Δορυφορική παρατήρηση Ανέμων ως εργαλείο για την εκτίμηση του Αιολικού δυναμικού σε Υδάτινες περιοχές: Ο χάρτης ανέμων των Μεγάλων Λιμνών
Από RemoteSensing Wiki
Satellite winds as a tool for offshore wind resource assessment: The Great Lakes Wind Atlas
Paula Doubrawa a,⁎, Rebecca J. Barthelmie a, Sara C. Pryor b, Charlotte B. Hasager c, Merete Badger c, Ioanna Karagali c a Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering, Cornell University, Upson Hall, Ithaca, NY 14850, United States b Department of Earth and Atmospheric Sciences, Cornell University, Bradfield Hall, Ithaca, NY 14850, United States c DTUWind Energy, Risø Campus, Technical University of Denmark, Frederiksborgvej 399, 4000 Roskilde, Denmark
πηγή: [1]
Μετάφραση περίληψη
Θέμα και Πεδίο Μελέτης
Στην έρευνα αυτή αναγνωρίζεται ως η βασική διαδικασία για την εκμετάλλευση της αιολικής ενέργειας σε μία περιοχή: η αξιόπιστη δημιουργία χαρτών με τις ταχύτητες των ανέμων και την υποσχόμενη ενέργεια που μπορεί να αντληθεί. Σε αυτό το πλαίσιο επιχειρείται να δοθεί μία μέθοδος που θα εκμεταλλεύεται τα οφέλη των επίγειων και των δορυφορικών μετρήσεων, θα τις συνδυάζει και θα κατασκευάζει χάρτες για υδάτινες περιοχές, με περισσότερη και πιο έγκυρη πληροφορία. Η μελέτη διεξάχθηκε στις Μεγάλες Λίμνες (Great Lakes) της βόρειας Αμερικής που παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον. Ωστόσο, λόγω της γεωγραφικής θέσης, συμπεριλήφθηκε ένα ακόμα πρόβλημα στο εγχείρημα που ήταν η ύπαρξη πάγου στην επιφάνεια των λιμνών κατά τους χειμερινούς μήνες.
Δεδομένα από κάθε πηγή και Μεθοδολογία Ανάλυσης
Οι μετρήσεις που χρησιμοποιήθηκαν και η συνολική επεξεργασία των δεδομένων φαίνεται στην εικόνα 1. Η έρευνα επικεντρώθηκε στην εξαγωγή αποτελεσμάτων κυρίως στα 90m ύψος. Γιατί, αυτό είναι ένα κομβικό ύψος για ανεμογεννήτριες σε υδάτινες περιοχές και επιπλέον δινόταν η ευκαιρία σύγκρισης των αποτελεσμάτων με παλαιότερες εργασίες.
Επίγεια δεδομένα (in situ)
Χρησιμοποιήθηκαν 70 μετεωρολογικοί σταθμοί στις ακτές των λιμνών και 20 σημαδούρες μέσα στις λίμνες. Οι σταθμοί μπορούν να εκτιμήσουν τους ανέμους τοπικά και οι σημαδούρες μέσα στο νερό. Και τα δύο έχουν υψηλή χρονική συχνότητα μετρήσεων αλλά σε πολύ διαφορετικά ύψη. Λιγότερο στην περιοχή μελέτης, κι όσον αφορά τους σταθμούς, αλλά γενικά για τα επίγεια μέσα, ισχύει ότι έχουν μεγάλη διασπορά στον χώρο που δημιουργεί προβλήματα. Επιπρόσθετα, οι σημαδούρες απομακρύνονται όταν οι λίμνες καταλαμβάνονται από πάγο. Για την μεγαλύτερη ακρίβεια αποκλείστηκαν μετρήσεις που είχαν μεγάλο κίνδυνο σφάλματος εξαιτίας των τεχνικών χαρακτηριστικών των οργάνων μέτρησης και εξετάστηκαν τα χρονικά διαστήματα στα οποία υπήρχε επάρκεια στοιχείων. Για την σύνθεση των στοιχείων από διαφορετικά ύψη και σε διαφορετικά σημεία, ώστε να παραχθούν γενικά μοντέλα της συμπεριφοράς των ανέμων που χρειάζονταν στην έρευνα χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό Wind Atlas Analysis and Application Program (WasP). Μία ομάδα των απαραίτητων δεδομένων για το πρόγραμμα λήφθηκε από το NASA's Shuttle Radar Topography Mission. Για τον προσδιορισμό των ανέμων στις περιόδους με πάγο, χρησιμοποιήθηκε συγκεκριμένη διαδικασία από άλλη δημοσίευση. Τα αποτελέσματα ελέγχθηκαν σε ένα βαθμό από τους μετεωρολογικούς σταθμούς στις ακτές. Με όλα αυτά τα βήματα κατασκευάστηκαν 90 χάρτες, ένας για κάθε σημείο μέτρησης, οι οποίοι ενώθηκαν σε ένα ενιαίο χάρτη για την περιοχή μελέτης που φαίνεται στην εικόνα 2.
Δεδομένα SAR
Οι δορυφορικές μετρήσεις SAR (Synthetic Aperture Radar) έχουν πολύ υψηλή χωρική ανάλυση και μπορούν να προσφέρουν δεδομένα τόσο για τις υδάτινες περιοχές όσο και για τις ακτές. Απαιτείται όμως μεγάλος αριθμός ανεξάρτητων εικόνων για παραχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα. Στην συγκεκριμένη μελέτη χρησιμοποιήθηκαν στοιχεία από τον Envisat της Ευρωπαικής Διαστημικής Υπηρεσίας (ESA). Ειδικότερα, λήφθηκαν δεδομένα από το Wide Swath Mode (WSM) με μήκος τόξου παλμού στα 400 km αι χωρική ανάλυση 150 m. Τα στοιχεία αφορούσαν την περίοδο 2002-2012) και είχαν αραιή συχνότητα που κυμαινόταν από 1 έως 15 φορές το μήνα. Οι ταχύτητες ανέμων εξάχθηκαν με εφαρμογή του Geophysical Model Function (GMF), CMOD5.n και δεδομένα εισόδου από το Navy's Operational Global Atmospheric Prediction System Model (NOGAPS). Εξετάστηκαν 764 εικόνες του πεδίου μελέτης, τα σημεία που καλύπτονταν από πάγο εξαιρέθηκαν με χρήση του IMS Daily Northern Hemisphere Snow and Ice Analysis και δόθηκε η ταχύτητα ανέμου (Equivalent Neutral Wind (ENW)) στα 10m και σε κελιά των 500m. Δεν χρειάσθηκε διαδικασία για τις βροχές καθώς το C-band SAR είναι αρκετά ευαίσθητο. Λόγω της χαμηλής συχνότητας των μετρήσεων για την δημιουργία του χάρτη ταχύτητας ανέμων εφαρμόσθηκε η Wind Class Method που περιέχει κατηγορίες ανέμων, παράγει χάρτες για κάθε μία και στο τέλος της ενώνει με συντελεστές βαρύτητας. Οι κατηγορίες και τα βάρη προσδιορίστηκαν από τις μετρήσεις των παράκτιων σταθμών. Από αυτές τις διαδικασίες κατασκευάσθηκε ο χάρτης της ταχύτητας ανέμων για 10μ και με λογαριθμικές πράξεις ανάχθηκε στα 90m. Αυτός ο χάρτης φαίνεται στην εικόνα 3.
Δεδομένα QuikSCAT
Στοιχεία πάρθηκαν, επίσης, από τον δορυφόρο QuikSCAT που παίρνει δύο λήψεις κάθε ημέρα στο ίδιο σημείο με χωρική ανάλυση 25km. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν οι ημερήσιοι χάρτες QuikSCAT v4 ENW, οι οποίο προσδιορίζουν τους ανέμους από το σχήμα της επιφάνειας των νερών εφαρμόζοντας το Geophysical Model Function Ku-2011. Για την ακρίβεια των δεδομένων χρησιμοποιήθηκε το εργαλείο rain-flagging και μόνο τα κελιά με περισσότερες από 720 παρατηρήσεις. Δεν χρειάσθηκε εφαρμογή του Wind Class Method. Τα δεδομένα ελέγχθηκαν με βάση τις επίγειες μετρήσεις των σημαδούρων και εκτιμήθηκαν για την περίοδο που οι λίμνες σκεπάζονται από πάγο. Τέλος, έγιναν λογαριθμικές πράξεις για να προκύψουν τα χαρακτηριστικά των ανέμων στα 90m και προέκυψε ο χάρτης ανέμων της εικόνας 4
Συνδυασμός των Επίγειων και Δορυφορικών Δεδομένων
Αρχικά γίνεται ο συνδυασμός των δύο χαρτών που προκύπτουν από τις δορυφορικές καταγραφές. Η διαδικασία αυτή γίνεται εφικτή επειδή υπάρχουν αρκετά δορυφορικά δεδομένα. Στην συνέχεια συνθέτονται τα επίγεια δεδομένα με το αποτέλεσμα του συνδυασμού των δορυφορικών και προκύπτει ο χάρτης της εικόνας 5.
Αποτελέσματα και Προβληματισμοί
Η μέθοδος προσδιορισμού του χάρτη ανέμων που προτείνεται είναι πολύ πιο ακριβής και χρήσιμη από την παραγωγή μεμονωμένων χαρτών με την ξεχωριστή επεξεργασία των επίγειων ή δορυφορικών δεδομένων. Εκμεταλλεύεται τα θετικά στοιχεία και των 4 οργάνων μέτρησης. Σε περίπτωση που δεν υπάρχουν αρκετά δεδομένα από των SAR , γεγονός που θα απέκλειε την αξιοποίηση αυτού του εργαλείου: Προτείνεται μία άλλη επεξεργασία των μετρήσεων αυτών, με χρήση στοιχείων από τον QuiKSCAT, ώστε ο τελικός χάρτης ανέμων να περιέχει περισσότερη και ακριβέστερη πληροφορία.
