A development of a model for calculating global solar illuminance using Himawari satellite data

Abstract

In this research work, a model for calculating monthly average hourly global illuminance from Himawari satellite data was developed. A 3-year period (2016-2018) of data form the visible channel (0.51 m) of Himawari satellite was processed to obtain ratified images. Each rectified image consists of a matrix of 550 x 850 pixels. The pixels contain the information of the gray level ranging from 0 to 255. The values of the gray level were converted into the reflectivity (0-1) using a calibration table provided by the satellite data agency. the reflectivity was used to calculate satellite-derived cloud index. A 3-year (2016-2018) period of data on global illuminance measured at four stations situated in the main region of Thailand were gathered. These stations are Chaing Mai (18.78°N, 98.98°E) in the northern region, Ubon Ratchathani (15.25°N, 104.87°E) in the northeastern region, Nakhon Pathom (13.82°N, 100.04°E) in the central region and Songkhla (7.2°N, 100.6°E) in the southern region. These data were used to calculated illuminance clearness index. Then this clearness index was correlated with the satellite-derived cloud index at the position of the stations to obtain a model relating the two quantity. This model can be used to calculate the clearness index from the satellite-derived cloud index. With the value of the clearness index, the value of illuminance can be obtained. The model was tested against independent dataset of illuminance measured at 11 stations in Thailand. It was found that most of illuminance calculated from the model and that obtained from the measurement is in reasonable agreement with the root mean square difference of 7.8 to 12.4% and mean bias difference of -5.3 to 7.8%. Finally, time variation of illuminance at the four stations were also presented.

ในงานวิจัยนี้ผู้วิจัยได้พัฒนาแบบจำลองสำหรับคำนวณค่ารายชั่วโมงเฉลี่ยต่อเดือนของความเข้มแสงสว่าง โดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียม Himawari ในการพัฒนาแบบจำลองดังกล่าว ผู้วิจัยได้ทำการประมวลผลข้อมูลในช่องแสงสว่าง (visible channel) ของดาวเทียม Himawari จำนวน 3 ปี (ค.ศ. 2016 - 2018) จากผลการประมวลจะได้ข้อมูลภาพถ่ายดาวเทียม ซึ่งประกอบด้วย matrix ของพิกเซลขนาด 550 x 850 พิกเซล โดยพิกเซลของข้อมูลดาวเทียมจะให้ค่าระดับความเทา (gray level) ซึ่งอยู่ในช่วง 0 – 255 และผู้วิจัยได้ทำการแปลงค่าระดับความเทาดังกล่าวให้เป็นสัมประสิทธิ์การสะท้อน (0 - 1) โดยใช้ตารางสอบเทียบซึ่งได้จากหน่วยงานที่จัดการข้อมูลดาวเทียม หลังจากนั้นผู้วิจัยจะทำการคำนวณดัชนีเมฆ (cloud index) จากค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อน (Reflectivity) ในขณะเดียวกันผู้วิจัยได้เก็บรวบรวมข้อมูลความเข้มแสงสว่างจำนวน 3 ปี (ค.ศ. 2016 - 2018) จากสถานีวัดในภูมิภาคหลักของประเทศไทย ได้แก่ สถานีเชียงใหม่ ในภาคเหนือ (18.78°N , 98.98°E) สถานีอุบลราชธานี ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือ (15.25°N , 104.87°E) สถานีนครปฐม ในภาคกลาง (13.82°N , 100.04°E) และสถานีสงขลา ในภาคใต้ (7.2°N , 100.6°E) ข้อมูลที่ได้นี้จะนำไปคำนวณดัชนีความแจ่มใสของบรรยากาศในช่วงความยาวคลื่นแสงสว่าง (illuminance clearness index) จากนั้นผู้วิจัยได้นำดัชนีดังกล่าวไปสหสัมพันธ์กับดัชนีเมฆซึ่งได้จากภาพถ่ายดาวเทียมที่ตำแหน่งสถานีวัด ซึ่งจะทำให้ได้แบบจำลองที่แสดงความสัมพันธ์ของปริมาณทั้งสอง แบบจำลองที่ได้สามารถนำไปใช้คำนวณดัชนีความแจ่มใสของบรรยากาศจากดัชนีเมฆที่ได้จากภาพถ่ายดาวเทียม จากค่าดัชนีความแจ่มใสของบรรยากาศเราสามารถคำนวณค่าความเข้มแสงสว่างได้ หลังจากนั้นผู้วิจัยได้ทดสอบสมรรถนะของแบบจำลองที่ได้กับข้อมูลอิสระของความเข้มแสงสว่างซึ่งวัดที่สถานี 11 แห่ง ในประเทศไทย ผลที่ได้พบว่าความเข้มแสงสว่างส่วนใหญ่ที่คำนวณได้จากแบบจำลองและค่าที่ได้จากการวัดมีความสอดคล้องกันค่อนข้างดี โดยมีค่า root mean square difference อยู่ในช่วง 7.8 ถึง 12.4% และ mean bias difference อยู่ในช่วง -5.3 ถึง 7.8% สุดท้ายผู้วิจัยได้นำเสนอการเปลี่ยนแปลงตามเวลาของค่าความเข้มแสงสว่างของทั้ง 4 สถานี