Precisión y exactitud de simulaciones de radiancia de cielo mediante su comparación con medidas experimentales

Abstract

La radiación solar que llega a la Tierra es responsable de multitud de fenómenos dignos de estudio y puede verse afectada por factores astronómicos y atmosféricos. Esta radiación presenta una alta variabilidad y, en ocasiones, su medida puede ser compleja o consumir un tiempo o recursos de los cuales puede no disponerse. Las herramientas de simulación de distintos fenómenos como alternativa a la toma directa de medidas ha probado ser una alternativa viable en muchos campos, capaz de ahorrar tiempo y de ofrecer datos de calidad. El objetivo de este trabajo es averiguar la precisión y exactitud del programa “libRadtran” para simular correctamente la radiancia que llega a la superficie de la Tierra en condiciones sin nubosidad. Para ello, se van a comparar las medidas de radiancia simuladas obtenidas por dicho programa, con las obtenidas por un fotómetro solar situado en la localidad de Valladolid. Las simulaciones se realizarán para las condiciones conocidas en Valladolid en el periodo enero-marzo 2020. La toma de datos reales se obtiene de un fotómetro perteneciente a la red AERONET (Aerosol Robotic Network) e instalado en la terraza de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Valladolid. Será clave toda la información acerca de las propiedades de los aerosoles y vapor de agua que aporta dicho instrumento para una correcta caracterización de la atmósfera en las simulaciones a realizar. La simulación en “libRadtran” ha sido configurada mediante dichos archivos para ser lo más similar posible a las condiciones reales de los días que se querían simular. En este trabajo se han realizado un total de 170 simulaciones y los datos de las mismas han sido adquiridos, procesados, y manipulados mediante una rutina escrita en MATLAB. La comparación final de los valores simulados y los valores reales se ha realizado utilizando rutinas programadas en dicha plataforma de la misma manera. Los datos que se han obtenido reflejan la radiancia obtenida para varios días a lo largo de los primeros meses del año 2020, y han sido tratados para eliminar medidas que estén contaminadas por nubes parciales y que no se pueden usar en la comparación. El estudio se ha realizado en función de las longitudes de onda disponibles en el fotómetro (440, 675, 870, 1020 nm) y del ángulo de “scattering”. Se ha realizado un análisis estadístico de la comparación entre simulaciones y medidas experimentales. Las principales conclusiones que se pueden obtener de este trabajo son que la simulación con “libRadtran” ofrece un sistema preciso, en el que, aunque funciona mejor para algunas longitudes de onda, las discrepancias generales son bajas. Además, la integración con MATLAB permite realizar modificaciones sucesivas al programa y calcular estos resultados para otras otras condiciones de aerosol, vapor de agua además de diferentes parámetros.

Solar radiation that reaches Earth is responsible for many essential phenomena and it can be affected by astronomical and atmospheric factors. This radiation has an enormous variability, and its measurement can sometimes be complex and consume time or resources which may not be available at the moment. Simulation tools can be used as an viable alternative to direct measuring, providing good quality data and saving time. The objective of this research is to evaluate the precision and accuracy of the athmospheric simulation program “libRadtran” when used to simulate the radiance that reaches the surface of the Earth under non-cloudy conditions. For this, some simulated radiance values obtained with the program will be compared with solar radiance values measured by a photometer in Valladolid. Simulations will be done under known conditions for Valladolid between January and March 2020. The real measurements are obtained from a photometer belonging to the AERONET network which is installed on the terrace of the Science Faculty of the University of Valladolid. The information about the aerosol and water vapour properties that the instrument is able to provide will be key for the proper characterizaton of the athmosphere for the simulations. The simulation in “libRadtran” has been configured using these files in order to be as similar as possible to the real conditions of the days in which the measures were taken. In total, 170 simulations have been carried out and the obtained data has been acquired, processed, and manipulated through a written routine in MATLAB. The final comparison of the simulated values and the measured values has been performed using routines programmed in MATLAB as well. The data reflect the radiance obtained for several days throughout the first months of the year 2020, and have been treated to remove measures that were affected by partial clouds and that cannot be used at the comparison. THe study has been performed according to the different wavelengths available at the photometer (440, 675, 870, 1020 nm) and the scattering angle. An statistic analysis has been carried out between the experimental measures and the simulations. The main conclusions that can be obtained from this work are that the simulation with “libRadtran” offers a precise system, in which, although the program works better for some wavelengths, the overall discrepancies are low. Also, the proposed integration with MATLAB allows successive modifications to the program and the calculation of these results for other conditions.