Uso dei modelli di trasporto radiativo: parametri di input e di output

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1 Uso dei modelli di trasporto radiativo: parametri di input e di output Henri Diémoz ARPA Valle d Aosta Tutorial UV Bologna, 1-3 dicembre 2008

2 premessa i modelli funzionano con i dati che inserisco io! stima nel passato o in tempo reale? in input valori misurati o stimati previsione? in input dati previsti

3 premessa i modelli funzionano con i dati che inserisco io! stima nel passato o in tempo reale? in input valori misurati o stimati previsione? in input dati previsti

4 premessa i modelli funzionano con i dati che inserisco io! stima nel passato o in tempo reale? in input valori misurati o stimati previsione? in input dati previsti

5 premessa i modelli funzionano con i dati che inserisco io! stima nel passato o in tempo reale? in input valori misurati o stimati previsione? in input dati previsti

6 premessa i modelli funzionano con i dati che inserisco io! stima nel passato o in tempo reale? in input valori misurati o stimati previsione? in input dati previsti

7 1 parametri astronomici 2 parametri geografici 3 parametri meteorologici 4 algoritmi di risoluzione 5 output 6 alcuni modelli liberi

8 parametri astronomici irradianza extraterrestre dentro il modello, possibilità (ridotta) di scegliere distanza Terra-Sole angoli solari

9 parametri astronomici irradianza extraterrestre dentro il modello, possibilità (ridotta) di scegliere distanza Terra-Sole angoli solari

10 parametri astronomici irradianza extraterrestre dentro il modello, possibilità (ridotta) di scegliere distanza Terra-Sole angoli solari

11 parametri astronomici irradianza extraterrestre dentro il modello, possibilità (ridotta) di scegliere distanza Terra-Sole angoli solari

12 parametri astronomici distanza Terra-Sole ±3% calcolato dal giorno giuliano (data)

13 parametri astronomici angoli solari ci importa solo θ massa d aria e effetto coseno

14 parametri astronomici angolo solare zenitale θ GW P eq ϕ O λ

15 parametri astronomici angolo solare zenitale δ θ equatore λ

16 parametri astronomici angolo solare zenitale alcuni casi notevoli (equinozi/solstizi, equatore/poli) complico: se non sono all equatore/polo, serve la latitudine complico: se non sono agli equinozi/solstizi, serve la declinazione giorno giuliano (o data e anno) complico: se non sono al mezzogiorno locale, serve l ora e la longitudine (perché?)

17 parametri astronomici angolo solare zenitale alcuni casi notevoli (equinozi/solstizi, equatore/poli) complico: se non sono all equatore/polo, serve la latitudine complico: se non sono agli equinozi/solstizi, serve la declinazione giorno giuliano (o data e anno) complico: se non sono al mezzogiorno locale, serve l ora e la longitudine (perché?)

18 parametri astronomici angolo solare zenitale alcuni casi notevoli (equinozi/solstizi, equatore/poli) complico: se non sono all equatore/polo, serve la latitudine complico: se non sono agli equinozi/solstizi, serve la declinazione giorno giuliano (o data e anno) complico: se non sono al mezzogiorno locale, serve l ora e la longitudine (perché?)

19 parametri astronomici angolo solare zenitale alcuni casi notevoli (equinozi/solstizi, equatore/poli) complico: se non sono all equatore/polo, serve la latitudine complico: se non sono agli equinozi/solstizi, serve la declinazione giorno giuliano (o data e anno) complico: se non sono al mezzogiorno locale, serve l ora e la longitudine (perché?)

20 parametri astronomici angolo solare zenitale alcuni casi notevoli (equinozi/solstizi, equatore/poli) complico: se non sono all equatore/polo, serve la latitudine complico: se non sono agli equinozi/solstizi, serve la declinazione giorno giuliano (o data e anno) complico: se non sono al mezzogiorno locale, serve l ora e la longitudine (perché?)

21 parametri astronomici angolo solare zenitale gli algoritmi per il calcolo sono facilmente reperibili sul web molti modelli includono tools per il calcolo degli angoli molti modelli calcolano in automatico gli angoli (dati anno, mese, giorno, ora e coordinate)... e utilizzano la data anche per altro (distanza T-S, profili estate/inverno,...)

22 1 parametri astronomici 2 parametri geografici 3 parametri meteorologici 4 algoritmi di risoluzione 5 output 6 alcuni modelli liberi

23 parametri geografici quota orizzonte albedo effettiva

24 parametri geografici quota orizzonte albedo effettiva

25 parametri geografici quota orizzonte albedo effettiva

26 parametri geografici quota serve un solo punto? conosciamo già la quota altezza dal suolo ci serve il dato su una regione? DTM modello fatto funzionare per ogni punto

27 parametri geografici quota serve un solo punto? conosciamo già la quota altezza dal suolo ci serve il dato su una regione? DTM modello fatto funzionare per ogni punto

28 parametri geografici quota serve un solo punto? conosciamo già la quota altezza dal suolo ci serve il dato su una regione? DTM modello fatto funzionare per ogni punto

29 parametri geografici quota serve un solo punto? conosciamo già la quota altezza dal suolo ci serve il dato su una regione? DTM modello fatto funzionare per ogni punto

30 parametri geografici orizzonte possibile calcolare obstruction (approssimazione isotropa)

31 parametri geografici elbedo locale

32 parametri geografici albedo effettiva albedo: α = F riflessa F incidente amplificazione per retrodiffusione fino al 50% effettivo locale

33 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

34 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

35 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

36 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

37 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

38 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

39 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

40 parametri geografici albedo effettiva def: il valore di albedo da inserire in un modello unidimensionale per ottenere l irradianza misurata (la realtà è 3D!)... quindi non si può misurare direttamente non è un problema se non c è la neve (α eff =qualche %; tabelle in modelli) esistono relazioni empiriche con albedo locale in una regione (contribution function; e.g. Lenoble 2004) e relazioni con parametri neve (spessore, giorni dopo nevicata,...; e.g. Schwander et al. 1999)... ma attenzione a topologia, ombre, alberi... oppure retrieval da ottica diretta (e.g. Kylling 2000) la cosa migliore è il retrieval dalla misura (a quote diverse)

41 parametri geografici albedo effettiva

42 parametri geografici MYSTIC/LibRadtran Arpa-Mystic (senza neve)

43 parametri geografici MYSTIC/LibRadtran Arpa-Mystic (con neve)

44 1 parametri astronomici 2 parametri geografici 3 parametri meteorologici 4 algoritmi di risoluzione 5 output 6 alcuni modelli liberi

45 parametri meteorologici ozono pressione gas minori modelli di atmosfera e profili nubi aerosol

46 parametri meteorologici ozono pressione gas minori modelli di atmosfera e profili nubi aerosol

47 parametri meteorologici ozono pressione gas minori modelli di atmosfera e profili nubi aerosol

48 parametri meteorologici ozono pressione gas minori modelli di atmosfera e profili nubi aerosol

49 parametri meteorologici ozono pressione gas minori modelli di atmosfera e profili nubi aerosol

50 parametri meteorologici ozono pressione gas minori modelli di atmosfera e profili nubi aerosol

51 parametri meteorologici ozono

52 parametri meteorologici dove prendere l ozono? satelliti (non sempre in NRT) OMI GOME 2 SCIAMACHY

53 parametri meteorologici dove prendere l ozono? satelliti (non sempre in NRT) OMI GOME 2 SCIAMACHY

54 parametri meteorologici dove prendere l ozono?

55 parametri meteorologici dove prendere l ozono? rete mondiale strumenti a terra (anche stazioni italiane) WOUDC

56 parametri meteorologici dove prendere l ozono?

57 parametri meteorologici dove prendere l ozono? previsioni PROMOTE forecast/ ESA-TEMIS ESA-TEMIS NOAA-NCEP

58 parametri meteorologici dove prendere l ozono? ricostruzioni nel passato su griglia (1950- ): COST726

59 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

60 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

61 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

62 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

63 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

64 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

65 parametri meteorologici di minore importanza pressione scattering Rayleigh gas minori SO2,... modelli di atmosfera e profili (gas, T,...) default per stagione (se sono bravo, interpolazione temporale) i profili danno piccola dipendenza da θ

66 parametri meoteorologici nubi albedo effect scattering effect +25% extinction effect Mims& Frederick, 1994

67 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

68 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

69 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

70 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

71 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

72 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

73 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

74 parametri meoteorologici nubi WHO/WMO consigliano previsione per cielo sereno nubi reali scattering orizzontale modelli 3D (lenti e non disponibili) bisogna avere anche tutti i dati 3D! scattered clouds: posizione relativa sole-nubi? previsione difficile! possibili approssimazioni a caso 1D (es. IPA) LWC, altezza, spessore, fase,... calcolo irradianza o dose?

75 parametri meteorologici nubi

76 parametri meteorologici nubi

77 parametri meteorologici aerosol

78 parametri meteorologici aerosol se il carico non è eccessivo valori di default del modello (di solito, 6 tipi) alcune proprietà misurabili con fotometro solare (in UV, estrapolazione) e.g. AOD, α, β Angstrom le proprietà cambiano con λ alcune proprietà richiedono modelli approccio alternativo: esistono modelli aerosol (e.g. OPAC) meglio adattare modello a misura

79 parametri meteorologici aerosol se il carico non è eccessivo valori di default del modello (di solito, 6 tipi) alcune proprietà misurabili con fotometro solare (in UV, estrapolazione) e.g. AOD, α, β Angstrom le proprietà cambiano con λ alcune proprietà richiedono modelli approccio alternativo: esistono modelli aerosol (e.g. OPAC) meglio adattare modello a misura

80 parametri meteorologici aerosol se il carico non è eccessivo valori di default del modello (di solito, 6 tipi) alcune proprietà misurabili con fotometro solare (in UV, estrapolazione) e.g. AOD, α, β Angstrom le proprietà cambiano con λ alcune proprietà richiedono modelli approccio alternativo: esistono modelli aerosol (e.g. OPAC) meglio adattare modello a misura

81 parametri meteorologici aerosol se il carico non è eccessivo valori di default del modello (di solito, 6 tipi) alcune proprietà misurabili con fotometro solare (in UV, estrapolazione) e.g. AOD, α, β Angstrom le proprietà cambiano con λ alcune proprietà richiedono modelli approccio alternativo: esistono modelli aerosol (e.g. OPAC) meglio adattare modello a misura

82 parametri meteorologici aerosol se il carico non è eccessivo valori di default del modello (di solito, 6 tipi) alcune proprietà misurabili con fotometro solare (in UV, estrapolazione) e.g. AOD, α, β Angstrom le proprietà cambiano con λ alcune proprietà richiedono modelli approccio alternativo: esistono modelli aerosol (e.g. OPAC) meglio adattare modello a misura

83 parametri meteorologici aerosol se il carico non è eccessivo valori di default del modello (di solito, 6 tipi) alcune proprietà misurabili con fotometro solare (in UV, estrapolazione) e.g. AOD, α, β Angstrom le proprietà cambiano con λ alcune proprietà richiedono modelli approccio alternativo: esistono modelli aerosol (e.g. OPAC) meglio adattare modello a misura

84 1 parametri astronomici 2 parametri geografici 3 parametri meteorologici 4 algoritmi di risoluzione 5 output 6 alcuni modelli liberi

85 algoritmi di risoluzione metodi esatti : discrete-ordinate technique il più usato adding-doubling technique Monte-Carlo technique metodi approssimati: single scattering approximations two-stream approximations Eddington and Delta-Eddington approximations

86 1 parametri astronomici 2 parametri geografici 3 parametri meteorologici 4 algoritmi di risoluzione 5 output 6 alcuni modelli liberi

87 output spettro di irradianza spettri d azione, dose irradianza diretta e diffusa separatamente non solo in UV! non solo a terra! spettro di radianza, flusso attinico, heating rates,...

88 output spettro di irradianza spettri d azione, dose irradianza diretta e diffusa separatamente non solo in UV! non solo a terra! spettro di radianza, flusso attinico, heating rates,...

89 output spettro di irradianza spettri d azione, dose irradianza diretta e diffusa separatamente non solo in UV! non solo a terra! spettro di radianza, flusso attinico, heating rates,...

90 output spettro di irradianza spettri d azione, dose irradianza diretta e diffusa separatamente non solo in UV! non solo a terra! spettro di radianza, flusso attinico, heating rates,...

91 output spettro di irradianza spettri d azione, dose irradianza diretta e diffusa separatamente non solo in UV! non solo a terra! spettro di radianza, flusso attinico, heating rates,...

92 output spettro di irradianza spettri d azione, dose irradianza diretta e diffusa separatamente non solo in UV! non solo a terra! spettro di radianza, flusso attinico, heating rates,...

93 1 parametri astronomici 2 parametri geografici 3 parametri meteorologici 4 algoritmi di risoluzione 5 output 6 alcuni modelli liberi

94 alcuni modelli liberi

95 alcuni modelli liberi N.B. I modelli attuali si equivalgono, molti sono implementazioni diverse degli stessi algoritmi (es. DISORT) non importa il nome del modello (scegli il più comodo per te) è importante l algoritmo di risoluzione scelto ma soprattutto sono importanti i dati di input!

96 buon lavoro!

97 bibliografia figure tratte da: p. 11: p. 12, 30: P. Koepke, Cost Summer School, p. 29: B. Mayer, LibRadtran manual p. 50, 53: NASA, p. 55: WOUDC, p. 65: Mims and Frederick, 1994 p. 74, 75: B. Mayer, p. 93: B. Mayer, Modelling of Surface UV Radiation, One Century of UV Radiation Research - Davos 2007 p. 95: Emde, C. and Mayer, B., Simulation of solar radiation during a total eclipse: a challenge for radiative transfer, Atmos. Chem. Phys., 7, , 2007

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