基于卫星的反照率数据

概述

随着双面光伏（PV）技术的出现，太阳能应用中 表面反照率 作为恒定值的传统假设越来越受到挑战。这项创新在很大程度上依赖于准确的反照率数据来最大限度地利用反射太阳能。反照率是表面反射率的量度， 直接影响太阳总反射辐照度 （RHI），是 计算倾斜辐照度 （GTI） 和 优化双面光伏系统的关键参数。

虽然仅靠地面测量往往被证明是不够的，但卫星衍生的反照率估计值（例如通过 MODIS 数据产品提供的反照率估计值）提供了一种可靠的替代方案。这些基于卫星的数据集已成为太阳能行业不可或缺的一部分，为开发精确反照率数据库奠定了基础。此外，从数值天气预报 （NWP） 模型得出的再分析数据集提供了无间隙的反照率输入，进一步提高了数据的可靠性。

通过后处理和组合这些数据源，可以得出 特定位置的可靠历史反照率值。这些值通常以两种格式提供： monthly averages 或 Time Series （每日值），具体取决于分析要求。通常建议在预可行性阶段使用月度平均值，以提供广泛的概述，而时间序列数据更适合尽职调查阶段，为高级分析提供详细的时间见解。

反照率时间序列计算

反照率是根据卫星平台上的仪器捕获的表面反射率数据进行估计的。其中一种仪器是 中分辨率成像光谱辐射计 （MODIS），它在 Terra 和 Aqua 卫星上运行。这些卫星战略性地位于互补轨道上：Terra 在早上从北向南穿越赤道，而 Aqua 则遵循相反的路径，在下午从南向北穿越赤道。它们共同每 1 到 2 天提供一次地球表面的近乎全球的覆盖。

反照率通常不会直接作为独立的卫星产品提供，即使有 MODIS 数据也是如此。相反，它是由两个不同的组件 derived 的：

为了计算 有效反照率值，应用了来自 Solargis 辐照度数据库的漫反射分数 （D2G） 数据，结合了黑天和白天反照率值。这种集成可以更准确地表示不同太阳辐射条件下的反照率。

对于反照率的 Solargis 时间序列，使用具有较长历史记录和相当高的时间分辨率（至少为每日值）的数据源。其中包括 MODIS 产品MCD43A1和MCD43A3。然而，这些产品存在缺失数据（数据差距），主要是由于持续的云量。

使用时序更合适的一些情况示例包括：

• 卫星衍生的反照率 将与地面反照率测量进行比较。

• 月平均数据 可能不足以考虑单个随机事件，例如短暂的降雪。仅考虑此类事件的平均影响。

• 项目所在地的 土地覆盖 可能随着时间的推移而发生变化，2006-2015 年的平均年份 可能并不代表当前情况。

• 项目所在地的土地覆被具有相当的异质性，空间分辨率为0.5 km的数据集比分辨率为1 km的数据集更具代表性。

填空和每月汇总

卫星衍生反照率数据的差距是不可避免的，通常是由持续的 云量覆盖或误测引起的，这些差距反映在历史时间序列数据集中。因此，在从 MODIS 得出的时间序列数据中，时间和空间差距很常见。这些间隙的大小受数据集空间分辨率的影响，而它们的持续时间则取决于多云条件的持续性。

尽管存在这些挑战，但可以计算月平均值以 创建无间隙的数据集。这是通过将预处理的 MODIS 产品与气象再分析数据库（例如 ECMWF ERA-5 和 NASA MERRA-2 项目）中的其他数据集相结合来实现的。

基于再分析的反照率计算的主要优点是它们能够为任何表面提供一致的全局数据，没有间隙。然而，与其他方法相比，权衡是较低的空间分辨率。

为了计算 反照率的月平均值，以间隙填充无雪 MODIS 产品MCD43GF作为主要数据源。然而，由于该MODIS产品不包括短暂雪的反照率值，因此将来自其他MODIS产品的附加信息和ERA5再分析数据相结合，为所有类型的陆地表面（包括短暂的雪）准备一个无间隙的高分辨率数据集。最后，使用来自国家冰雪数据中心（NSIDC）的附加信息来添加海洋冰的反照率（NSIDC）。为了纠正与 MODIS 陆海掩模不精确相关的缺陷和错误，我们使用 Solargis 数据库中的附加层。

获得的数据集提供了具有高空间分辨率和全局覆盖率的无间隙反照率信息，使其适用于太阳能和环境建模的各种应用。

最终 albedo products from Solargis 已使用反测率计的可用地面测量值进行了验证。 反照率计 包括两个安装在相反方向、平行于水平面的日射计，以同时测量全球水平辐照度 （GHI） 和反射水平辐照度 （RHI）。

为了提高卫星衍生的地面反照率数据的准确性，通常会针对反照率显着影响预期能量产量的项目进行专门 的地面测量活动 。这些活动提供本地化、高精度的数据，补充基于卫星的估计。

然而，由于反照率固有的时间变化，测量活动可能会产生 广泛分散的结果，受观察期持续时间的影响。仅持续几天的短期活动通常会比基于卫星的数据中发现的误差更大，这凸显了延长测量持续时间对于可靠验证的重要性。

进一步阅读

• Surface albedo and reflectance: Review of definitions, angular and spectral effects, and intercomparison of major data sources in support of advanced solar irradiance modeling over the Americas.C. Gueymard， V. Lara-Fanego， M. Sengupta， Y. Xie， 2019， Solar Energy， Volume 182， April 2019， pages 194-212

• How to use albedo for more accurate bifacial PV estimates.白皮书。Solargis 网站，2022 年。