Universidade Federal de Santa Maria
Ci. e Nat., Santa Maria v.42, Special Edition: Micrometeorologia, e26, 2020
DOI:10.5902/2179460X47023
ISSN 2179-460X
Received: 05/06/20 Accepted: 05/06/20 Published: 28/08/20
Special Edition
Avaliação da previsão de estabilidade na camada atmosférica de superfície do modelo WRF e efeitos na previsão de geração eólica no Uruguai
Evaluation of the stability forecast in the atmospheric surface layer of the WRF model and effects on the forecast of wind generation in Uruguay
Sofía Orteli I
Gabriel Cazes II
I Universidad de la República, Montevideo, Uruguay. E-mail: sortelli@ute.com.uy.
II Universidad de la República, Montevideo, Uruguay. E-mail: agcm@fing.edu.uy.
RESUMO
Este trabalho avalia previsões de estabilidade vertical da camada atmosférica superficial obtida com o modelo reginal WRF no Uruguai, para diferentes períodos do dia e estações do ano. Os valores de temperatura e umidade obtidos das saídas do modelo e das medições de campo em diferentes alturas em uma torre anemométrica permitem calcular o gradiente vertical da estabilidade estática virtual, tanto para previsões quanto para medições de campo. Com os resultados obtidos, foi possível conhecer o comportamento do modelo WRF em relação à estabilidade da camada superficial, que está intimamente relacionada ao potencial eólico que pode existir em diferentes momentos do dia. Dessa forma, pode ser proposta uma possível relação entre os erros sistemáticos das previsões de energia eólica e a estabilidade da camada superficial no Uruguai.
Palavras-chave: Estabilidade; Prognóstico; Vento.
ABSTRACT
This work evaluates forecasts of vertical stability of the surface atmospheric layer obtained with the WRF regional model in Uruguay, for different times of the day and seasons of the year. The temperature and humidity values obtained from the model outputs and from field measurements at different heights in an anemometric tower allow to calculate the vertical gradient of virtual static stability both for predictions and field measurements. With the results obtained, it was possible to know the behavior of the WRF model in relation to the stability of the surface layer, which is closely related to the wind potential that may exist at different times of the day. In this way, a possible relationship between the systematic errors of forecasts of wind power and surface layer stability in Uruguay can be proposed.
Keywords: Stability; Forecast; Wind.
1 Introdução
O aumento da geração elétrica no Uruguai a partir de parques eólicos foi acompanhado pelo desenvolvimento de previsões operacionais de energia eólica, (DE MELLO S, 2015). Essas previsões foram avaliadas e melhoradas, por exemplo, (CAZES G, 2018) desenvolveram uma previsão baseada em simulações numéricas regionais de baixo custo computacional e em correções empíricas não complexas. Os autores acharam necessário corrigir as previsões numéricas do vento com coeficientes empíricos que dependem da estação do ano e da hora do dia.
Neste trabalho, avaliamos a capacidade do modelo regional usado (CAZES G, 2018) em prever a estabilidade da camada superficial atmosférica, em particular o gradiente vertical de energia estática virtual próxima à superfície do solo. As previsões modelo deste gradiente vertical são comparadas com as observações correspondentes obtidas de sensores meteorológicos colocados em uma torre anemométrica localizada no departamento de Soriano, Uruguai.
Este trabalho está organizado da seguinte forma: Na seção 2 é realizada uma descrição sobre o processamento dos dados observados e previstos. Posteriormente, na seção 3 mostra os resultados obtidos tanto para a estabilidade da camada atmosférica da superfície quanto para a previsão da energia eólica em operação. As conclusões são apresentadas na seção 4 junto com o trabalho a ser desenvolvido com base nesses resultados. Finalmente, são apresentados os agradecimentos e referências.
2 Processamento de dados
Este artigo analisa as previsões operacionais feitas em 2018, descritas em (CAZES, 2018). As previsões são inicializadas com os dados do NOAA GFS para 00GMT.
Nós nos concentramos em duas horas específicas, uma para o dia e outra para a noite, durante as estações de inverno e verão. As horas analisadas são 13:00 e 01:00 horas locais, que correspondem às horas 17 e 29 do horizonte de previsão. A temporada de inverno é definida pelos meses de maio a setembro de 2017 e 2018, enquanto o verão é definida pelos meses de novembro a março, de 2016-2017 e 2017-2018.
A variável estudada é energia estática, utilizando-se a equação (1):
em particular, sua equação vertical, gradiente, nos primeiros 100 metros no solo, representativa da camada superficial de a atmosfera, definido pela equação (2):
Para calcular as previsões do gradiente vertical da energia estática virtual, escolhemos os dois níveis "eta" do modelo WRF que estão mais próximos dos níveis em que as variáveis meteorológicas são medidas na torre anemométrica.
A torre anemométrica localizada no interior do Uruguai (33S; 57W) e que registra as variáveis meteorológicas em diferentes alturas e com uma frequência de dez minutos. A média dos dados tem valores horários que podem ser comparados com os dados do modelo.
As alturas usadas para calcular o gradiente de energia estática virtual são 101,8 me 10,1 m, e as variáveis medidas são temperatura e umidade relativa, que permitem calcular a temperatura virtual.
3 Resultados e Discussão
A Tabela 1 mostra o valor médio do gradiente vertical previsto e observado de energia estática virtual durante as duas horas e as duas estações consideradas, enquanto a Figura 1 mostra os histogramas de erro correspondentes.
Verifica-se que, tanto em observações quanto em previsões, a camada superficial geralmente apresenta gradientes verticais (negativos) instáveis de energia estática virtual durante o dia e estável (positiva) durante a noite.
No entanto, a previsão numérica tende a subestimar a amplitude do ciclo diurno da estabilidade vertical da camada superficial, mostrando mais erros positivos durante o dia (gradientes verticais menos negativos de energia estática) e mais erros negativos durante a noite (gradientes verticais menos positivos).
Essa tendência a subestimar o ciclo diurno da estabilidade vertical prevista é mais pronunciada durante o verão.
Tabela 1 – Valor médio do gradiente vertical de energia estática virtual por duas horas, dia e noite, nas estações de inverno e verão
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13:00 (dia) |
01:00 (noite) |
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Previsto |
Observado |
Previsto |
Observado |
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Verão |
-11,7 |
-17,6 |
25,6 |
31,2 |
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Inverno |
-3,4 |
-9,2 |
21,8 |
30,3 |
Figura 1 – Histograma do erro de energia vertical do gradiente estático por duas horas, dia e noite, nas estações de inverno e verão
A seguir, mostramos o comportamento da previsão operacional de energia eólica gerada em todo o Uruguai, nas mesmas horas e estações consideradas acima.
A Figura 2 mostra o histograma dos erros de previsão, para horas diurnas e noturnas, e para as estações de inverno e verão consideradas.
Figura 2 – Histograma do erro de previsão de geração eólica no Uruguai, por duas horas, dia e noite, nas estações de inverno e verão
Durante o dia, há uma superestimação da energia eólica, possivelmente relacionada ao fato de o modelo estar reproduzindo uma camada superficial menos turbulenta do que a que ocorre na realidade, devido à subestimação dos valores negativos da estabilidade estática. Isso pode implicar transferências turbulentas menores de momento horizontal do nível de 100m acima do solo (nível típico dos hubs de aerogeradores) para níveis mais baixos dos níveis de superfície, o que seria consistente com velocidades mais altas do vento a 100m.
Pelo contrário, durante a noite, há uma subestimação da energia eólica, que pode ser consistente com a subestimação da estabilidade noturna produzida pelo modelo numérico, isso corresponderia a uma camada superficial simulada menos laminar do que a geralmente observada, que por sua vez seria estar associado a ventos mais baixos no nível de 100m.
Também encontramos uma diferença entre as estações do inverno e do verão, com uma subestimação mais acentuada do ciclo diurno da camada superficial vertical, especialmente durante o verão, especialmente à noite.
4 Conclusão
Este trabalho analisa previsões da estabilidade vertical da camada superficial obtida com o modelo regional WRF. Verifica-se que o ciclo diário de estabilidade prevista é correto em termos de seus sinais, mas subestima sua amplitude. Essa subestimação é um pouco mais acentuada no verão, principalmente à noite.
Os erros sistemáticos nas previsões de energia eólica geradas no Uruguai são qualitativamente consistentes com os vieses indicados acima.
O trabalho a ser realizado a seguir se concentrará na determinação das causas pelas quais o modelo regional apresenta os erros de previsão encontrados para a estabilidade vertical da camada superficial e na análise do efeito das melhorias que podem ser feitas nesse aspecto nas previsões de energia eólica e elétrica.
Agradecimentos
Este trabalho foi apoiado pelas Usinas e Equipamentos Elétricos de Uruguai (UTE), através do contrato UTE-Universidad da República, “Sistema de Previsão para Energia Eólica Elétrica no Uruguai”.
Referências
CAZES G., ORTELLI S. MINIMUM-COST NUMERICAL PREDICTION SYSTEM FOR WINDPOWER IN URUGUAY, WITH AN ASSESSMENT OF THE DIURNAL AND SEASONAL CYCLES OFITS QUALITY. Ciência e Natura Santa Maria Edição Especial: X Workshop Brasileiro, 40:205–210. 2018.
DE MELLO S., CAZES G., GUTIERREZ A. Operational wind energy forecast with power as-similation. Brazil. International Conference on Wind Engineering, 2015.