WRF MODELİ İLE GÜNEŞ RADYASYONU ÖNGÖRÜSÜNDE AEROSOL ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ

Transkript

1 WRF MODELİ İLE GÜNEŞ RADYASYONU ÖNGÖRÜSÜNDE AEROSOL ETKİSİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ Burak ÖZTANER 1, Abdullah KAHRAMAN 2, Erhan ÇALIŞKAN 3, Şeyda TANRIÖVER 1, Ceyhan KAHYA 1, Bülent AKSOY 2, Selahattin İNCECİK 1, Sema TOPÇU 1, Zafer ASLAN 4, Burak BARUTÇU 1, İsmail SEZEN 2, Serim SAKARYA 1, Ali DENİZ 1 1 İstanbul Teknik Üniversitesi, ckahya@itu.edu.tr, incecik@itu.edu.tr, stopcu@itu.edu.tr, barutcub@itu.edu.tr 2 Meteoroloji Genel Müdürlüğü, baksoy@mgm.gov.tr 3 İO Çevre Çözümleri Ar-Ge LTD. Şti. 4 İstanbul Aydın Üniversitesi, prof.dr.zafer.aslan@gmail.com ÖZET Bu çalışmada Türkiye nin Güneydoğu Anadolu bölgesinde açık gökyüzü şartlarında global güneş radyasyon model tahmin sonuçları ve buna ait ölçüm değerleri arasında meydana gelen farklılık üzerinde aerosol etkisini araştırmak üzere NASA ya ait Terra uydusunun MODIS spektro radyometresinden alınan aerosol optik derinlik (AOD) (550 nm) verileri kullanılmış ve bir dizi analiz yapılmıştır. Tüm istasyonlarda WRF-ARW modeli ile tahmin edilen radyasyon pik değerleri gözlemlere göre daha yüksek bulunmuştur. Göz önüne alınan günler için Güneydoğu Anadolu Bölgesindeki toz taşınımı HYSPLIT modeli kullanılarak da araştırılmış, toz kaynakları ve bunlara ait yörüngeleri belirlenmiştir. Bu değerlendirmede PM10 ölçümlerine de yer verilmiştir. Elde edilen bulgular, öncelikle güneşlenme indeksi ile açıklık indeksi arasındaki aşırı sapmaların aerosol etkilerini destekler nitelikte olduğunu göstermektedir. Bu çalışma Tübitak-COST 111Y234 no lu projenin bir parçasıdır. Anahtar Kelimeler: WRF-ARW, Global güneş radyasyonu, Aerosol, MODIS, AOD GİRİŞ Türkiye nin enerji politikası hedefine göre 2023 yılına kadar yenilenebilir enerji kaynaklarının payının en az %30 olması;; güneş kurulu gücünün ise 3000 MW a ulaşması planl. Anmaktadır. Ülkemizde, güneş enerjisinden halen yaygın olarak düzlem güneş paneller dışında yararlanamamaktadır. Fotovoltaik panel uygulamaları ise aydınlanma ve veri toplama gibi gereksinimlerde kullanılmaktadır. Güneş enerjisi kaynağının Türkiye deki enerji açığının önemli bir kısmını güneş enerjisinden karşılaması konusu üzerinde, dünya genelinde olduğu gibi ülkemizde de önemle durulmaktadır. Türkiye nin coğrafi konumu, güneş enerji potansiyelinden yararlanılması açısından çok elverişlidir. Akdeniz Bölgesi nde güneş enerjisinden en çok yaralanan bölgelerin ülke İspanya dır. İspanya'nın Endülüs bölgesi, kurulu güneş paneli sayısı ve 6512 MWh elektrik enerjisi üreten kurulu 3618 kwp'lik fotovoltaik (PV) tesis ile güneş enerjisi bakımından önemli bir bölgedir. Yıllık toplam güneşlenme süresi 2890 saat ve kullanılabilir güneş radyasyonu değeri yıllık toplam 1670 kwh/m 2 dir (Ridao, vd, 2007; Climatemps, 2013). Endülüs Bölgesi ile aynı enlem üzerinde yer alan Güneydoğu Anadolu bölgesi (GAB) (37 K ;;40 D), yıllık toplam güneşlenme süresi ve yıllık toplam güneş radyasyon miktarı bakımından Türkiye nin en önemli bölgesidir. Bölgede yıllık toplam güneşlenme süresi 2993 saat, yıllık toplam güneş radyasyonu miktarı ise 1460 kwh/m 2 dir 311

2 (YEK Genel Müdürlüğü, 2013). GAB, güneş radyasyonu bakımından ülke ortalamasının %11, güneşlenme süresi bakımından da %13 üzerindedir. Ayrıca, GAB'i temsilen incelenen istasyonlar üzerinden bölgenin ortalama yıllık güneşlenme süresinin 3086 saattir (Tablo 1). Tablo.1. GAB de Güneşlenme Süresi ve Güneş Radyasyonu Değerleri İstasyon Güneşlenme Süresi (saat) Güneş Radyasyonu (MJ/m 2 yıl) Bozova Ceylanpınar Kilis Mardin Şırnak Ortalama Yeryüzüne ulaşan güneş radyasyonu, astronomik, coğrafî ve meteorolojik etkenlerin yanısıra bölgesel ve mevsimsel özellikler göstermektedir. Radyasyon miktarı, atmosferin hem kimyasal hem de dinamik karakteriyle birlikte değişmektedir. Bulutluluk, yeryüzüne ulaşan güneş radyasyonu miktarının bağlı olduğu anahtar etmenlerden biridir. Güneş radyasyonun modellenmesi ile ilgili olarak, özellikle sayısal hava tahmin modelleri yardımıyla birçok çalışma yapılmıştır (Lorenz, vd., 2009 ; Lara-Fanego, vd., 2012; Ruiz-Arias, J.A., vd., 2011; Heinemann, vd., 2006). Bu enerji kaynağının verimli kullanımı ve yönetimi, güneş radyasyonu tahminlerinin tutarlılığı ile birebir bağlantılıdır (Lorenz, vd, 2009; Bakirci, 2009). Bunun yanısıra GAB de son yıllarda artan miktarda toz taşınımının etkileri çeşitli çalışmalarda da konu edilmiştir ( Gültekin vd., 2011). Bu çalışmanın amacı WRF-ARW mezo-ölçek atmosfer modeli kullanılarak toz taşınımının en etkin olduğu Güneydoğu Anadolu Bölgesi için açık gökyüzü koşullarında global radyasyonun 72 saatlik öngörü simülasyonlarını ve bunlar üzerindeki aerosol etkilerini değerlendirmektir. WRF-ARW ile güneş radyasyon öngörüsünde en başarılı sonucu elde etmek üzere kısa ve uzun dalga radyasyon, mikrofizik, sınır tabaka ve yüzey tabaka parametrizasyonlarını içeren beş farklı küme (WRF0,WRF1,WRF2,WRF3 ve WRF4), 2011 Ağustos döneminde belirlenen açık gökyüzü koşulları için çalıştırılmıştır. 4km lik yatay çözünürlüğe dayalı global güneş radyasyon öngörüleri için GAB de 5 istasyona (Bozova, Ceylanpınar, Kilis, Mardin ve Şırnak) ait ölçüm sonuçları istatistiksel olarak değerlendirilmiştir. Yere ulaşan güneş radyasyonu üzerinde atmosferin azaltıcı etkisini belirlemek üzere öncelikle güneşlenme süresine bağlı olarak güneşlenme indeksi ve yere ulaşan radyasyona bağlı olarak açıklık indeksleri de hesaplanmış, açık günler için iki indeks arasında ilişkiler araştırılmıştır. 2. VERİ VE METODOLOJİ Sunulan çalışmada global güneş radyasyonu potansiyelinin en yüksek olduğu GAB nin güneyinde yer alan Ortadoğu ve Arap Çöllerindeki aerosol kaynağının bölgeyi etkilemesi sebebiyle global güneş radyasyonu üzerindeki aerosol etkisinin araştırılması hedeflenmiştir. Global güneş radyasyonu verileri Meteoroloji Genel Müdürlüğü nden (MGM) temin edilmiştir. 312

3 Tablo 2 de çalışmada kullanılan istasyonlar ve coğrafik bilgileri verilmiştir. Ülkemizde doğu bölgelerimizde solarimetre ile yapılan güneş gözlemleri 2010 yılı sonunda başlatılmıştır. Bu çalışmada araştırma periyodu olarak, global güneş radyasyonu üzerinde aerosol etkisinin araştırılabileceği dönem yaz mevsimi açık gökyüzü koşullarının olduğu Ağustos 2011 seçilmiştir. Tablo.2. GAB istasyonlarına ait enlem/boylam ve yükseklikleri İstasyonlar Enlem (derece) Boylam (derece) Yükseklik (m) Kilis Ceylanpınar Bozova Şırnak Mardin WRF-ARW Modeli Çalışmada, hidrostatik olmayan, orta ölçekli bir sayısal hava tahmin modeli olan Weather Research & Forecast Model (WRF) kullanılmıştır (Skamarock, vd, 2008). WRF modeli grid altı süreçlerin modelde temsiline olanak sağlayan birçok fiziksel parametrizasyon seçeneğine sahiptir. Radyasyon tahmini açısından kritik olanların başında kısa ve uzun dalga radyasyon, mikrofizik, sınır tabaka ve yüzey tabaka parametrizasyonları gelmektedir (Tablo 3). Orta ölçekli grid çözünürlüklerinde WSM3, WSM5 ve WSM6 şemalarının işleyişleri arasında çok düşük farklar meydana gelirken, bulut etkisinin çözümlenebildiği grid aralıklarında, bu parametrizasyonlar farklı davranışlar sergilemektedirler. Bulut çözümleme hücreleri bakımından en elverişli olanı WSM6 dır (Hong and Lim, 2006). Bu nedenle 4 km çözünürlüklü domain göz önünde alınarak WSM6 tercih edilmiş, bölgesel modelin başlangıç ve sınır koşullarını oluşturmak için de 1 derece çözünürlüklü NCEP GFS küresel operasyonel model analizleri ve küresel ölçekli sayısal model çıktıları olarak da NCEP ürünleri kullanılmıştır. Model alanının grid çözünürlükleri sırasıyla 36, 12 ve 4 km dir. GAB için yüksek çözünürlüklü iki ayrı domain belirlenmiş (Şekil 1), en içte bulunan GAB için bu değerler 130,157 ve 106, 97 şeklindedir. Topoğrafya verisi olarak USGS veri setleri kullanılmıştır. Şekil 1. WRF Model alanları 313

4 Tablo 3. Beş farklı fizik paketi için model konfigürasyonları Fizik Parametreleri WRF(0) WRF(1) WRF(2) WRF(3) WRF(4) SW Radiation RRTMG RRTMG FLG Goddard RRTMG LW Radiation RRTM RRTM FLG Goddard RRTM Microphysic WSM6 Thomson Thomson Goddard WSM6 Surface Layer Monin Obukhov - Carlson Boland Surface Phys. NOAH NOAH NOAH NOAH NOAH PBL Yonsei Uni Yonsei Uni Yonsei Uni Yonsei Uni MYJ Cumulus Kain Fritsch Kain Fritsch Kain Fritsch Kain Fritsch Kain Fritsch Ayrıca, NASA ya ait Terra uydusunun MODIS spektroradyometresinden alınan aerosol optik derinlik (AOD550) verileri kullanılmıştır (MODIS, 2013). Bu ürün kullanılarak istasyon üzerindeki AOD değişimlerine göre global güneş radyasyonundaki sapmalar ve değişimler açıklanmaya çalışılmıştır Güneşlenme ve Açıklık İndeksleri Çalışmada, yere ulaşan güneş radyasyonu üzerinde atmosferin azaltıcı etkisini belirlemek üzere öncelikle güneşlenme süresine bağlı olarak güneşlenme indeksi ve yere ulaşan radyasyona bağlı olarak açıklık indeksleri de hesaplanmış, açık günler için iki indeks arasında ilişkiler araştırılmıştır. Açıklık indeksi, günlük global güneş radyasyonunun (H) atmosferin dışına gelen günlük radyasyona (H0) oranıdır. Bu çalışmada hava kalitesini doğrudan temsil eden bulutsuz koşulların geçerli olduğu gerçeğine bağlı olarak sadece açık günler incelenmiştir. Açık gün koşulu için Eşitlik (1) ile bu durumu açıklamak mümkündür: Hc = H0 (a+b) (1) Hc, açık bir günde gelen güneş radyasyonunun en büyük değeri anlamındadır. Açık bir gün için açıklık indeksini aşağıdaki gibi elde etmek mümkündür: kc = H / Hc (2) kc, açık günler için açıklık indeksini temsil etmektedir. Eşitlik 2, bulutsuz koşullarda sadece atmosferik etkiyi içermektedir. 314

5 3. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME Açık gökyüzü koşulları için elde edilen model çıktılarının gözlem verileri ile karşılaştırılmasını içeren çalışma sonuçları Şekil 2 de verilmiştir. Genel olarak model çıktıları gözlemler ile uyum içerisindedir. Model çıktılarının, değer olarak daha fazla öngörüde (overestimation) bulundukları belirlenmiştir. Şekil.2. Model simülasyonları Elde edilen tüm istatistiksel doğrulama ürünleri birleştirilerek, açık günler için Tablo 4 de verilmiştir. Kullanılan BIAS ve RMSE değerleri gözlemlere göre normalize edilmiş değerlerdir. Normalize BIAS değerleri tüm simülasyonlarda 0,10 ile 0,21 arasında değişmektedir. Kilis, Mardin ve Şırnak istasyonlarında daha düşük hata görülmektedir. En başarılı sonuçların WRF(1) ve WRF(2) fizik parametre setleri ile elde edilebildiği görülmektedir. Normalize RMSE değerlerinin tüm simülasyonlar ve tüm istasyonlar için 0,20 ile 0,39 arasında gerçekleşmekte, yine Mardin ve Şırnak için daha başarılı sonuçlar 315

6 vermektedir. WRF(1) ve WRF(2) simülasyonları daha düşük normalize RMSE değerlerine sahiptir. Tablo.4. Açık gökyüzü koşulları için model konfigrasyonlarına ait istatistiksel değerlendirme İstasyon Parametre WRF 0 WRF 1 WRF 2 WRF 3 WRF 4 Bozova BIAS 0,17 0,17 0,17 0,21 0,16 RMSE 0,34 0,34 0,35 0,39 0,34 Ceylanpınar BIAS 0,18 0,18 0,17 0,21 0,18 RMSE 0,27 0,26 0,26 0,31 0,27 Kilis BIAS 0,16 0,13 0,10 0,20 0,17 RMSE 0,32 0,31 0,34 0,36 0,35 Mardin BIAS 0,12 0,12 0,11 0,11 0,13 RMSE 0,21 0,21 0,21 0,21 0,22 Şırnak BIAS 0,14 0,14 0,13 0,17 0,14 RMSE 0,21 0,21 0,20 0,25 0,20 Açıklık indekslerindeki değişim miktarları, atmosferin zayıflatıcı etkisinin atmosferi oluşturan bileşenlere olan bağlılığını ortaya koymaktadır. Açıklık ve güneş indeksleri arasındaki fark ve değişim oranları Şekil 3 de gösterilmiştir. Buna göre, bölgede analiz edilen istasyonlar Ceylanpınar hariç olmak üzere, grafiğin negatif bölgesine oldukça güçlü salınımlar göstermektedirler. Yaklaşık %100 oranlarına varan bu salınımlar, kurgulanan hipotezimize aykırı davranışlar göstermektedir. Güneş indeksinin, açıklık indeksinden oldukça yüksek olması koşulları;; güneşli havalarda yere ulaşan radyasyonun beklenilenden daha az miktarda yere ulaştığını göstermektedir. Şekil.3. Açıklık ve güneş indeksleri arasındaki fark ve değişim oranları (%). 316

7 Genel olarak atmosfer içerisinde saçılma, soğurma ve yansıtılma gibi fiziksel etkileşimler nedeni ile miktarında azalma olması beklenen güneş radyasyonun, bu boyutta azalması bir başka harici etkinin varlığını göstermektedir. Bunun ise gerek sınır ötesi ve gerekse bölgesel, kuru ve yarı-kurak alanlardan kalkan tozların, yere ulaşan radyasyon üzerindeki azaltıcı etkisinden kaynaklandığı düşünülebilir. GAB in özel topoğrafik koşulları göz önüne alındığında yerel toz kaynaklarının da etkili olduğu söylenebilir. Gültekin vd., (2011) tarafından yapılan ve Diyarbakır istasyon verileri ile yapılan bir çalışmaya göre;; GAB, son yıllarda artan miktarda toz taşınımının etkilerini görmektedir. Ceylanpınar istasyonunun farklı etki göstermesi yerel toz kaynaklarının sınırlı olduğu varsayımına dayandırılabilir. Genel olarak, mevcut güneşlenme miktarında yere ulaşması beklenilen ve/fakat beklenilenden daha az miktarda yere ulaşabilen radyasyonun nedeninin, atmosferdeki toz varlığı olduğu söylenebilir Aerosol Etkisi Global radyasyon model öngörüleri ile ölçümler arasındaki farklar üzerinde aerosol etkisini araştırmak üzere AOD550 verileri kullanılarak bir dizi analiz yapılmıştır. AOD ile global güneş radyasyonu arasındaki korelasyon düşük olsa da Kilis İstasyonu hariç anlamlılık düzeyleri %95'in üzerindedir (Tablo 5). Kilis İstasyonunda anlamlılık düzeyi kabul edilebilir sınırlar içerisinde değildir. Global güneş radyasyonunda değişimler bu istasyon için aerosol dışındaki su buharı vb. parametreler ile açıklanabilir. Açık gökyüzü şartlarında elde edilen 72 saatlik model çıktıları ve buna ait gözlem verileri ile AOD gözlemleri karşılaştırılmıştır. Buna göre global güneş radyasyonunda 20 Ağustos 2011'den 22 Ağustos 2011'e doğru artış eğilimi gözlemlenirken, AOD550 azalma eğilimi göstermiştir. Model sonuçlarındaki bu artış ve AOD550 'deki azalma en iyi Bozova ve Ceylanpınar istasyonlarında görülmektedir (Şekil 4). Model çıktıları için yapılan değerlendirmede de en yüksek ortalama hata bu iki istasyonda görülmüştür (Tablo 4). Tablo yılı yaz ayları için Global Güneş Radyasyonu ile AOD arasındaki ilişki İstasyonlar r Anlamlılık Düzeyi p-değeri Kilis St %85 1 Bozova St % Mardin St % Şırnak St %

8 Şekil.4. Bozova istasyonu için Global Güneş Radyasyonun ve AOD550 Global radyasyon öngörüsü ve gözlem değerleri arasındaki farkın üzerinde aerosol etkisini araştırmak amacıyla istatistik testler uygulanmıştır. Yapılan analiz model çıktıları ile gözlemler arasındaki farkın AOD550 ile karşılaştırılmasıdır. Buna göre çalışma periyodunda beklendiği gibi model simülasyon sonuçları ile gözlemler arasındaki fark azaldıkça AOD550'in azaldığı görülmüştür. 20 Ağustos günü yüksek AOD550 sebebiyle çalışma periyodu içindeki en düşük global güneş radyasyonu ölçümleri ve simülasyon çıktıları bu tarihte gözlemlenmektedir (Şekil 6). Bu sonuçları yapılan güneşlenme ve açıklık indeksi analizindeki sapmalar Ceylanpınar hariç desteklemektedir. Şekil.5. Bozova istasyonu için model ve gözlemler arasındaki farklar ve AOD

9 Şekil Ağustos 2011 deki AOD550 nin yersel dağılımı Şekil Ağustos 2011 arasında GAB de PM10 konsantrasyon değişimi Ceylanpınar dışında kalan tüm istasyonlar kuvvetli negatif salınımlar yaparak global güneş radyasyonundaki aşırı sapmaların aerosol kaynaklı olabileceğini destekler nitelikte bulunmuştur. Ayrıca bu değerlendirmede PM10 ölçümlerine de yer verilmiştir (Şekil 7). Çalışma bölgesindeki istasyonlara en yakın hava kalitesi istasyonlarından alınan PM10 verisi çalışma periyodu için incelenmiştir. Buna göre tüm istasyonlarda ölçülen PM10 azalma eğilimdedir. Şanlıurfa hava kalitesi istasyonunda gün batımından sonra meydana gelen episotlarda da azalma görülmektedir. Ancak Mardin hava kalitesi istasyonunda PM10 ölçümü yapılmadığı için PM10 etkisi değerlendirilememiştir. Bunun yanı sıra GAB de toz taşınımı HYSPLIT modeli kullanılarak da araştırılmış, toz kaynakları ve bunlara ait yörüngeleri 319

10 belirlenmiştir. Bu dönem içerisinde toz taşınımın etkin olmadığı, ağırlıklı olarak bölgesel aerosol etkisinin olduğu söylenebilir. KAYNAKLAR Bakirci, K. (2009). Correlations for estimation of daily global solar radiation with hours of bright sunshine in Turkey. Energy(34), Climatemps. (2013, 05 31): Gültekin, M., Müslüm, M., & Akçakaya, A. (2011). Diyarbakır'da toz taşınımı ve klimatolojik analizi. V.Atmosfer Bilimleri Sempozyumu. İstanbul: İTÜ. Heinemann, D., Lorenz, E., & Girodo, M. (2006). Forecasting of solar radiation. E. Dunlop, L. Wald, & M. Suri içinde, Solar Energy Resource Management for Electricity Generation from Local Level to Global Scale. Hauppauge: Nova Science Publishers. Hong, S.-Y., & Lim, J. (2006). The WRF Single-Moment 6-Class Microphysics Scheme(WSM6). Journal of Korean Meteorology Society(42), Lara-Fanego, V., Ruiz-Arias, J., Pozo-Va zquez, D., Santos-Alamillos, F., & Tovar-Pescador, J. (2012). Evaluation of the WRF model solar irradiance forecasts in Andalusia (Southern Spain). Solar Energy(86), Lorenz, E., Remund, J., Müller, S., Traunmüller, W., Steinmaurer, G., Pozo, D.,... Guerrero, C. 2009, Benchmarking of different approaches to forecast solar irradiance. 24th European Photovoltaic Solar Energy Conference. Hamburg, Germany. MODIS (2013) MODIS Atmosphere: modis-atmos.gsfc.nasa.gov Ridao, A., Garcıa, E., Escobar, B., & Toro, M. (2007). Solar energy in Andalusia (Spain): present state and prospects for the future. Renewable and Sustainable Energy Reviews(11), Ruiz-Arias, J., Pozo, D., Lara-Fanego, V., Santos-Alamillos,, F., & Tovar-Pescador, J. (2011). A High-Resolution Topographic Correction Method for Clear-Sky Solar Irradiance Derived with a Numerical Weather Prediction Model. J. Applied Meteorology and Climatology(50), Skamarock, W., Klemp, J., Dudhia, J., Gill, D., Barker, D., Duda, M., Powers, J. (2008). A description of Advanced Research WRF Version 3. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Genel Müdürlüğü;;. (2013, 05 30). Yenilenebilir Enerji Kaynakları Genel Müdürlüğü. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Genel Müdürlüğü Web Sitesi: adresinden alınmıştır 320