret kan se defineres: F pyr himmel hvor o 90 1 1 cos 2 s Side 19 af 89
Dette betyder, at når: s =90 o F pyr->himmel =1 Dette angiver, at pyranometret ser hele himlen. s =0 o F pyr->himmel =0,5 Dette angiver, at pyranometret kun er i stand til at opfange stråling fra halvdelen af himlen, når solen netop når horisonten. Den diffuse stråling i pyrheliometrets retning bestemmes vha. vinkelforholdet F pyr->himmel og den beregnede diffuse stråling på et vandret plan: Q F Q diffus, pyr pyrhimmel diffus 1 1 cos Q 2 Det er nu muligt, at bestemme andelen af den reflekterede stråling i pyrheliometrets retning. Dette er nødvendigt, for dels at kontrollere målingernes korrekthed og dels for at muliggøre en bestemmelse af den diffuse strålings refleksion. Den reflekterede stråling i pyrheliometrets retning: diffus Q Q Q Q refl, pyr total, pyr direkte, pyr diffus, pyr For at sammenholde målinger af reflekteret stråling foretaget af solhatten med den beregnede reflekterede stråling Q refl, pyr, er det nødvendigt at transponere den reflekterede stråling i pyrheliometrets retning, Q refl, pyr til vandret. Denne strålingsmængde betegnes Q refl, pyr, lodret, da dette angiver den reflekterede stråling målt med et vertikalt pyranometer, jf. Figur 5-6. Figur 5-6 Bestemmelse af reflekteret stråling på lodret, Q refl, pyr, lodret Vinkelforholdet for pyranometret rettet mod solen til jorden, der benyttes til at beregne den reflekterede stråling målt vertikalt, angives: 1 Fpyranometerjord 1 Fpyrhimmel 1 cos 2 o 90 s Side 20 af 89
Dette betyder, at når: s =90 o F pyranometer->jord =0 Dette angiver, at pyranometret ser hele himlen. s =0 o F pyranometer->jord =0,5 Dette betyder, at når pyranometret er lodret, kan det se halvdelen af jorden, jf. pyranometrets halve kuppelform. Andelen af reflekteret stråling på et vertikalt plan kan herved beregnes. Den reflekterede stråling opfanget af pyranometret der er rettet mod solen, transponeres først til vandret vha. vinkelforholdet F pyranometer->jord. Denne reflekterede stråling svarer nu til, hvad der kan opfanges af et vandret pyranometer. Sammenligningen af beregnet og målt reflekteret stråling udføres vertikalt, og derfor transponeres den reflekterede stråling til lodret. Vinkelforholdet mellem vandret og vertikalt er 0,5, jf. afsnit 5.5. Den reflekterede stråling målt i solhøjden s transponeres derfor til lodret ud fra forholdet mellem F pyranometer->jord og F jord->lodret. Q jord lodret refl, lodret refl, pyr Fpyranometer jord ½ ½ 1cos F 1 1 cos Q Q Q refl, pyr refl, pyr 5.5 BESTEMMELSE AF REFLEKSIONSKOEFFICIENT Den generelle formel til bestemmelse af reflekteret stråling: G r 1 cos G 2 Formel 1, hvor = Vinkel mellem normalerne af pyranometret der måler globalstråling og pyranometret der måler reflekteret stråling. G r = den reflekterede solbestrålingsstyrke i den ønskede retning [W/m 2 ] G = den globale solbestrålingsstyrke [W/m 2 ] Ved bestemmelse af refleksionskoefficienterne, ρ, for de foreliggende data målt af solhatten, benyttes følgende formel: Side 21 af 89
2Gr G Formel 2 Idet = 90 o i dette tilfælde. Side 22 af 89
6 INDLEDENDE BEHANDLING OG VURDERING AF SOLSTRÅLINGSMÅLINGER For at der kan dannes et overordnet overblik over solstrålingens størrelse under arktiske forhold, behandles det foreliggende datamateriale, og der foretages sammenligning af de månedlige solstrålingsstørrelser samt de gennemsnitlige dagsværdier af stråling og refleksion mht. referenceår og klimanormaler. Fra målestationen i Sisimiut, som måler følgende observationer, foreligger der målinger i 5-min. intervaller fra årene 2004 og 2005.: Globalstråling, [W/m 2 ] Totalstråling fra de fire verdenshjørner, [W/m 2 ] Refleksionen fra de fire verdenshjørner [W/m 2 ] Målingerne foretages af en solhat, der består af 9 pyranometre, se Figur 4-3. 6.1 MÅNEDLIGE SOLSTRÅLINGSSTØRRELSER 5-min. s værdierne for 2004 og 2005 summeres månedsvis, og omregnes fra W/m 2 til enheden kwh/m 2 /måned, som er illustreret på Figur 6-1. Figur 6-1 Globalstrålingen, G, pr. måned for 2004 og 2005 Side 23 af 89
Det viste sig imidlertid, at data for enkelte dage, og længere perioder (18 dage i april 2005) manglede, hvilket forårsagede et fejlagtigt billede i Figur 6-1 mht. værdierne af solstrålingsstyrkerne. På baggrund af dette blev det bestemt, at grafer med afbildninger af solstrålingens gennemsnitlige dagsværdier ville danne det bedste, og mest korrekte sammenligningsgrundlag for de to måleår, hvilket der ses på i afsnit 6.2. 6.2 GENNEMSNITLIGE DAGSVÆRDIER PR. MÅNED Ved at beregne den gennemsnitlige dagsværdi for solstråling i den pågældende måned, blev det muligt at tage hensyn til eventuelle dage med måleudfald. Figur 6-2 Gns. Dagsværdier for globalstrålingen, G, pr. måned i 2004 og 2005 Afbildningen af globalstråling for 2004 og 2005, jf. Figur 6-2, viser en forskel i strålingsmængde. Toppunktet for globalstråling i 2004 ligger i maj, mens det for 2005 ligger i juni. Side 24 af 89
Figur 6-3 Den gennemsnitlige dagsværdi for total- og globalsolstråling pr. måned i 2004 og 2005. Det forventede billede af solstrålingen, for både global- og totalstråling, var en symmetri omkring juni/juli måned som toppunkt, hvor solen står højest på himlen og dagens længde er maksimal. Dette billede viser sig for år 2005, mens afbildningen af solstråling i 2004 afviger fra dette forventede billede, jf. Figur 6-3. Derfor er der ved tolkning af grafernes udseende lagt mest vægt på data og grafer fra 2005, mens sammenfald mellem 2004 og 2005 fremhæves. Der ses først på totalstrålingens gennemsnitlige dagsværdier for de 4 retninger: nord, syd, øst og vest jf. Figur 6-3. Totalstrålingen fra syd for både 2004 og 2005 antager over hele året den højeste værdi af strålingen i de 4 retninger og totalstrålingen fra nord antager de laveste værdier. Side 25 af 89
Totalstrålingen fra øst og vest er over hele året meget sammenfaldende i strålingsstørrelse, dog er strålingen fra øst en smule lavere end målt solstråling i vest. Totalstrålingen i syd overstiger i vinter- og til dels forårs- og efterårsmånederne globalstrålingen. Dette skyldes den lave solhøjde i disse perioder af året, og derfor vil den målte globalstråling være lavere end den målte totalstråling i syd. Den målte globalstråling er størst i sommerperioden og topper i maj for år 2004 og i juni for 2005. Figur 6-4 Den gennemsnitlige dagsværdi for jordreflekteret stråling pr. måned i 2004 og 2005. Afbildningen af jordrefleksionens gennemsnitlige dagsværdier pr. måned for både år 2004 og 2005 viser tydeligt, at jordrefleksionen topper i foråret; maj for år 2004 og april for 2005, jf. Figur 6-4. Side 26 af 89
Jordrefleksionen er stigende fra februar/marts hvor der stadig ligger sne og solstrålingen tiltager. Den målte jordrefleksion i syd antager den højeste værdi af de 4 retninger indtil juni, hvor jordrefleksionen fra øst igennem efteråret er størst. Det drastige fald i reflekteret stråling i foråret kan skyldes, at sneen er ved at smelte eller er smeltet, og solstrålingen derfor bliver reflekteret anderledes og dårligere fra jorden. Da målingerne af solstråling fra 2004 umiddelbart afviger fra det forventede billede, ses der yderligere på temperatur og nedbør for de to måleår, sammenholdt med DMI s klimanormaler. Herved kan det evt. identificeres yderligere, om år 2004 klimatisk har afveget meget fra normalen. 6.3 SAMMENLIGNING MED KLIMANORMALER OG REFERENCEÅR FOR SOLSTRÅLING På baggrund af uklarheder i de tidligere dataobservationer, ønskes det at sætte værdierne fra de to måleår i forhold til en reference fra Sisimiut. Dette vil sikre et mere sikkert grundlag for de videre analyser og observationer. DMI har gennem mange år foretaget klimaobservationer i bl.a. Sisimiut, hvorfra der er genereret klimanormaler for bl.a. temperatur og nedbør. Det er udover normalværdierne muligt at aflæse den faktiske middeltemperatur i Sisimiut i en given måned for de to måleår. Figur 6-5 Temperaturforløb gennem året Jf. Figur 6-5 ses det gennem vintermånederne, at begge måleår afviger fra referenceværdierne, hvorimod værdierne gennem sommermånederne stemmer fint overens med det forventede. Det er imidlertidig svært at give en endegyldig konklusion på, hvilket måleår der lægger sig mest op af normalværdierne, da dette varierer måned fra måned. På baggrund af denne usikkerhed, ønskes det endvidere at fokusere på den aktuelle nedbør gennem måleårene, i forhold til klimanormalerne. Det er dog en smule kompliceret, da der ikke foreligger nogle konkrete nedbørsmålinger for 2005, grundet tekniske problemer med udstyret. Derfor sammenlignes kun for 2004 mht. nedbør. Side 27 af 89
Figur 6-6 Nedbør gennem året På Figur 6-6 ses en graf over forventet nedbør (klimanormalen) og den faktiske nedbør i år 2004. Det ses umiddelbart at nedbøren i 2004 afviger væsentligt for normalværdierne. Især i februar og juni, er der forekommet markant mere nedbør end normalt. Denne observation peger igen i retning af et utraditionelt klima i 2004. Figur 6-7 Globalstråling for 2004 og 2005, sammenholdt med referenceår Side 28 af 89
På Figur 6-7 Ses en graf over globalstrålingen på horisontalplanet for hhv. referenceåret i Sisimiut (udarbejdet af DTU), og de to måleår (2004 & 2005). Det ses umiddelbart at værdierne gennem 2004 afviger en smule mere fra referenceåret end 2005. 6.4 UDVÆLGELSE AF EKSISTERENDE MÅLEÅR På baggrund af analyserne af dataene i 2004 og 2005, konkluderes det overordnet, at år 2004 ikke mindre velegnet til en generel bearbejdelse, end 2005.. Denne konklusion skyldes at dataene fra 2004 i større grad end 2005, afviger fra det forventede, jf. Figur 6-3. På afbildningerne af dagsværdierne for solstråling gennem hhv. 2004 og 2005, ses det tydeligt at strålingen i 2004 afviger væsentligt fra den forventede symmetri af strålingen gennem året. På baggrund af dette, vil det resterende analysearbejde udelukkende blive koncentreret omkring data fra 2005. Side 29 af 89
7 OBSERVATIONER I SISIMIUT Feltarbejdet i Grønland, august 2006, havde til formål dels at indsamle data fra det opstillede måleudstyr, og dels at kortlægge det omkringliggende terræns topografi. Resultaterne af dette er beskrevet i de følgende underafsnit. 7.1 BESKRIVELSE AF MÅLEOPSTILLING Da det ønskes at præcisere de eksisterende målinger fra den tidligere omtalte solhat, opstilles der på samme bakke et midlertidigt supplerende måleudstyr. Dette måleudstyr måler totalstrålingen og den direkte stråling i solens retning, hvilket giver grundlag for at skelne den diffuse stråling. Figur 7-1 Målingsopstilling i Sisimiut, 2006. Jf. Figur 7-1 består måleudstyret af et pyrheliometer, hvor et pyranometer indbygget i bunden af røret, måler den direkte solstråling fra solskiven. På pyrheliometret er, via en arm, fastgjort endnu et pyranometer, som måler totalstrålingen direkte mod solen. I Tabel 5.3.1-1 ses en oversigt over hvilke typer pyranometre der er tale om, samt hvilke kalibreringskonstanter der gælder for det enkelte pyranometer. Tabel 5.3.1-1 Kalibreringskonstanter for pyranometrene Målinger Type Kalibreringskonstant Pyrheliometrets pyranometer Direkte stråling CM11 11,90 [µv/wm -2 ] Eksternt pyranometer Totalstråling CM11 4,69 [µv/wm -2 ] Side 30 af 89
Pyrheliometret er oprindeligt bygget til at følge en stjernehimmel, hvilket betyder at pyrheliometret er bygget til at køre 4 minutter hurtigere pr. døgn end solen bevæger sig over himlen. Dette betyder at pyrheliometret dagligt skal slukkes 2x2 min (2 minutter om morgenen og 2 minutter om aftenen). Samtidigt med at pyrheliometret stoppes, kan udstyret tilses, således at der kan korrigeres for evt. fejljusteringer. Målingerne registreres af en logger, som direkte overfører målingerne til den tilhørende computer. Målingerne bliver målt i V, og omregnes derefter til W/m 2 vha. af kalibreringskonstanterne efter flg.: 6 målt værdi 10 V W 2 2 G Vm m kalibreringskons. W Efter endt måleperiode udtrækkes dataene som tekstfil, hvorefter de er klar til videre bearbejdning. Der blev foretaget målinger i perioden d.6/8-2006 til d.17/8-2006. Udstyret har kørt i denne periode, men dog med mindre og større driftsforstyrrelser, jf. logbogen i Bilag 1. 7.2 KORTLÆGNING AF TOPOGRAFI For at kortlægge evt. fejlkilder/usikkerheder i målingerne, er det vigtigt at have et overblik over omgivelserne, da disse kan vise sig at have indflydelse på måleresultaterne. 7.2.1 360 O BILLEDE FRA SOLHATTEN Der er sammenstykket et 360 o billede af omgivelserne set fra solhatten. Figur 7-2 360 o s billede rundt om solhatten Som det ses på Figur 7-2 forekommer der vand i udstrækningen vest-nord-øst rundt om solhatten, hvilket kan have indflydelse på refleksionen i disse retninger. Derudover kan det hurtigt konstateres, at terrænet omkring solhatten i høj grad er præget af fjelde o.lign., hvilket har betydning for horisontafskærmningen. 7.2.2 NIVEAUFORSKEL Selvom solhatten er placeret på en bakke, er det vigtigt at have kortlagt det omkringliggende terræn, da bakkens udformning mv. kan vise sig at have betydning for det videre analysearbejde. På Figur 7-3 ses bakkens placering, som er markeret med rødt, i forhold til de omkringliggende bygninger, veje m.v. Den sorte prik indikerer solhattens placering på bakken. Side 31 af 89
Figur 7-3 Luftfoto af omgivelserne rundt om bakken hvor solhatten er placeret Som det ses på Figur 7-4 forekommer bakkens terræn meget ujævnt, hvilket ikke er optimalt for måleresultaterne. Bakkens ujævne terræn, vil have indflydelse på refleksionen af solstrålingen. Figur 7-4 Terrænet omkring solhatten Et illustrativt og fuldendt overblik over bakkens terræn, ses på terrænkortet, Figur 7-5, der er udarbejdet på baggrund af 133 målinger, foretaget via en totalstation fra Leica. Side 32 af 89
Figur 7-5 Terrænet af den bakke, som solhatten er placeret på 7.3 VINKELFORHOLD 7.3.1 TEORETISK BESTEMMELSE AF VINKELFORHOLD F FRA PYRANOMETER TIL JORD Jf. afsnit 5.3, der angiver grundlaget for beregning af vinkelforhold fra pyranometret til jorden, foretages der indledende undersøgelser af vinkelforholdet F, fra pyranometret til jorden. I de indledende undersøgelser beregnes vinkelforholdet F for et bånd hhv. vinkelret og parallelt med pyranometrets normal, for at danne et overordnet billede af vinkelforholdets størrelse. Ved disse beregninger øges afstanden for hhv. a og b med 0,5 meter ad gangen. Figur 7-6 angiver afstandene a og b. Figur 7-6 Pyranometer- afstandene a og b. Side 33 af 89
I de første beregninger af vinkelforholdet F holdes afstanden a konstant, mens der varieres på b. Der ses altså på vinkelforholdet parallelt med pyranometrets normal, jf. Figur 7-7. Figur 7-7 Beregningsbånd for F ved konstant a. Vinkelforholdet F bestemmes for et areal på 0,5 m x 0,5 m, da skridtlængden for b er 0,5 m. Figur 7-8 Vinkelforholdet F for et bånd vinkelret på pyranometret, b som variabel Side 34 af 89
Figur 7-8 illustrerer, at vinkelforholdet fra pyranometer til jord er størst ca. 3 m væk fra pyranometret, direkte ud for pyranometret. Dette angiver, at pyranometret ser mest af jorden i denne vandrette afstand, og efter ca. 10m, er det meget begrænset hvad pyranometret ser af jorden. Herefter holdes afstanden b konstant mens der varieres på a med 0,5 meter ad gangen. Vinkelforholdet vinkelret på pyranometrets normal undersøges herved, og i denne undersøgelse er afstanden b sat til 1,5m, jf. Figur 7-9. Figur 7-9 Beregningsbånd for F ved konstant b. Vinkelforholdet F bestemmes for et areal på 1,5m x 0,5m, da a øges med 0,5m ad gangen. Side 35 af 89
Figur 7-10 Vinkelforholdet F for et bånd parallelt med pyranometret, a som variabel Figur 7-10 illustrerer, at vinkelforholdet fra pyranometer til jord er størst tættest ved pyranometret. Efterhånden som a øges og området for beregnet F forskydes længere væk fra pyranometret, aftager vinkelforholdet, hvilket betyder, at pyranometret ser mindre og mindre af jorden, når afstanden a øges. For at sammenkæde undersøgelsen af hhv. afstanden a og afstanden b s betydning for vinkelforholdet F, foretages der yderligere beregninger af vinkelforholdet F. Vinkelforholdet F beregnes som funktion af afstanden b, mens afstanden a fastholdes på 0,5m. Første beregning af F foretages for a i intervallet [0;0,5]m, og herefter ændres intervallet for a til [0,5;1]m. Der foretages i alt 9 beregninger af F, hvor a øges med 0,5 m ad gangen, så sidste beregning af F foretages for a i intervallet [4;4,5]m. Farverne i Figur 7-11 skal sammenholdes med graferne i Figur 7-12, og illustrerer de bånd, hvori F beregnes for. Figur 7-11 Beregningsbånd for F med sammenlignelig afstand a, og varierende afstand b. Side 36 af 89
vinkelforhold F Danmarks Tekniske Universitet Vinkelforholdet F beregnes for et areal på 0,5m x 0,5m. Vinkelforhold fra pyranomenter til jord, som funktion af afstanden a. Afstanden b varieres, så det er muligt at sammenligne F(a), og afgøre betydningen af hhv. a og b's afstand til pyranometret. 6,0E-03 5,0E-03 4,0E-03 3,0E-03 2,0E-03 F(0-0,5) F(0,5-1) F(1-1,5) F(1,5-2) F(2-2,5) F(2,5-3) F(3-3,5) F(3,5-4) F(4-4,5) 1,0E-03 0,0E+00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 a (parallel med pyranometret) Figur 7-12 Beregning af vinkelforholdet F pyranometer->jord. Figur 7-12 illustrerer vinkelforholdet F pyranometer->jord. Det ses, at vinkelforholdet er størst direkte ud for pyranometret, dvs. for a i intervallet [0;0,5]m, når b antager ca. 3 m. Efterhånden som afstanden a øges, dvs. afstanden vinkelret på pyranometrets normal, mindskes vinkelforholdet og værdien af F s toppunkt. Dette illustrerer, at afstanden a har stor betydning for vinkelforholdets værdi, og derved hvor stor en andel af jorden, som pyranometret ser. Generelt for F gælder, at toppunktet for F findes forholdsvist tæt på pyranometret. Når b overstiger 10 m, tilnærmer F sig 0, og dette betyder, at pyranometret kun ser en meget lille andel af jorden. På baggrund af Figur 7-8, Figur 7-10 og Figur 7-12, optegnes isokurver over vinkelforholdet F fra pyranometer til jorden i kvadrater á 0,5 m x 0,5 m. Da vinkelforholdet, når afstanden b overstiger 10 m, er minimal, ses der i første omgang kun på vinkelforholdet for a [-10;10] m og b [0;10] m. Side 37 af 89
Figur 7-13 Beregnet vinkelforhold F fra pyranometer til jord for a [-10;10]m og b[0;10]m På baggrund af Figur 7-13, kan det ses, hvorledes vinkelforholdet F afhænger af afstanden fra pyranometret. Indenfor det angivne område dækkes 76,7 % af det samlede vinkelforhold på 0,5, og derved ses det, at det er indenfor en forholdsvis lille radius af pyranometret, at terrænet bør kortlægges mere nøjagtigt. Figur 7-14 illustrerer på samme måde som Figur 7-13 isokurver over vinkelforholdet fra pyranometer til jord, dog mere detaljeret i kvadrater på 0,2m x 0,2m. Ligeledes er b øget til 20m, således at andelen af vinkelforholdet for de 10m for b: [10;20]m kan bestemmes. Side 38 af 89
Figur 7-14 Beregnet vinkelforhold F fra pyranometer til jord for a [-10;10]m og b[0;20]m Tabel 7.3.1-1 Den %-vise fordeling af vinkelforholdet, F pyranometer->jord, for a [-10;10]m og b[0;20]m SUM(F) % af 0,5 >=9E-4 5,52E-03 1,1 >=8,5E-4 1,77E-02 3,5 >=8E-4 2,44E-02 4,9 >=7,5E-4 3,54E-02 7,1 >=7E-4 5,12E-02 10,2 >=6,5E-4 5,80E-02 11,6 >=6E-4 7,06E-02 14,1 >=5,5E-4 8,66E-02 17,3 >=5E-4 1,00E-01 20,0 >=4,5E-4 1,12E-01 22,3 >=4E-4 1,28E-01 25,5 >=3,5E-4 1,45E-01 29,0 Side 39 af 89
>=3E-4 1,63E-01 32,6 >=2,5E-4 1,82E-01 36,3 >=2E-4 2,06E-01 41,2 >=1,5E-4 2,32E-01 46,4 >=1E-4 2,68E-01 53,6 >=7,5E-5 2,88E-01 57,6 >=5E-5 3,16E-01 63,2 >=2,5E-5 3,54E-01 70,8 >=1E-5 3,92E-01 78,4 >=5E-6 4,02E-01 80,4 >0 4,18E-01 83,6 Ud fra Figur 7-14 og Tabel 7.3.1-1, ses det, at andelen af vinkelforhold i det angivne areal summeres til 83,6 %. I forhold til Figur 7-13, er den øgede andel, som pyranometret ser for b [10;20]m meget beskeden, og det anses derfor som tilstrækkeligt, kun at undersøge terrænet i en afstand på ca. 10m fra pyranometret. 7.4 SKYGGEFORHOLD 7.4.1 SKYGGEKORT På baggrund af det observerede ujævne terræn omkring solhatten, optegnes der skyggekort for udvalgte dage og tidspunkter. Dette gøres for at kortlægge eventuelle skyggers indflydelse på refleksionen. Teoretisk set kan en skyggelængde beregnes ud fra flg. simple geometriske formel: Skyggelængde m Terrænforskel m o tan s hvor skyggelængden [m] angives horisontalt solhøjden, α s, [ o ] findes ved teoretisk beregning til et givent tidspunkt, jf.[3]. Ud fra det udarbejdede terrænkort (se Figur 7-5), er der på digital vis, vha. programmerne Mapinfo og Autocad 2005, udarbejdet skyggekort for udvalgte tidspunkter. På Figur 7-15 ses et eksempel på et skyggekort, hvor solens position er i syd. Solhøjden er sat til 27,5 o. Side 40 af 89
Figur 7-15 Eksempel på skyggekort, når solen står i syd og α s =27,5 o Da det i henhold til Figur 7-8 og Figur 7-10 er vist, at det kun er terrænet i en radius af.10 meter som har større betydning for vinkelforholdet F pyranometer->jord, og derved refleksionskoefficienten, kan det hurtigt konstateres at de skygger der optræder på bakken, ikke har nogen større indflydelse på refleksionskoefficienterne. Korrigering af refleksionskoefficienterne, på baggrund af flere udarbejdede skyggekort, foretages i afsnit 9.6. Side 41 af 89
8 DATABEHANDLING På baggrund af de målinger, der er foretaget i Sisimiut, august 2006, jf. afsnit 7, er det muligt at bestemme den diffuse strålings andel af den totale indkomne stråling. 8.1 BESTEMMELSE AF REFLEKSION FRA DIFFUS STRÅLING Refleksionskoefficienten for diffus stråling kan bestemmes på baggrund af den beregnede diffuse og reflekterede stråling, jf. afsnit 5.4. Bestemmelsen af refleksionskoefficienten foretages når den direkte stråling, Q direkte, er så tæt på nul som muligt, da totalstrålingen herved vil udgøres af bidrag fra den diffuse stråling, samt den reflekterede stråling herfra. I det følgende ses der kun på perioder, hvor: Q direkte, pyr 0 Q Q Q total, pyr refl, pyr diffus, pyr Der udvælges overskyede perioder indenfor samme tidsinterval, således at det bedste sammenligningsgrundlag skabes i forhold til solens position. Perioden fra kl. 7-11 lokal vintertid udvælges, idet dagene 226, 227 og 228 (14., 15. og 16. aug. 2006) i denne periode falder indenfor kriterierne om næsten ingen direkte stråling. Refleksionskoefficienten for diffus stråling bestemmes vha. følgende relation: Q diffus Q refl, pyr diffus, pyr,der angiver forholdet mellem indkommen og udkommen stråling i denne overskyede periode. Figur 8-1 illustrerer strålingsværdierne for den udvalgte periode, der benyttes til bestemmelse af refleksionskoefficienten for diffus stråling. Side 42 af 89
refl. koeff G [W/m2] Danmarks Tekniske Universitet Bestemmelse af diffus stråling. Totalstråling målt af pyrheliometret samt beregnet diffus og reflekteret stråling 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 Totalstrål. 226 Totalstrål. 227 Totalstrål. 228 Diffus strål. 226 Diffus strål. 227 Diffus strål. 228 refl. strål. 226 refl. strål. 227 refl. stråling 228 30 20 10 0 06:57 07:40 08:24 09:07 09:50 10:33 tid Figur 8-1 Stråling for dag 226, 227 og 228 i tidsintervallet [7;11] lokal vintertid Den beregnede refleksionskoefficient af diffus stråling illustreres på Figur 8-2. refl. koeff. for diffus stråling. 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 dag 226 dag 227 dag 228 0,30 0,20 0,10 0,00 07:12 07:59 08:47 09:34 10:22 tid Figur 8-2 for diffus stråling som funktion af tiden (lokaltid, vinter) for dag 226, 227 og 228 Side 43 af 89
Der tegnes, jf. Figur 8-2, ikke noget entydigt billede af refleksionskoefficientens værdi. Der foretages derfor yderligere sortering i de udvalgte perioder, således at den direkte stråling, Q direkte, ligger i intervallet [0;1]W/m 2. Desuden foretages en usikkerhedsanalyse af bestemmelsen af refleksionskoefficienten, diffus, således at der dannes grundlag for en vurdering af målingernes anvendelighed. Usikkerheden ved bestemmelse af refleksionskoefficienten for diffus stråling vurderes ud fra pyranometrenes måleusikkerhed, s Qglobal, s Qtotal og s Qdirekte,pyr samt usikkerheden for korrekt solhøjde, s s. s diffus angiver usikkerheden i bestemmelse af diffus. f Q ; G; Q ; diffus total direkte, pyr S s diffus total; ; direkte, pyr; S total; ; direkte, pyr; S ; G; Q ; 2 2 f Q G Q f Q G Q s Q s total Q global Q total Q global f Q total direkte, pyr S total direkte, pyr S s Q s direkte, pyr s Q direkte, pyr s 2 2 f Q ; G; Q ; Udtrykket for diffus bestemmes iht. det foregående afsnit 5.4. diffus Qtotal Qdirekte, pyr ½ 1 cos sin G Qdirekte, pyr s 1 o 90 s diffus Qtotal Qdirekte, pyr ½ 1cos 90 sin o s G Qdirekte, pyr s 1 Måleusikkerheden for CM11 pyranometre er ca. 2 %, og det er med denne type pyranometer, målingerne er foretaget med. Usikkerheden, at pyrheliometret har kørt efter korrekt solhøjde s er vurderet til 10 %. Udtrykket s diffus er bestemt i Maple, og kan ses i Bilag 2. Figur 8-3 illustrer usikkerheden ved bestemmelse af refleksionskoefficienten for diffus stråling, ved angivelse af minimums- og maksimumsværdier. Side 44 af 89
refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet Refleksionskoefficient for diffus solstråling Kriterie: 0< Direkte stråling < 1 W/m2 og 0< refl. Koeff. < 1 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 DAG 226-MIN. DAG 226-MAX DAG 227-MIN DAG 227- MAX DAG 228-MIN DAG 228-MAX 0,30 0,20 0,10 0,00 07:00 07:10 07:20 07:30 07:40 07:50 08:00 08:10 08:20 08:30 08:40 08:50 09:00 09:10 09:20 09:30 09:40 09:50 10:00 10:10 10:20 10:30 10:40 10:50 11:00 lokaltid Figur 8-3 Min. og max. værdier af refleksionskoefficient for diffus stråling. Som det ses af Figur 8-3, tegnes der ikke et klart billede af værdien for den diffuse strålings refleksionskoefficient. Selvom usikkerheden for bestemmelse af den diffuse strålings refleksion er medtaget i vurderingen, kan dette ikke ændre det uklare billede. Derfor vurderes det, at grundlaget for at angive en generel værdi for refleksionskoefficienten af diffus stråling er for begrænset, og på grundlag af dette, foretages der ikke videre undersøgelser af den diffuse stråling. Behandlingen af reflekteret stråling udelades, da usikkerheden ved at transponere den reflekterede stråling til lodret, beregnet på baggrund af pyrheliometrets målinger, kun vil øges, jf. afsnit 5.4. Det er set, at der ikke kan dannes et entydigt billede af den diffuse strålings refleksion, og dette kan skyldes terrænets indvirken på refleksionen. Derfor anses det ikke som en relevant kontrol, at foretage sammenligning mellem solhattens målinger af reflekteret stråling, samt beregningen af reflekteret stråling målt fra pyrheliometret, da dette vil give et fejlagtigt billede af målingernes præcision. Side 45 af 89
Antal dage i januar Danmarks Tekniske Universitet 9 DATAANALYSE AF EKSISTERENDE MÅLINGER Det foreliggende datamateriale fra Asiaq, analyseres ud fra flere aspekter. Der ønskes defineret en solbestrålingsstyrke for soldage og perioder med sne vs. ikke sne defineres. Dernæst fokuseres der på refleksionskoefficienterne for jordreflekteret stråling, samt forskellige faktorers indvirkning på denne. Gyldigheden af de beregnede refleksionskoefficienter analyseres, og der korrigeres for eventuelle skyggeforhold. 9.1 GRÆNSE FOR SOLBESTRÅLINGSSTYRKE Som tommelfingerregel siges det, at der på en solrig dag vil forekomme en solbestrålingsstyrke, G, på 800 W/m 2. Da der i forbindelse med bestemmelse af refleksionskoefficienter for direkte stråling kun ønskes at fokusere på dage med sol, analyseres de foreliggende data for år 2005 nøje, inden en endelig grænse for bestrålingsstyrke indlægges. Da solen i januar måned kun opnår lave solhøjder, og grundet den omkringliggende horisontafskærmning, vides det, at der i Grønland kun forekommer meget få soldage i januar måned. De foreliggende data for januar måned sorteres ud fra, hvor stor en solbestrålingsstyrke der er tale om. Til at starte med indlægges en grænse for solbestrålingsstyrken på 200 W/m 2, hvilket betyder, at hvis blot solbestrålingsstyrken på et af de fire vertikale pyranometre der måler totalstråling overstiger 200 W/m 2, medtages denne måling. Antal dage i januar, hvor solbestrålingsstyrken på et af de fire vertikale pyranometre overstiger den aktuelle nedre grænse 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 200 300 400 500 600 Solbestrålingsstyrke, G [W/m2] Figur 9-1 viser antal solskinsdage i januar ved forskellige solbestrålingsstyrker, G [W/m 2 ] Ud fra Figur 9-1 ses det, at der ved en grænse på mellem 200 og 300 W/m 2, forekommer relativt mange soldage i januar. Samtidigt ses det, at der ved en grænse på 500 til 600 W/m 2 forekommer Side 46 af 89
mellem 0 og 1 solskinsdag i januar. På baggrund af dette, antages det, at hvis blot solbestrålingsstyrken på et af de fire vertikale pyranometre overstiger 400 W/m 2, er der tale om en soldag, og målingen bør derfor medtages. I det følgende arbejde, vil der således kun optræde målinger hvor den fastlagte grænse på 400 W/m 2 for solbestrålingen er opfyldt for et af de vertikale pyranometre. Denne grænse for solbestrålingsstyrke indlægges for at undgå usikkerheder ved horisontafskærmningen, samt måleusikkerhed ved meget lav solintensitet. 9.2 UGYLDIGE REFLEKSIONSKOEFFICIENTER Ved enkelte målinger observeres det, at refleksionskoefficienten overstiger værdien 1, hvilket i praksis ikke er muligt, da der ikke kan reflekteres mere stråling end der modtages fra solen. Årsagen til disse ugyldige refleksionskoefficienter er, at der ved lave solhøjder forekommer stor usikkerhed i målingerne. Da der ønskes en så korrekt analyse af dataene som muligt, sorteres målinger med ugyldige refleksionskoefficienter fra. Allerede ved sortering mht. solbestrålingsstyrke blev mange ugyldige værdier for refleksionskoefficienterne sorteret fra, men alligevel forekom der refleksionskoefficienter over 1 i vintermånederne, grundet det lave solindfald og pyranometrenes usikkerhed. 9.3 SNE VS. IKKE SNE Fra teorien vides det, at forskellige materialer har forskellige refleksionskoefficienter, hvilket bevirker at der bør skelnes mellem sne- og ikke sne perioder, idet sne har en langt større refleksion end bar jord. Solen står højest kl. 12:00 sand soltid, hvilket betyder at der på dette tidspunkt forekommer færrest fejlkilder i form af horisontafskærmning og refleksion fra det omkringliggende vand, jf. Figur 7-2. Grundet denne minimalisering af potentielle fejlkilder, ses der for hver retning, på refleksionskoefficienternes variation hen over året i intervallet kl. 11.30 til 12.30 sand soltid. Ud fra en grafisk afbildning af disse observationer, ønskes perioder, hvor det er forholdsvis sikkert at der enten er tale om snebelagt jord eller bar jord, fastlagt. Side 47 af 89
Figur 9-2 Definition af sne/ikke-sne perioder. Nord Figur 9-3 Definition af sne/ikke-sne perioder. Syd Side 48 af 89
Figur 9-4 Definition af sne/ikke-sne perioder. Øst Figur 9-5 Definition af sne/ikke-sne perioder. Vest Side 49 af 89
De skraverede områder på Figur 9-2-Figur 9-5 viser de perioder, hvor det ikke er muligt at definere jordens beskaffenhed. Dette betyder, at disse perioder vil blive frasorteret i det efterfølgende analysearbejde. De usikre perioder mht. jordens beskaffenhed forekommer hovedsageligt i foråret og efteråret, da klimaet i disse perioder varierer drastisk fra dag til dag. Ved sammenligning af Figur 9-2-Figur 9-5 ses det tydeligt, at der i vinterperioderne optræder høje refleksionskoefficienter (>0,4), men der i sommerperioder udelukkende optræder lave refleksionskoefficienter, hyppigst <0,2. Ud fra disse iagttagelser udvælges der sammenhængende perioder, hvor jordens beskaffenhed er forholdsvis sikker, hvilket resulterer i følgende: Sne periode : dag 69 (d.10 marts 2005) 99 (d.9 april 2005) (begge dage inkl.) Ikke sne periode : dag 155 (d.4 juni 2005) 252 (d.9 september 2005) (begge dage inkl.) Dataene i disse intervaller, vil blive benyttet i den videre analyse. 9.4 REFLEKSIONSKOEFFICIENTER SOM EN FUNKTION AF: Overordnet set ønskes det at finde en relation mellem refleksionskoefficienten som funktion af hhv. solhøjde, α s, solazimut fladeazimut, γ s -γ, (solens position) og sne/ikke-sne. Dette foretages ved en behandling af: γ s -γ, hvor der ses på både sne- og ikke-sne perioder, og α s holdes konstant inden for intervalinddelinger på 5 o. Solhøjde, hvor der ses på både sne- og ikke-sne perioder, og γ s -γ inddeles i numeriske 10 o s intevaller. Betydningen af terrænets underlag (sne/ikke-sne) for refleksionskoefficienten bestemmes ud fra de foregående undersøgelser, hvor der skelnes mellem sne- og ikke- sne perioder. 9.4.1 SOLAZIMUT FLADEAZIMUT (γ s -γ) For at danne et overblik over solhøjdens indvirken på refleksionskoefficienten, er der foretaget inddeling af solhøjden i 5 o s intervaller, således at refleksionskoefficienten for retningerne syd, vest, nord og øst, kan afbildes som funktion af solazimut-fladeazimut for hvert interval af solhøjden. Side 50 af 89
refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet Figur 9-6 Illustration af γ s -γ når solen står stik syd. Figur 9-6 definerer solazimut-fladeazimut, når solen står stik syd. Ved definition af perioderne med hhv. sne og ikke-sne, jf. afsnit 9.3 opnås grafer renset for usikkerheder, og der tegnes et klart billede af, at refleksionskoefficienten især afhænger af årstiden. Grafer for samtlige intervaller af solhøjden for sne- og ikke-sne perioder er lagt i Bilag 3. Figur 9-7 og Figur 9-8 illustrerer klart refleksionskoefficientens afhængighed af underlaget. ikke sne solhøjde 25-30 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 syd vest nord øst 0,30 0,20 0,10 0,00-180,00-150,00-120,00-90,00-60,00-30,00 0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 180,00 solazimut-fladeazimut Figur 9-7 Ikke-sne: α s [25 o ;30 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position) Side 51 af 89
refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet sne solhøjde 25-30 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 syd vest nord øst 0,30 0,20 0,10 0,00-180,00-150,00-120,00-90,00-60,00-30,00 0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 180,00 solazimut-fladeazimut Figur 9-8 Sne: α s [25 o ;30 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position) Generelt ses der for grafer med sne et billede af en konkav tendens for refleksionskoefficienten, jf. Figur 9-8. Dette følger forventningen om, at refleksionen, når jorden er snebelagt, forekommer fremadrettet. Når solen registreres stik syd, reflekteres mest stråling mod nord, hvilket betyder at sneen fungerer som et spejl se Figur 9-9. Figur 9-9 Illustration af refleksion i sne-periode For grafer med ikke-sne er tendensen nedadrettet, jf. Figur 9-7, og dette vidner om, at refleksionen hovedsageligt forekommer bagudrettet når jorden er bar. Dette skyldes de ujævnheder overfladen har, når der ikke ligger sne, se Figur 9-10. Hvis solen står stik syd vil der registreres reflekteret stråling i både nord og syd, men andelen af målt reflekteret stråling på det nordlige pyranometer vil overstige den målte refleksion på det sydlige pyranometer. Dette følger forventningen om mest bagudrettet refleksion, når overfladen ikke er snebelagt. Side 52 af 89
Figur 9-10 Illustration af refleksion i ikke-sne-periode Ved at se på samtlige grafer med 5 o s intervallet for solhøjden, Bilag 3, kan solhøjdens indflydelse på refleksionskoefficienten bestemmes. I sne-perioden overstiger solhøjden ikke 35 o, grundet den nordlige beliggenhed. Umiddelbart har solhøjden en lille indflydelse i refleksionskoefficientens værdi i sne-perioden, hvor refleksionskoefficienten (fra max. middelværdi 0,8 til 0,7) falder en smule efterhånden som solhøjden øges. Solhøjdens indflydelse er ligeledes begrænset i ikke-sne perioden, hvilket ses på refleksionskoefficientens værdier for perioder uden sne. Refleksionskoefficientens værdi (fra omkring 0,2 til lidt over 0,1) falder en smule, efterhånden som solhøjdens værdi øges. På graferne med lav solhøjde optræder der for ikke-sne perioden meget høje refleksionskoefficienter i øst, vest og nord. Disse undersøges nærmere, da det er forventet, at refleksionskoefficienternes værdier i ikke-sne perioden gennemgående vil være lave. Det undersøges om de afvigende værdier har en sammenhæng i enten tidspunkt eller orientering, da omgivelserne (havet) evt. kan influere på refleksionskoefficienten. Side 53 af 89
reflektionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet 9.4.1.1 AFVIGENDE MÅLINGER, IKKE-SNE, SOLHØJDE 5 O -10 O ikke sne solhøjde 5-10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 syd vest nord øst 0,30 0,20 0,10 0,00-180,00-150,00-120,00-90,00-60,00-30,00 0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 180,00 solazimut-fladeazimut Figur 9-11 Ikke-sne: α s [5 o ;10 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position) De målinger, hvor refleksionskoefficienten overstiger 0,3, jf. Figur 9-11, udtages og afbildes som funktion af lokaltiden. Hermed ses det, at de afvigende værdier for refleksionskoefficienterne samler sig omkring kl. 5 og kl. 20, lokaltid, illustreret på Figur 9-12. Side 54 af 89
refleksionskoeff. Danmarks Tekniske Universitet IKKE SNE, solhøjde 5-10, tidspunkter hvor en af de 4 refleksionskoeff >0,3 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 Syd vest nord øst 0,30 0,20 0,10 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 lokaltid Figur 9-12 Ikke-sne: α s [5 o ;10 o ], afvigende målinger For refleksionskoefficienten i øst drejer det sig om solopgang omkring kl. 5 lokaltid. I nord registreres der meget høje refleksioner ved både solop- og nedgang, altså omkring kl. 5 og kl. 20 lokaltid. For refleksionskoefficienten i vest drejer det sig om solnedgang omkring kl. 20 lokaltid. Grunden til disse afvigende værdier af refleksionskoefficienten kan skyldes, at der ved solop- og nedgang kun registreres meget lave solbestrålingsstyrker, og sammenholdt med pyranometrenes usikkerhed, er disse målinger behæftet med stor usikkerhed. Desuden kan vandet i solhattens omgivelser, have betydning for refleksionen ved lave solhøjder- altså ved solop- og nedgang, jf. Figur 7-2. Side 55 af 89
refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet 9.4.1.2 AFVIGENDE MÅLINGER, SNE, SOLHØJDE 5 O -10 O sne solhøjde 5-10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 syd vest nord øst 0,30 0,20 0,10 0,00-180,00-150,00-120,00-90,00-60,00-30,00 0,00 30,00 60,00 90,00 120,00 150,00 180,00 solazimut-fladeazimut Figur 9-13 Sne: α s [5 o ;10 o ], refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ (solens position) De målinger, hvor refleksionskoefficienten antager værdier lavere end 0,3 for sne-perioden for solhøjdeintervallet [5;10] o, er udtaget og afbildet som funktion af lokaltiden, jf. Figur 9-13. Side 56 af 89
refleksionskoeff Danmarks Tekniske Universitet SNE solhøjde 5-10, tidspunkter hvor en af de 4 refl. koeff. <0,3 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 syd vest nord øst 0,30 0,20 0,10 0,00 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 lokaltid Figur 9-14 Sne: α s [5 o ;10 o ], afvigende målinger Jf. Figur 9-14 ses det, at de afvigende værdier for refleksionskoefficienterne samler sig i intervallet 16.30-18.30, lokaltid. Dette indikerer at der ved solnedgang måles reflekteret stråling på alle pyranometre, men det gælder især for øst og nord. I 70-80 o (solazimut, γ s ) findes masten til måling af vindhastighed, samt benzintankene, der fungerer som afskærmning af solen. Dette forklarer faldet i målt solstråling, der er set som et gennemgående træk for solstrålingsgraferne på dagsbasis i ikke-sneperioden ved lav solhøjde, Bilag 4. Tidsmæssigt svarer en solazimut på 70 o til kl. 17., lokaltid. Dette fald i solstråling afbildes på Figur 9-15. Side 57 af 89
stråling [W/m2] Danmarks Tekniske Universitet Solstråling dag 155 (ikke sne) 900 800 700 600 500 400 155 total_syd 155 total_vest 155 total_nord 155 total_øst Globalstråling 300 200 100 0 00:00 00:45 01:30 02:15 03:00 03:45 04:45 05:40 06:25 07:10 07:55 08:40 09:25 10:10 10:55 11:40 12:25 lokaltid 13:10 13:55 14:40 15:25 16:10 16:55 17:40 18:25 19:10 19:55 20:40 21:30 22:15 23:00 23:45 Figur 9-15 Dag 155, ikke-sne. Solstråling som fkt. af tiden. Illustrering af afskærmning i ca. 77 o solazimut 9.4.2 SOLHØJDE, α s For at kunne analysere indvirkningen af solens position på refleksionskoefficientens værdier, er der foretaget numerisk intervalinddeling af solazimut-fladeazimut, γ s -γ. Inddelingen er foretaget i intervaller på 20 o (f.eks. 20 40 o ), således at refleksionskoefficienten afbildes som en funktion af α s, ved hvert interval af γ s -γ. Der analyseres på tilfælde i både sne og ikke-sne perioder. Når en numerisk azimutforskel mellem f.eks. 20 o & 40 o behandles, betyder det, at der ses på intervallet for alle fire retninger, hvilket er illustreret på Figur 9-16. Side 58 af 89
Refleksionskoefficient [-] Danmarks Tekniske Universitet Figur 9-16 viser principopdelingen ved numerisk azimutforskel (her mellem 20 o & 40 o ) Det er valgt kun at vise grafisk afbildning af refleksionskoefficienterne, som funktion af solhøjden i de tilfælde hvor solazimut-fladeazimut numerisk set ligger mellem 20 o & 40 o og 160 o & 180 o. De grafiske afbildninger af refleksionskoefficienten som funktion af solhøjden ses for de resterende intervalinddelinger i Bilag 5. IKKE SNE. Der kigges på værdier for numerisk azimutforskel mellem 20 o & 40 o 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 SYD VEST ØST 0,30 0,20 0,10 0,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Solhøjde [ o ] Figur 9-17 Refl.koeff. (ρ) ved IKKE SNE som funktion af α s når 20 o γ s -γ <40 o Af Figur 9-17 ses det at refleksionskoefficienten ved lave solhøjder spreder sig over et stort interval mellem 0 og 1. Denne store spredning skyldes terrænets ujævne overflade, hvilket bevirker store Side 59 af 89
uregelmæssigheder for refleksion af solstrålerne gennem ikke-sne perioden. Grundet det ujævne terræn er der stor forskel i mængden af målt reflekteret stråling. Af Figur 9-18 illustreres det, hvorledes der vil forekomme store forskelle i strålernes refleksion, grundet småsten og andre ujævnheder. Figur 9-18 Refleksiosnsmønster for ikke sne ved lave solhøjder Det ses endvidere, at intervallet for refleksionskoefficient, indsnævres i takt med større solhøjder. Dette skyldes at solstrålerne ved store solhøjder, har en mere direkte udfaldsvinkel hvilket bevirker, at ikke mange ujævnheder stopper eller tilbagereflekterer strålerne, jf Figur 9-19. Figur 9-19 Refleksionsmønster for ikke-sne ved høje solhøjder Der ses nu på samme numeriske azimutforskel, altså 20-40 o, blot for sne-perioden, for at identificere hvilken tendens refleksionskoefficienterne varetager, når terrænet er snebelagt. Side 60 af 89
Refleksiosnkoefficient [-] Danmarks Tekniske Universitet SNE. Der ses på værdier for numerisk azimutforksel mellem 20 o & 40 o 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 Syd Vest Øst 0,30 0,20 0,10 0,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Solhøjde [ o ] Figur 9-20 Refl.koeff. (ρ) ved SNE som funktion af α s når 20 o γ s -γ <40 o Af Figur 9-20 ses det at tendensen for refleksionskoefficienterne opfører sig modsat, end tendensen ved ikke-sne, jf. Figur 9-17. Med dette menes, at der ved de laveste solhøjder ses en lille spredning af refleksionskoefficienternes udbredelsesinterval, mens der ved øgede solhøjder forekommer større spredning af refleksionskoefficienterne. Dette skyldes at terrænet ændrer sig meget når det er snebelagt. Først og fremmest er det ujævne terræn, forårsaget at sten o.lign. ikke så markant om vinteren idet sneen vil forsøge at udjævne terrænet. Denne udjævning resulterer i, at der generelt ikke er meget reflekteret stråling som registreres på solhatten ved lave solhøjder, se Figur 9-21. Ved øgede solhøjder forekommer en større mængde registreret reflekteret stråling, men på baggrund af terrænets topografi, vil der til tider også forekomme standsning af strålingen, jf. Figur 9-22, hvilket forklarer spredningsintervallet. Årsagen til det relative brede interval af refleksionskoefficienterne ved højere solhøjder, skyldes at terrænet ved snebelagt jord, stadig ikke forekommer fuldstændigt plant. Figur 9-21 Refleksionsmønster for sne ved lave solhøjder Side 61 af 89
Refleksionskoefficient [-] Danmarks Tekniske Universitet Figur 9-22 Refleksionsmønster for sne ved høje solhøjder På samme måde som tidligere ses der nu på værdier hvor der forekommer en numerisk azimutforskel mellem 160 o & 180 o, ved både sne og ikke-sne. IKKE SNE. Der ses på værdier for numerisk azimutforskel mellem 160 o & 180 o 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 VEST NORD ØST 0,30 0,20 0,10 0,00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Solhøjde [ o ] Figur 9-23 Refl.koeff. (ρ) ved IKKE SNE som funktion af α s når 160 o γ s -γ <180 o Af Figur 9-23 ses det, at selv for ikke sne perioden ved andre numeriske værdier for azimutforskelle (γ s -γ), tegnes det samme billede som på Figur 9-17. I Bilag 5, ses det at mønstret gentages ved samtlige numeriske inddelinger af azimutforskellen, hvilket bekræfter, at den føromtalte tendens for reflekteret stråling ved ikke sne, er gældende uafhængigt af solens position. Side 62 af 89
Refleksionskoefficient [-] Danmarks Tekniske Universitet SNE. Der ses på værdier for numerisk azimutforskel mellem 160 o & 180 o 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Vest Nord Øst 0,3 0,2 0,1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Solhøjde [ o ] Figur 9-24 Refl.koeff. (ρ) ved SNE som funktion af α s når 160 o γ s -γ <180 o Af Figur 9-24 ses det, at tendensen for refleksionskoefficienten, gennem sne perioden, ikke fremtræder lige så markant som ved ikke-sne. I sammenhold med Bilag 5, der indeholder de resterende grafer for numeriske inddelinger af azimutforskellene, ses det at spredningen af refleksionskoefficientintervallet, gennem hele sneperioden, er bredere end ved ikke-sne. Dette skyldes, at terrænet gennem denne periode, er under konstant ændring grundet snedækkets foranderlighed. 9.4.3 SOLAZIMUT- FLADEAZIMUT OG SOLHØJDE For at danne et overordnet billede af betydningen af solhøjden samt betydningen af solens position, γ s -γ på refleksionskoefficienternes værdier, udføres sammenfattende grafer. Hhv. solhøjde og refleksionskoefficient afbildes som funktion af solazimut fladeazimut for både sneog ikke-sne perioden. Der udføres fire grafer for hver periode - en for hver retning syd, vest, nord og øst. Samtlige grafer er lagt i Bilag 6, men i det følgende vises blot resultaterne for sydretningen. Graferne i Bilag 6 illustrerer således værdien for refleksionskoefficienten og hvordan denne afhænger af årstiden, altså om jorden er snebelagt eller ej. Desuden er det muligt at sammenholde solhøjden med refleksionskoefficientens værdi, så betydningen af solhøjden kan bestemmes. Solens position, solazimut fladeazimut, har ligeledes betydning for refleksionskoefficientens værdi, og denne afhængighed kan bestemmes ud fra de udførte grafer. Figur 9-25 afbilder værdierne for refleksionskoefficienten for syd i sne perioden og Figur 9-28 afbilder de tilsvarende værdier af refleksionskoefficienten for syd i ikke-sne perioden. Der er udtaget 2 dage i hver periode, til at repræsentere forholdene ved hhv. start og slutning af sne- og ikke-sne perioden. Disse afbildes ligeledes grafisk. For sne-perioden drejer dette sig om dag 70 og dag 91, hhv. Figur 9-26og Figur 9-27, og for ikke-sne perioden afbildes dag 155 og dag 248, hhv. Figur 9-29 og Figur 9-30. Side 63 af 89
Solhøjde Refleksionskoefficient Solhøjde refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet SYD_SNE 50,00 1,00 45,00 0,90 40,00 0,80 35,00 0,70 30,00 0,60 25,00 0,50 20,00 0,40 15,00 0,30 10,00 0,20 5,00 0,10 0,00 0,00-180 -165-150 -135-120 -105-90 -75-60 -45-30 -15 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Solazimut-fladeazimut (azimutforskel) Solhøjde Refleksionskoefficient Figur 9-25 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i sne-perioden. dag 70 SYD SNE 50 1,0 45 0,9 40 0,8 35 0,7 30 0,6 25 0,5 20 0,4 15 0,3 10 0,2 5 0,1 0 0,0-180 -150-120 -90-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Solazimut-fladeazimut (azimutforskel) Solhøjde Refleksionskoefficient Figur 9-26 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i sne perioden, dag 70 Side 64 af 89
Solhøjde Refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet dag 91 SYD SNE 50 1,0 45 0,9 40 0,8 35 0,7 30 0,6 25 0,5 20 0,4 15 0,3 10 0,2 5 0,1 0 0,0-180 -150-120 -90-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Solazimut-fladeazimut (azimutforskel) Solhøjde Refleksionskoefficient Figur 9-27 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i sne perioden, dag 90. Af Figur 9-25 ses det, at refleksionskoefficienten antager de højeste værdier ved solopgang, hvorefter refleksionskoefficientens værdi aftager gennem dagen, gennem sneperioden. Det var forventet, at refleksionskoefficienten i sne-perioden ville antage de højeste værdier ved lave solhøjder, pga. den fremadrettede refleksion ved snedække, jf. Figur 9-9. Den laveste værdi for refleksionskoefficienten var forventet ved den højeste solhøjde, idet indfaldsvinklen her er størst, og den reflekterede stråling derfor primært vil reflekteres til himlen. Denne teori stemmer dog ikke overens med det billede der blev tegnet af refleksionskoefficienten i Figur 9-25, hvor en faldende refleksionskoefficient gennem dagen observeres. Især fra solazimut-fladeazimut lig 60 o ses et kraftigt fald i refleksionskoefficientens værdi, hvilket stemmer overens med de observationer der blev gjort i Sisimiut, mht. horisontafskærmning fra benzintanke, jf Figur 7-2. Desuden er der vand beliggende omkring øst, der kan øge refleksionen ved solopgang. For at opnå forståelse af sammenhængen mellem solhøjde og refleksionskoefficient sammenholdes Figur 9-26 og Figur 9-27. Det ses, at refleksionskoefficienten for dag 70 ligger højere end for dag 90, og at solhøjden gennem denne periode øges fra ca. 18 o til 27 o når solen står stik syd. Ud fra dette billede, kan det derfor siges, at solhøjden har betydning for refleksionskoefficientens værdi i sne-perioden, da det ses at refleksionskoefficientens værdi mindskes, når solhøjden øges. Side 65 af 89
Solhøjde Refleksionskoefficient Solhøjde Refleskionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet 50,00 IKKE SNE_SYD 1,00 45,00 0,90 40,00 0,80 35,00 0,70 30,00 0,60 25,00 0,50 20,00 0,40 15,00 0,30 10,00 0,20 5,00 0,10 0,00 0,00-180 -165-150 -135-120 -105-90 -75-60 -45-30 -15 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 Solazimut-fladeazimut (azimutforskel) Solhøjde Refleksionskoefficient Figur 9-28 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i ikke-sne perioden. dag 155 SYD IKKE SNE 50 1,0 45 0,9 40 0,8 35 0,7 30 0,6 25 0,5 20 0,4 15 0,3 10 0,2 5 0,1 0 0,0-180 -150-120 -90-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Solazimut-fladeazimut (azimutforskel) Solhøjde Refleksionskoefficient Figur 9-29 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i ikke-sne perioden, dag 155. Side 66 af 89
Solhøjde Refleksionskoefficient Danmarks Tekniske Universitet dag 248 SYD IKKE SNE 50,00 1,00 45,00 0,90 40,00 0,80 35,00 0,70 30,00 0,60 25,00 0,50 20,00 0,40 15,00 0,30 10,00 0,20 5,00 0,10 0,00 0,00-180 -150-120 -90-60 -30 0 30 60 90 120 150 180 Solazimut-fladeazimut (azimutforskel) Solhøjde Refleksionskoefficient Figur 9-30 Hhv. α s og refleksionskoefficient som funktion af γ s -γ for syd i ikke-sne perioden, dag 248. Ved sammenligning af Figur 9-25 og Figur 9-28 ses det tydeligt, at refleksionskoefficientens værdi afhænger af terrænets underlag. Refleksionskoefficienten ved snedække er betydelig højere end ved bar jord. Refleksionskoefficientens værdi varierer generelt ikke meget i ikke-sne perioden, jf. Figur 9-28. Refleksionskoefficienten antager en smule højere værdi ved solopgang, og ligesom for sneperioden, er refleksionskoefficientens værdi faldende gennem dagen. Solhøjdens betydning er begrænset, men en tendens mod faldende refleksionskoefficient ved øget solhøjde kan tilnærmes. Den faldende tendens af refleksionskoefficienten gennem dagen kan begrundes med den nærliggende horisontafskærmning fra benzintankene og vindmåleren, jf. Figur 7-2. Ved sammenligning mellem Figur 9-29 og Figur 9-30, ses det, at solhøjden fra dag 155 til dag 248 aftager fra ca. 46 o til 29 o når solen står stik syd, hvilket dog ikke har den store indflydelse på refleksionskoefficientens værdi. Det kan derfor konkluderes, at solhøjden ikke har nogen videre betydning for refleksionskoefficienten for jordreflekteret stråling. 9.4.4 SNEENS ALDER Indvirkningen af sneens alder på refleksionskoefficienten undersøges nærmere, da det forventes, at refleksionen af indkommen solstråling vil reduceres, efterhånden som sneen ældes og bliver mere forurenet. Sneflagernes størrelse afhænger af flere parametre under dannelsen, heriblandt lufttemperatur og vindhastighed samt vandindholdet i nedbørsskyen. Dette behandles dog ikke videre, da der ønskes at fokusere på refleksionskoefficientens afhængighed af sneens alder- altså den faldne sne. På baggrund af sneens porøse struktur, reflekteres solstrålingen ikke udelukkende på sneoverfladen, men derimod ned i en dybde af 0,1 m sne. Derved vil mængden af nedbør ligeledes spille en rolle Side 67 af 89
ved refleksionen, da den underliggende overflade (jorden) ved små mængder nedbør vil nås af solstrålingen. Generelt gælder, at refleksionskoefficienten er højest for nyfalden sne. Refleksionskoefficienten aftager med sneens alder, jf. Figur 9-31. Både i den akkumulerende periode (efterår og vinter) samt i smeltesæsonen (foråret) er refleksionskoefficienten afhængig af sneens opholdstid på jorden. Figur 9-31 Refleksionskoefficient som funktion af sneens alder [2] For at opnå en forståelse for den variende refleksionskoefficient i sne-perioden, illustreres værdierne for refleksionskoefficienten ved sand soltid, T s [11.30;12.30] over hele perioden med sne, jf. Figur 9-32. Disse refleksionsværdier sammenholdes med nedbørsdata og temperatur i den pågældende periode. Dette er data der stammer fra ASIAQ, men det skal nævnes, at især nedbørsmålingerne er meget usikre. Side 68 af 89
Figur 9-32 ref.koeff. for Ts [11:30;12:30] over sneperioden sammenholdt med temperatur og nedbørsdata. Fra http://www.wunderground.com/global/gl.html er det aflæst, hvornår der forekom snefald i 2005, og disse tidspunkter er markeret ved illustration af refleksionskoefficienten, jf. Figur 9-32. Variationen i refleksionskoefficientens værdi gennem sne-perioden kan dels forklares ud fra disse temperatur- og nedbørsoplysninger. Jf. Figur 9-32, ses en faldende refleksionskoefficient i perioden dag 69-78. Der er i denne periode ikke registeret snefald, og derfor mindskes sneens refleksion efterhånden som sneen ligger længere tid på jorden. I dag 78 registreres snefald, og de efterfølgende dage: dag 79 og dag 80 har en høj refleksionskoefficient. Fra dag 81 til dag 86 falder der ikke noget sne, og det ses, at refleksionskoefficienten gennem denne periode igen er faldende. Temperaturens indvirkning på refleksionskoefficientens størrelse illustreres ved dag 69 til dag 72. Her ligger middeltemperaturen over frysepunktet, og det må derfor antages, at sneen smelter. Refleksionskoefficienten for dag 72 udviser et fald i værdi, hvilket forårsages af den gamle og smeltede sne. Refleksionskoefficienten for dag 73 er igen høj, hvilket kan ses som et resultat af en middeltemperatur lige omkring frysepunktet. Det kunne tænkes, at den smeltede sne er frosset, og derved opnår en højreflekterende overflade. Grundet usikkerhederne i nedbørsmålingerne er det svært at give en klar vurdering af snealderens indvirken på refleksionskoefficientens størrelse. Men sammenholdt med temperaturmålingerne og visuel registrering, er det muligt at give en indikering af påvirkningen. Side 69 af 89