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Revista Brasileira de
             Engenharia Agrícola e Ambiental
             v.14, n.1, p.74–80, 2010
             Campina Grande, PB, UAEA/UFCG – http://www.agriambi.com.br
             Protocolo 001.08 – 04/01/2008 • Aprovado em 03/07/2009




    Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente
                    em Cruz das Almas, Bahia

          Valéria P. Borges1, Aureo S. de Oliveira2, Maurício A. Coelho Filho3, Tibério S. M. da Silva3 & Bruce M. Pamponet2



                                                                         RESUMO
                Em estudos agroambientais a radiação solar incidente (Rs) é uma das mais importantes variáveis meteorológicas. Na
                ausência de dados observados de Rs é possível estimá-los mediante modelos. O objetivo deste estudo foi avaliar mode-
                los baseados na temperatura do ar para estimativa diária de Rs nas condições do Recôncavo Sul da Bahia. Utilizaram-se
                dados de Rs do período de 2004 a 2006, medidos por uma estação meteorológica automática pertencente ao INMET,
                instalada em Cruz das Almas, Bahia. Como etapa preliminar, verificou-se a qualidade dos dados de R s tomando-se como
                referência curvas de radiação esperada em dias claros. Os seguintes modelos foram avaliados: Hargreaves-Samani para
                regiões interiores e regiões costeiras, Thornton-Running e o de Weiss. O desempenho de cada método foi avaliado atra-
                vés dos seguintes indicadores: coeficiente de determinção (R2), razão média (RM), erro absoluto médio (EAM), raiz qua-
                drada do quadrado médio do erro (RQME) e índice de concordância de Wilmott (dW). Os resultados obtidos recomen-
                dam o modelo de Hargreaves-Samani para regiões costeiras por apresentar o valor de RM mais próximo de 1 (1,01),
                menor EAM (2,54 MJ m-2 d-1), menor RQME (3,13 MJ m-2 d-1) e o maior dW (0,90).

                Palavras-chave: radiação solar global, piranômetro, modelo de simulação




        Evaluating models for estimation of incoming solar radiation
                     in Cruz das Almas, Bahia, Brazil
                                                                        ABSTRACT
                Solar radiation at the earth’s surface (R s) is one of the essential weather variables for several agro-environmental studies. In
                the absence of measured Rs, it’s possible to simulate them by models. Using three years of daily Rs data (2004-2006) collected
                by an INMET (Brazilian Meteorological Service) automatic weather station installed in the municipality of Cruz das Almas,
                BA, three air temperature-based Rs simulation models were evaluated. As a preliminary step, data quality was investigated
                and, when needed, adjustments were made based on clear sky solar radiation envelopes. The following models were
                evaluated: Hargreaves-Samani for both interior and coastal regions, Thornton-Running, and the Weiss model. Linear regression
                R2, mean ratio (MR), mean absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), and the index of agreement of Willmott
                (dW) were used for model performance evaluation against measured R s. The results recommended the coastal-region
                Hargreaves-Samani for prediction of Rs in the Reconcavo of Bahia, Brazil, since it presented the MR value closest to 1.00
                (1.01), the lowest MAE (2.54 MJ m-2 d-1), the lowest RMSE (3.13 MJ m-2 d-1), and the highest dW (0.90).

                Key words: global solar radiation, pyranometer, simulation model



1   UACA/UFCG. CEP 58400-480, Campina Grande, PB. Fone: (83) 3310-1054. E-mail: valpborges@gmail.com
2   Núcleo de Engenharia de Água e Solo/UFRB. CEP 44380-000, Cruz das Almas, BA. Fone: (75) 3621-2798. E-mail(s): aureo@ufrb.edu.br; bruce.mota@yahoo.com.br
3   Embrapa Mandioca e Fruticultura Tropical, Laboratório de Irrigação e Fertirrigação. CEP 44380-000, Cruz das Almas, BA. Fone: (75) 3621-8021.
    E-mail: macoelho@cnpmf.embrapa.br; tiberio@cnpmf.embrapa.br
Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia                        75

                       INTRODUÇÃO                                 de e coerência dos dados, eliminando da série, quando ne-
                                                                  cessário, os dias com falhas. De um total possível de 1096
    A radiação solar é a força motriz para muitos processos       dias, restaram 982 com dados considerados adequados aos
físico-químicos e biológicos que ocorrem no sistema Terra-At-     objetivos deste estudo, assim distribuídos: 320 dias em 2004,
mosfera, constituindo-se em importante variável meteorológica     297 em 2005 e 365 em 2006. Computados os totais e as
em estudos de necessidade hídrica de culturas irrigadas, mo-      médias para cada dia do período, obtiveram-se os valores
delagem do crescimento e produção vegetal, mudanças climá-        máximos e mínimos de temperatura e umidade relativa do
ticas, entre outros. No entanto, a disponibilidade de dados       ar, temperatura do ponto de orvalho média e total diário de
medidos é ainda limitada, pois o número de estações de su-        radiação solar incidente.
perfície que registram a radiação solar é reduzido comparado
ao daquelas que com mais frequência registram, por exem-          Qualidade dos dados de radiação solar
plo, a temperatura do ar e a precipitação pluviométrica (Thorn-      A radiação solar incidente sobre uma superfície plana e
ton & Running, 1999; Weiss et al., 2001).                         horizontal é uma fração da radiação solar no topo da at-
    Para localidades com ausência de coleta de dados de ra-       mosfera. Esta fração de radiação que chega à superfície
diação solar, valores estimados podem ser obtidos através         depende das condições atmosféricas locais, as quais carac-
de modelos matemáticos, que diferem entre si pelo grau de         terizam a transmitância atmosférica para a radiação de
complexidade e pelas variáveis de entrada. Os modelos de
Angström (Angström, 1924) e de Johnson-Woodward (Ri-                                           Rs = KtRa                     (1)
vington et al., 2005; Miller et al., 2008) utilizam a insola-
ção (horas de brilho solar fornecida pelo heliógrafo) para        ondas curtas (Eq. 1).
estimar a radiação solar incidente. A temperatura do ar, a        sendo:
umidade relativa do ar, a evaporação da água e a precipi-                  Rs – radiação solar incidente, MJ m-2 d-1
tação pluvial têm sido igualmente utilizadas (Hargreaves &                 Kt – coeficiente de transmissividade atmosférica,
Samani, 1982; Thornton & Running, 1999; Weiss & Hays,                           adimensional
2004).                                                                     Ra – radiação solar no topo da atmosfera, MJ m-2 d-1.
    É importante ressaltar que os modelos são, em geral, res-        Em situações de céu claro (ausência de nuvens), o coefi-
tritos às condições para as quais foram desenvolvidos, apre-      ciente de transmissividade tende a um valor máximo para
sentando problemas de transferabilidade, quando não devi-         aquela condição atmosférica e Rs = Rso, sendo Rso a radia-
damente calibrados. Allen (1997) apresentou um modelo             ção solar incidente em dia claro; portanto, Rso estabelece um
auto-calibrante para estimativa da radiação solar incidente,      limite superior para Rs. Com base nessa premissa, os valo-
a partir da amplitude térmica diária. Thornton & Running          res diários de Rs foram submetidos a uma análise prévia de
(1999) e Weiss & Hays (2004) defendem que estimativas             qualidade seguindo metodologia proposta por Allen (1996),
confiáveis da radiação solar incidente podem ser obtidas sem      com o objetivo de verificar e corrigir a existência de erro
praticamente nenhuma calibração local, por meio de mode-          contínuo na série. O procedimento de ajuste consistiu em
los baseados na temperatura do ar.                                plotar, ao longo do ano, os dados medidos de Rs e visual-
    O objetivo deste estudo foi avaliar para as condições me-     mente compará-los com a curva de Rso estimada.
teorológicas de Cruz das Almas, na região do Recôncavo Sul,          Na determinação de Rso (Eq. 2) adotou-se um procedimen-
Bahia, três modelos amplamente utilizados e testados para         to que leva em conta os coeficientes de transmissividade at-
simulação da radiação solar incidente, utilizando-se dados        mosférica para radiação direta e difusa.
de temperatura do ar.
                                                                                           Rso = (KB + KD)Ra                 (2)

                 MATERIAL E MÉTODOS                               sendo:
                                                                        Rso – radiação solar em dia claro, MJ m-2 d-1
Dados meteorológicos                                                     KB – coeficiente de transmissividade atmosférica para
   Utilizaram-se, para a realização deste estudo, três anos                   radiação direta, adimensional
(2004-2006) de dados diários de temperatura e umidade do                 KD – coeficiente de transmissividade atmosférica para
ar, temperatura do ponto de orvalho e radiação solar inci-                    radiação difusa, adimensional.
dente. Os dados foram coletados na área experimental da             A determinação dos valores diários de Ra seguiu procedi-
Embrapa Mandioca e Fruticultura Tropical, Cruz das Almas,         mentos apresentados por Allen (1996), sendo Ra função da
Bahia (12° 40’ 39” S; 39° 06’ 23” W; 225 m de altitude) por       constante solar (0,082 MJ m-2 min -1), latitude (radiano) e
meio de uma estação meteorológica automática pertencente          época do ano (dia).
ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). O clima              O valor de KB foi determinado como segue (Allen, 1996):
local é do tipo Am, segundo a tipologia climática de Köppen
                                                                                           − 0,00146P
                                                                                                                     0,4
(Baptista & Oliveira, 1998).                                                                                   W
                                                                            KB = 0,98exp              − 0,075                (3)
   Os dados meteorológicos, reportados em intervalos horá-                                   Ktbsenβ          senβ
rios, passaram por uma triagem inicial, com ênfase nos va-
lores de radiação solar incidente, para verificar a integrida-    sendo:

                                                                       R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
76                                                    Valéria P. Borges et al.

        P – pressão atmosférica estimada com base na al-                          interior) e 0,19 (região costeira), adimensional
            titude local, kPa (98,67 para Cruz das Almas,                   Tx – temperatura máxima do ar, °C
            BA)                                                             Tn – temperatura mínima do ar, °C
      Ktb – coeficiente de turbidez atmosférica, adimensio-                 Ra – radiação solar no topo da atmosfera, MJ m-2 d-1.
            nal (igual a 1,0 para Cruz das Almas – ar rela-            Segundo Hargreaves & Samani (1982), entende-se como
            tivamente limpo)                                        região interior aquela em que os padrões do tempo meteoro-
       β – ângulo do Sol acima do horizonte, radianos               lógico são dominados por grandes massas de terra e como
       W – água precipitável na atmosfera, mm.                      região costeira aquela cujos padrões do tempo são domina-
  Na Eq. 3 o valor de β para intervalos diários é calculado         dos pela proximidade com grandes massas de água. Neste
com base na latitude local e época do ano, como segue:              estudo, se avaliou o modelo para ambos os valores de Kr
                                                                    considerando-se que a cidade de Cruz das Almas encontra-
                                    2πDDA                           se em uma zona de transição entre a faixa litorânea e o semi-
     senβ24 = sen 0,85 + 0,3ϕ sen         − 1,39 − 0,42ϕ2    (4)
                                      365                           árido, distando em torno de 60 km da linha de costa, o que
                                                                    sugere a hipótese de forte influência do oceano Atlântico
sendo:                                                              sobre as condições meteorológicas locais.
         β24 – valor médio de β durante o período diurno, pon-
               derado em função de Ra, radianos                     Modelo de Thornton-Running (TR)
          ϕ – latitude, radianos                                       O modelo de Thornton-Running (Thornton & Running,
       DDA – número de ordem do dia do ano, adimensional.           1999) utiliza a amplitude térmica diária e mensal para de-
     A equação utilizada para estimativa de W é (Allen, 1996):      terminação do coeficiente de transmissividade atmosférica,
                                                                    como se segue:
                          W = 0,14eaP + 2,1                  (5)
                                                                                  Rs = Rso[1 − 0,9exp(− B(Tx − Tn)1,5)]        (9)
sendo: ea – pressão atual de vapor d’água na atmosfera, kPa
   Para um dado dia, a pressão atual de vapor d’água, foi           sendo: B – coeficiente empírico de ajuste, adimensional.
calculada pela Eq. 6 a partir dos dados observados da tem-             O coeficiente de ajuste B é determinado com base nas
peratura do ponto de orvalho média, como se segue:                  normais climatológicas do local, através do parâmetro ∆Tm,
                                                                    como se segue:
                                       17,27Td
                     ea = 0,6108exp                          (6)                                                              (10)
                                      237,3 + Td                                   B = 0,031 + 0,201exp(− 0,185∆Tm)

sendo: Td – temperatura do ponto de orvalho média, °C.              sendo: ∆Tm – amplitude térmica mensal média, °C.
   Uma vez determinado o valor de KB, o coeficiente KD foi             Na aplicação deste modelo, a Rso foi calculada por meio
calculado pela Eq. 7 (Allen, 1996).                                 da Eq. 2 e a ∆Tm para cada mês do ano (janeiro a dezembro)
                                                                    baseou-se em 20 anos de dados diários de temperatura do ar.
                         KD = 0,35 − 0,36KB                  (7)
                                                                    Modelo de Weiss (WS)
Modelos de estimativa da radiação solar incidente                      A Eq. 11 corresponde ao modelo mais simples entre os
   Os modelos avaliados neste estudo baseiam-se na Eq. 1,           avaliados por Weiss et al. (2001) em várias regiões agríco-
diferindo em relação à determinação do coeficiente de trans-        las dos Estados Unidos, sendo identificado no presente es-
missividade atmosférica, Kt. Todos os modelos utilizam a            tudo como modelo de Weiss (WS). Este modelo utiliza, além
amplitude térmica diária como principal variável de entra-          da amplitude térmica do ar, utiliza a radiação solar no topo
da. Dois dos métodos apresentados (o de Thornton-Running            da atmosfera para estimativa de Kt. Todos os componentes
e o de Weiss) são versões modificadas do modelo de Bristow          da Eq. 11 já foram devidamente definidos nas equações an-
& Campbell (1984). Em todos os casos, foram mantidas as             teriores.
constantes dos modelos como originalmente propostos, ou
seja, não se objetivou neste estudo a calibração local dos                                                       (∆T)2
                                                                                  Rs = 0,75 1 − exp − 0,226              Ra   (11)
mesmos.                                                                                                            Ra

Modelo de Hargreaves-Samani (HS)                                       Neste caso, ∆T é definido como:
   Hargreaves & Samani (1982) foram uns dos primeiros a
propor estimativas de radiação solar incidente a partir da                                           Tn(I) + Tn(i+1)
                                                                                        ∆T = Txi −                            (12)
temperatura do ar, por meio da Eq. 8:                                                                       2

                         Rs = Kr(Tx − Tn)0,5Ra               (8)    sendo:
                                                                             Tx – temperatura máxima do ar, °C
sendo:                                                                       Tn – temperatura mínima do ar e i um subscrito in-
          Kr – coeficiente de calibração igual a 0,16 (região                     dicativo do dia atual.

R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia                                        77

Indicadores de desempenho                                            simples de controle da qualidade dos valores medidos. Par-
   O desempenho do modelo baseou-se nos seguintes indi-              te-se da premissa de que dentro de períodos relativamente
cadores (Legates & McCabe Jr., 1999): (a) coeficiente de de-         longos, por exemplo um ano, há registros de dias completa-
terminação da regressão linear, R 2; (b) razão média, RM             mente claros e para os quais a radiação solar medida é má-
(Eq. 13); (c) erro absoluto médio, EAM (Eq. 14); (d) raiz            xima. Assim, ao se plotar em função do tempo, dados medi-
quadrada do quadrado médio do erro, RQME (Eq. 15) e (e)              dos de Rs e valores estimados de Rso, um desvio sistemático
índice de concordância de Wilmott, dW (Eq. 16).                      de Rs em relação a Rso é indicativo de possíveis problemas
                                                                     de calibração ou mau funcionamento do instrumento (Allen,
                                            Ei                       1996). O fator de correção para ajuste dos dados funciona-
                                RM =                          (13)
                                            Oi                       ria, na prática, como fator de calibração do piranômetro.
                                                                     Outros autores (Samani et al., 2007; Gavilan et al., 2008)
sendo:                                                               têm adotado esse procedimento como critério de controle da
         Ei – valor estimado (MJ m-2 d-1)                            qualidade de dados de Rs em estudos de evapotranspiração.
         Oi – valor observado (MJ m-2 d-1).
                                                                     Análise do desempenho dos modelos
                                       N
                                                                        A Tabela 1 resume os indicadores de desempenho dos
                                           |Ei − Oi|
                      EAM =         i=1
                                                              (14)   modelos avaliados. Quatro dos cinco indicadores recomen-
                                             N                       dam o modelo HS2 (Hargreaves-Samani com Kr = 0,19 –
                                                                     zonas costeiras) para simulação da radiação solar incidente
sendo: N – número de observações.                                    Rs na região do Recôncavo da Bahia. Apesar de não ter apre-
                                                                     sentado o maior R2, o referido modelo apresentou o menor
                                   N                    0,5          RM, com sobre-estimativa de Rs em apenas 1%, em média;
                                           (Ei − Oi)2
                   RQME =          i=1
                                                              (15)   o menor EAM e o menor RQME, ambos indicativos de que,
                                             N                       para este modelo, o erro médio entre valores estimados e
                                                                     observados de Rs foi o menor. Este modelo foi também o que
                                    N
                                           (Ei − Oi)2                apresentou índice de concordância de Willmott (dW) o mais
               dw = 1 −   N
                                   i=1
                                                              (16)   próximo de 1. O segundo modelo mais indicado é o de
                                (|Ei − O| + |Oi − O|)2               Thornton-Running, tendo apresentado, inclusive, desempe-
                          i=1
                                                                     nho melhor que o de Hargreaves-Samani com Kr = 0,16
                                                                     (HS1). O modelo de Weiss foi inferior aos demais, de acordo
sendo: Ô – média dos valores observados (MJ m-2 d-1)                 com os indicadores de desempenho. Os valores de R2 na
   O coeficiente R2 e o índice dW são indicadores de con-            Tabela 1 sugerem que esse indicador por si só, não é sufici-
cordância adimensionais entre as estimativas e os valores            ente para a eleição de um dos modelos como o mais apro-
observados. Segundo Legates & McCabe Jr. (1999), é apro-             priado para estimativa da radiação solar incidente em Cruz
priado quantificar o erro nas mesmas unidades da variá-              das Almas, Bahia.
vel; neste caso, radiação solar incidente expressa em
MJ m-2 d-1. Os indicadores RM, EAM e RQME possuem
esta característica, constituindo EAM e RQME em parâme-               Tabela 1. Coeficiente de determinação (R2), razão média (RM), erro
tros estatísticos não negativos e sem limite superior. Valo-          absoluto médio (EAM), raiz quadrada do quadrado médio do erro (RQME)
res esperados de R2, dW e RM em torno de 1 e valores de               e índice de concordância de Willmott (d W) para todos os modelos
MAE e RQME tendendo a zero são indicativos de bom de-                 avaliados de estimativa da radiação solar incidente
sempenho de um modelo.                                               Mo de lo                    Parâme tro de de se mpe nho
                                                                                              RM
                                                                                                            E AM           RQME
                                                                                  R2     (MJ m-2 dia-1/                                 dW
                                                                                                        (MJ m-2 dia-1) (MJ m-2 dia-1)
                                                                                          MJ m-2 dia-1)
               RESULTADOS E DISCUSSÃO                                  HS1       0,688       0,85           4,06            4,76        0,77
                                                                       HS2       0,688       1,01           2,54            3,13        0,90
Radiação solar ajustada                                                TR        0,729       1,14           2,72            3,54        0,88
   Obtiveram-se, na averiguação da qualidade dos dados de              WS        0,716       0,49           9,97          10,43         0,55
radiação solar, fatores de ajuste, conforme metodologia pro-
posta por Allen (1996). A Figura 1 mostra os valores de Rs
antes e após o ajuste que resultou nos seguintes fatores: 0,93          Comparando-se as duas versões do modelo de Hargrea-
até DDA (dia do ano) 286 e 0,89 após este dia para o ano de          ves-Samani, a versão HS2 (Kr = 0,19) indicada para regi-
2004; 0,90 até DDA 208 e 1,08 a partir de DDA 276 para o             ões costeiras (Hargreaves & Samani, 1982; Allen, 1997),
ano de 2005 e 1,10 para todos os dias do ano de 2006. Para           foi superior à versão HS1 (Kr = 0,16) indicada para regiões
designar os dados observados de Rs após o ajuste e então uti-        interiores. Apesar de Cruz das Almas não ser uma região
lizados na avaliação dos modelos, adotou-se o símbolo Rs(a).         costeira propriamente dita, a relativa proximidade com o
   Como mencionado anteriormente, a correção dos dados               oceano Atlântico (± 60 km da linha de costa) pode ter sig-
medidos de Rs com base na curva de Rso é um procedimento             nificativa influência sobre os padrões de tempo (nebulosi-

                                                                             R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
78                                                                                         Valéria P. Borges et al.

                                          A.                                                                D.
                                           35
                                                                              2004                                                        2004
                                           30

                                           25

                                           20

                                           15

                                           10

                                               5

                                               0

                                          B.                                                                E.
                                           35
Radiação solar incidente (MJ m-2 dia-1)




                                                                              2005                                                        2005
                                           30

                                           25

                                           20

                                           15

                                           10

                                               5

                                               0

                                          C.                                                                F.
                                           35
                                                                              2006                                                        2006
                                           30

                                           25

                                           20

                                           15

                                           10

                                               5

                                               0
                                                   0   30   60   90   120 150 180 210 240 270 300 330 360   0      30   60   90   120 150 180 210 240 270 300 330 360
                                                                                                      Dia do ano
Figura 1. Valores medidos de Rs antes (A, B, C) e após o ajuste (D, E, F) delimitados pela curva da radiação solar esperada em dia claro R so, para os três
anos do período de dados (Fator de ajuste: 0,93 e 0,89 em 2004; 0,90 e 1,08 em 2005 e 1,10 em 2006)



dade e precipitação pluviométrica), influenciando a ampli-                                                  A distribuição dos pontos em torno da reta 1:1, no caso
tude térmica do ar. Vale ressaltar que a direção predomi-                                                do modelo HS2 (Figura 2B), justifica a razão média de 1,01
nante do vento na região é sudeste. Grandes massas de ar                                                 entre os valores simulados e os medidos de Rs e, consequen-
tendem a moderar as diferenças entre a temperatura máxi-                                                 temente, os menores valores de EAM e RQME. Os modelos
ma e mínima do ar (Allen, 1997; Ahrens, 2008). Em mé-                                                    HS1 e WS apresentaram tendência de subestimativa da radi-
dia, a amplitude térmica mensal de Cruz das Almas varia                                                  ação solar incidente, enquanto o de Thornton-Running apre-
de 7,0 °C, nos meses de maio e junho, a 9,7 °C em janei-                                                 sentou tendência de superestimativa, em torno de 14%. Se-
ro, com média anual de 8,3 °C.                                                                           gundo Thornton & Running (1999), esse modelo não requer
   A Figura 2 mostra os gráficos de regressão linear entre a                                             calibração local possuindo, em teoria, as características de
radiação solar incidente estimada e a observada. A disper-                                               um modelo universal. Allen & Robison (2007), no entanto,
são dos pontos em torno da reta de regressão e da reta 1:1                                               melhoraram o desempenho do modelo em Idaho ao redefi-
reforça os indicadores de desempenho da Tabela 1.                                                        nirem os coeficientes da Eq. 10 que estima o parâmetro B.

R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia                                     79

                                                A.                                                        B.
                                                                                            1:1                                                                      1:1
Radiação solar estimada, Rs(e) (MJ m-2 dia-1)




                                                                                              HS1                                                                          HS2


                                                C.                                                        D.
                                                                                             1:1                                                                       1:1




                                                                                              TR                                                                           WS


                                                                             Radiação solar observada e ajustada, Rs(e) (MJ m-2 dia-1)

Figura 2. Radiação solar incidente observada e ajustada Rs(a) versus radiação solar incidente estimada Rs(e) pelos modelos de Hargreaves-Samani com Kr = 0,16
(A), Hargreaves-Samani com Kr = 0,19 (B), Thornton-Running (C) e Weiss (D), para todo o período de dados (2004-2006), em Cruz das Almas, Bahia



A despeito de sua maior complexidade, o modelo de Thorn-                                                senta um limite superior para a radiação solar incidente em
ton-Running possui a vantagem de não produzir estimativas                                               dada localidade e valores de Rs em geral superiores a Rso com
de Rs superiores a Rso, além de ser capaz de prever valores                                             frequência indicam problemas de calibração ou mau funcio-
de Rso, já que, para um dado valor de ∆Tm a relação Rs/Rso                                              namento do instrumento (Allen, 1996). Tal característica do
converge para 1, em amplo espectro de valores de ∆T (Allen                                              modelo pode ser facilmente visualizada na Figura 3, que
& Robison, 2007).                                                                                       apresenta a distribuição dos valores estimados e medidos de
   O modelo de Weiss revelou-se inadequado para estimati-                                               Rs durante o ano de 2006, limitados pela curva de Rso.
va de Rs para a localidade estudada, com valores de EAM e
RQME muito superiores aos demais modelos (Tabela 1), em
decorrência da evidente tendência de subestimava da radia-
ção solar incidente, resultado da baixa transmissividade at-
mosférica estimada, Kt (Eq. 1), com média em torno de 0,30.
Desempenho semelhante foi observado por Ball et al. (2004)
enfatizando as limitações existentes para a transferabilidade
do modelo para outras regiões sem a devida calibração lo-
cal. Como mencionado anteriormente, Weiss et al. (2001)
avaliaram 14 formulações do modelo de Bristow & Camp-
bell (1984) e a versão utilizada neste estudo (Eq. 11) é a mais
simples. Naquela equação, o coeficiente -0,226 foi derivado
com dados meteorológicos da localidade de Mead, Nebraska.
   O modelo de Hargreaves & Samani (1982) (Eq. 8) é um
método conservador, no sentido de que as estimativas feitas
com aquela equação raramente superestimam Rs para con-                                                  Figura 3. Radiação solar incidente medida (Rs(a)) e estimada pelo modelo de
dições de céu claro (Allen, 1997). Essa é uma característica                                            Hargreaves & Samani com Kr = 0,19 (RsHS2) para o ano de 2006, limitadas
desejável já que a Rs medida na ausência de nuvens repre-                                               pela curva da radiação solar esperada em dias claros (Rso)


                                                                                                               R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
80                                                     Valéria P. Borges et al.

   Coerente com a Figura 2B, é possível delimitar no gráfi-           Baptista, W. A.; Oliveira, L. M. Atributos climáticos do esta-
co da Figura 3 duas regiões a partir de uma linha base em                do da Bahia. Salvador: SEI – Superintendência de Estudos
torno de R s = 18,5 MJ m-2 dia-1 , de tal maneira que para               Econômicos e Sociais da Bahia, 1998. 85p. Série Estudos e
Rs > 18,5 MJ m-2 dia-1, o valor estimado é menor que o me-               Pesquisas 38
dido e para Rs < 18,5 MJ m-2 dia-1, o valor estimado pelo             Bristow, K. L.; Campbell, G. S. On the relationship between in-
modelo HS2 é maior que o medido. Disso resulta menor                     coming solar radiation and daily maximum and minimum tem-
amplitude anual para a radiação solar estimada. A constata-              perature. Agricultural and Forest Meteorology, v.31, n.2,
ção de que os maiores valores de Rs foram subestimados pelo              p.159-166, 1984.
modelo HS2, sugere que a calibração do modelo de Hargrea-             Gavilan, P.; Estévez, J.; Berengena, J. Comparison of standardi-
ves-Samani para a região estudada pode resultar em melho-                zed reference evapotranspiration equations in Southern Spain.
res estimativas de Rs, por meio da utilização de um valor de             Journal of Irrigation and Drainage Engineering, v.134, n.1,
Kr diferente de 0,19.                                                    p.1-12, 2008.
                                                                      Hargreaves, G. H.; Samani, Z. A. Estimating potential evapotrans-
                                                                         piration. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, v.108,
                         CONCLUSÃO                                       p.225-230, 1982.
                                                                      Legates, D. R.; McCabe Jr., G. J. Evaluating the use of “good-
   Com base em três anos de dados meteorológicos obtidos                 ness-of-fit” measures in hydrologic and hydroclimatic mo-
por meio de uma estação automática, o modelo de Hargrea-                 del validation. Water Resources Research, v.35, n.1,
ves-Samani para estimativa da radiação solar incidente em                p.233-241, 1999.
zonas costeiras (Kr = 0,19), apresentou para Cruz das Almas,          Miller, D. G.; Rivington, M.; Matthews, K. B.; Buchan, K.; Be-
na região do Recôncavo Sul da Bahia, o melhor desempe-                   llochi, G. Testing the spatial applicability of the Johnson-Woo-
nho entre os modelos avaliados.                                          dward method for estimating solar radiation from sunshine du-
                                                                         ration data. Agricultural and Forest Meteorology, v.148, n.2,
                                                                         p.466-480, 2008.
                    LITERATURA CITADA                                 Rivington, M.; Bellochi, G.; Matthews, K. B.; Buchan, K. Evalu-
                                                                         ation of three model estimations of solar radiation at 24 UK
Ahrens, D. C. Essentials of meteorology. 5th edition. Monterey:          stations. Agricultural and Forest Meteorology, v.132, n.3-4,
   Brooks-Cole, 2008. 504p.                                              p.228-243, 2005.
Allen, R. G. Assessing integrity of weather data for reference eva-   Samani, Z.; Bawazir, A. S.; Bleiweiss, M.; Skaggs, R.; Tran, V.
   potranspiration estimation. Journal of Irrigation and Drainage        D. Estimating daily net radiation over vegetation canopy throu-
   Engineering, v.122, n.2, p.97-106, 1996.                              gh remote sensing and climatic data. Journal of Irrigation and
Allen, R. G. Self-calibrating method for estimating solar radiati-       Drainage Engineering, v.133, n.4. p.291-297, 2007.
   on from air temperature. Journal of Hydrologic Engineering,        Thornton, P. E.; Running, S. W. An improved algorithm for esti-
   v.2, n.2, p.56-97, 1997.                                              mating incident daily solar radiation from measurements of
Allen, R. G.; Robison, C. W. Evapotranspiration and                      temperature, humidity and precipitation. Agricultural and Fo-
   consumptive irrigation water requirements for Idaho. http://          rest Meteorology, v.93, n.4, p.211-228, 1999.
   www.kimberly.uidaho.edu/ETIdaho/. 05 Mai. 2007                     Weiss, A.; Hays, C. J. Simulation of daily solar irradiance. Agri-
Angström, A. Solar and terrestrial radiation. Quarterly Journal of       cultural and Forest Meteorology, v.123, n.3-4, p.187-199,
   the Royal Meteorological Society, v.50, p.121-126, 1924.              2004.
Ball, R. A.; Purcell, L. C.; Carey, S. K. Evaluation of solar radi-   Weiss, A.; Hays, C. J.; Hu, Q.; Easterling, W. E. Incorporating bias
   ation prediction models in North America. Agronomy Journal,           error in calculating solar irradiance: implications for crop si-
   v.96, n.2, p.391-397, 2004.                                           mulations. Agronomy Journal, v.93, n.6, p.1321-1326, 2001.




R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.

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Modelos para estimar radiação solar na Bahia

  • 1. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental v.14, n.1, p.74–80, 2010 Campina Grande, PB, UAEA/UFCG – http://www.agriambi.com.br Protocolo 001.08 – 04/01/2008 • Aprovado em 03/07/2009 Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia Valéria P. Borges1, Aureo S. de Oliveira2, Maurício A. Coelho Filho3, Tibério S. M. da Silva3 & Bruce M. Pamponet2 RESUMO Em estudos agroambientais a radiação solar incidente (Rs) é uma das mais importantes variáveis meteorológicas. Na ausência de dados observados de Rs é possível estimá-los mediante modelos. O objetivo deste estudo foi avaliar mode- los baseados na temperatura do ar para estimativa diária de Rs nas condições do Recôncavo Sul da Bahia. Utilizaram-se dados de Rs do período de 2004 a 2006, medidos por uma estação meteorológica automática pertencente ao INMET, instalada em Cruz das Almas, Bahia. Como etapa preliminar, verificou-se a qualidade dos dados de R s tomando-se como referência curvas de radiação esperada em dias claros. Os seguintes modelos foram avaliados: Hargreaves-Samani para regiões interiores e regiões costeiras, Thornton-Running e o de Weiss. O desempenho de cada método foi avaliado atra- vés dos seguintes indicadores: coeficiente de determinção (R2), razão média (RM), erro absoluto médio (EAM), raiz qua- drada do quadrado médio do erro (RQME) e índice de concordância de Wilmott (dW). Os resultados obtidos recomen- dam o modelo de Hargreaves-Samani para regiões costeiras por apresentar o valor de RM mais próximo de 1 (1,01), menor EAM (2,54 MJ m-2 d-1), menor RQME (3,13 MJ m-2 d-1) e o maior dW (0,90). Palavras-chave: radiação solar global, piranômetro, modelo de simulação Evaluating models for estimation of incoming solar radiation in Cruz das Almas, Bahia, Brazil ABSTRACT Solar radiation at the earth’s surface (R s) is one of the essential weather variables for several agro-environmental studies. In the absence of measured Rs, it’s possible to simulate them by models. Using three years of daily Rs data (2004-2006) collected by an INMET (Brazilian Meteorological Service) automatic weather station installed in the municipality of Cruz das Almas, BA, three air temperature-based Rs simulation models were evaluated. As a preliminary step, data quality was investigated and, when needed, adjustments were made based on clear sky solar radiation envelopes. The following models were evaluated: Hargreaves-Samani for both interior and coastal regions, Thornton-Running, and the Weiss model. Linear regression R2, mean ratio (MR), mean absolute error (MAE), root mean square error (RMSE), and the index of agreement of Willmott (dW) were used for model performance evaluation against measured R s. The results recommended the coastal-region Hargreaves-Samani for prediction of Rs in the Reconcavo of Bahia, Brazil, since it presented the MR value closest to 1.00 (1.01), the lowest MAE (2.54 MJ m-2 d-1), the lowest RMSE (3.13 MJ m-2 d-1), and the highest dW (0.90). Key words: global solar radiation, pyranometer, simulation model 1 UACA/UFCG. CEP 58400-480, Campina Grande, PB. Fone: (83) 3310-1054. E-mail: valpborges@gmail.com 2 Núcleo de Engenharia de Água e Solo/UFRB. CEP 44380-000, Cruz das Almas, BA. Fone: (75) 3621-2798. E-mail(s): aureo@ufrb.edu.br; bruce.mota@yahoo.com.br 3 Embrapa Mandioca e Fruticultura Tropical, Laboratório de Irrigação e Fertirrigação. CEP 44380-000, Cruz das Almas, BA. Fone: (75) 3621-8021. E-mail: macoelho@cnpmf.embrapa.br; tiberio@cnpmf.embrapa.br
  • 2. Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia 75 INTRODUÇÃO de e coerência dos dados, eliminando da série, quando ne- cessário, os dias com falhas. De um total possível de 1096 A radiação solar é a força motriz para muitos processos dias, restaram 982 com dados considerados adequados aos físico-químicos e biológicos que ocorrem no sistema Terra-At- objetivos deste estudo, assim distribuídos: 320 dias em 2004, mosfera, constituindo-se em importante variável meteorológica 297 em 2005 e 365 em 2006. Computados os totais e as em estudos de necessidade hídrica de culturas irrigadas, mo- médias para cada dia do período, obtiveram-se os valores delagem do crescimento e produção vegetal, mudanças climá- máximos e mínimos de temperatura e umidade relativa do ticas, entre outros. No entanto, a disponibilidade de dados ar, temperatura do ponto de orvalho média e total diário de medidos é ainda limitada, pois o número de estações de su- radiação solar incidente. perfície que registram a radiação solar é reduzido comparado ao daquelas que com mais frequência registram, por exem- Qualidade dos dados de radiação solar plo, a temperatura do ar e a precipitação pluviométrica (Thorn- A radiação solar incidente sobre uma superfície plana e ton & Running, 1999; Weiss et al., 2001). horizontal é uma fração da radiação solar no topo da at- Para localidades com ausência de coleta de dados de ra- mosfera. Esta fração de radiação que chega à superfície diação solar, valores estimados podem ser obtidos através depende das condições atmosféricas locais, as quais carac- de modelos matemáticos, que diferem entre si pelo grau de terizam a transmitância atmosférica para a radiação de complexidade e pelas variáveis de entrada. Os modelos de Angström (Angström, 1924) e de Johnson-Woodward (Ri- Rs = KtRa (1) vington et al., 2005; Miller et al., 2008) utilizam a insola- ção (horas de brilho solar fornecida pelo heliógrafo) para ondas curtas (Eq. 1). estimar a radiação solar incidente. A temperatura do ar, a sendo: umidade relativa do ar, a evaporação da água e a precipi- Rs – radiação solar incidente, MJ m-2 d-1 tação pluvial têm sido igualmente utilizadas (Hargreaves & Kt – coeficiente de transmissividade atmosférica, Samani, 1982; Thornton & Running, 1999; Weiss & Hays, adimensional 2004). Ra – radiação solar no topo da atmosfera, MJ m-2 d-1. É importante ressaltar que os modelos são, em geral, res- Em situações de céu claro (ausência de nuvens), o coefi- tritos às condições para as quais foram desenvolvidos, apre- ciente de transmissividade tende a um valor máximo para sentando problemas de transferabilidade, quando não devi- aquela condição atmosférica e Rs = Rso, sendo Rso a radia- damente calibrados. Allen (1997) apresentou um modelo ção solar incidente em dia claro; portanto, Rso estabelece um auto-calibrante para estimativa da radiação solar incidente, limite superior para Rs. Com base nessa premissa, os valo- a partir da amplitude térmica diária. Thornton & Running res diários de Rs foram submetidos a uma análise prévia de (1999) e Weiss & Hays (2004) defendem que estimativas qualidade seguindo metodologia proposta por Allen (1996), confiáveis da radiação solar incidente podem ser obtidas sem com o objetivo de verificar e corrigir a existência de erro praticamente nenhuma calibração local, por meio de mode- contínuo na série. O procedimento de ajuste consistiu em los baseados na temperatura do ar. plotar, ao longo do ano, os dados medidos de Rs e visual- O objetivo deste estudo foi avaliar para as condições me- mente compará-los com a curva de Rso estimada. teorológicas de Cruz das Almas, na região do Recôncavo Sul, Na determinação de Rso (Eq. 2) adotou-se um procedimen- Bahia, três modelos amplamente utilizados e testados para to que leva em conta os coeficientes de transmissividade at- simulação da radiação solar incidente, utilizando-se dados mosférica para radiação direta e difusa. de temperatura do ar. Rso = (KB + KD)Ra (2) MATERIAL E MÉTODOS sendo: Rso – radiação solar em dia claro, MJ m-2 d-1 Dados meteorológicos KB – coeficiente de transmissividade atmosférica para Utilizaram-se, para a realização deste estudo, três anos radiação direta, adimensional (2004-2006) de dados diários de temperatura e umidade do KD – coeficiente de transmissividade atmosférica para ar, temperatura do ponto de orvalho e radiação solar inci- radiação difusa, adimensional. dente. Os dados foram coletados na área experimental da A determinação dos valores diários de Ra seguiu procedi- Embrapa Mandioca e Fruticultura Tropical, Cruz das Almas, mentos apresentados por Allen (1996), sendo Ra função da Bahia (12° 40’ 39” S; 39° 06’ 23” W; 225 m de altitude) por constante solar (0,082 MJ m-2 min -1), latitude (radiano) e meio de uma estação meteorológica automática pertencente época do ano (dia). ao Instituto Nacional de Meteorologia (INMET). O clima O valor de KB foi determinado como segue (Allen, 1996): local é do tipo Am, segundo a tipologia climática de Köppen − 0,00146P 0,4 (Baptista & Oliveira, 1998). W KB = 0,98exp − 0,075 (3) Os dados meteorológicos, reportados em intervalos horá- Ktbsenβ senβ rios, passaram por uma triagem inicial, com ênfase nos va- lores de radiação solar incidente, para verificar a integrida- sendo: R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
  • 3. 76 Valéria P. Borges et al. P – pressão atmosférica estimada com base na al- interior) e 0,19 (região costeira), adimensional titude local, kPa (98,67 para Cruz das Almas, Tx – temperatura máxima do ar, °C BA) Tn – temperatura mínima do ar, °C Ktb – coeficiente de turbidez atmosférica, adimensio- Ra – radiação solar no topo da atmosfera, MJ m-2 d-1. nal (igual a 1,0 para Cruz das Almas – ar rela- Segundo Hargreaves & Samani (1982), entende-se como tivamente limpo) região interior aquela em que os padrões do tempo meteoro- β – ângulo do Sol acima do horizonte, radianos lógico são dominados por grandes massas de terra e como W – água precipitável na atmosfera, mm. região costeira aquela cujos padrões do tempo são domina- Na Eq. 3 o valor de β para intervalos diários é calculado dos pela proximidade com grandes massas de água. Neste com base na latitude local e época do ano, como segue: estudo, se avaliou o modelo para ambos os valores de Kr considerando-se que a cidade de Cruz das Almas encontra- 2πDDA se em uma zona de transição entre a faixa litorânea e o semi- senβ24 = sen 0,85 + 0,3ϕ sen − 1,39 − 0,42ϕ2 (4) 365 árido, distando em torno de 60 km da linha de costa, o que sugere a hipótese de forte influência do oceano Atlântico sendo: sobre as condições meteorológicas locais. β24 – valor médio de β durante o período diurno, pon- derado em função de Ra, radianos Modelo de Thornton-Running (TR) ϕ – latitude, radianos O modelo de Thornton-Running (Thornton & Running, DDA – número de ordem do dia do ano, adimensional. 1999) utiliza a amplitude térmica diária e mensal para de- A equação utilizada para estimativa de W é (Allen, 1996): terminação do coeficiente de transmissividade atmosférica, como se segue: W = 0,14eaP + 2,1 (5) Rs = Rso[1 − 0,9exp(− B(Tx − Tn)1,5)] (9) sendo: ea – pressão atual de vapor d’água na atmosfera, kPa Para um dado dia, a pressão atual de vapor d’água, foi sendo: B – coeficiente empírico de ajuste, adimensional. calculada pela Eq. 6 a partir dos dados observados da tem- O coeficiente de ajuste B é determinado com base nas peratura do ponto de orvalho média, como se segue: normais climatológicas do local, através do parâmetro ∆Tm, como se segue: 17,27Td ea = 0,6108exp (6) (10) 237,3 + Td B = 0,031 + 0,201exp(− 0,185∆Tm) sendo: Td – temperatura do ponto de orvalho média, °C. sendo: ∆Tm – amplitude térmica mensal média, °C. Uma vez determinado o valor de KB, o coeficiente KD foi Na aplicação deste modelo, a Rso foi calculada por meio calculado pela Eq. 7 (Allen, 1996). da Eq. 2 e a ∆Tm para cada mês do ano (janeiro a dezembro) baseou-se em 20 anos de dados diários de temperatura do ar. KD = 0,35 − 0,36KB (7) Modelo de Weiss (WS) Modelos de estimativa da radiação solar incidente A Eq. 11 corresponde ao modelo mais simples entre os Os modelos avaliados neste estudo baseiam-se na Eq. 1, avaliados por Weiss et al. (2001) em várias regiões agríco- diferindo em relação à determinação do coeficiente de trans- las dos Estados Unidos, sendo identificado no presente es- missividade atmosférica, Kt. Todos os modelos utilizam a tudo como modelo de Weiss (WS). Este modelo utiliza, além amplitude térmica diária como principal variável de entra- da amplitude térmica do ar, utiliza a radiação solar no topo da. Dois dos métodos apresentados (o de Thornton-Running da atmosfera para estimativa de Kt. Todos os componentes e o de Weiss) são versões modificadas do modelo de Bristow da Eq. 11 já foram devidamente definidos nas equações an- & Campbell (1984). Em todos os casos, foram mantidas as teriores. constantes dos modelos como originalmente propostos, ou seja, não se objetivou neste estudo a calibração local dos (∆T)2 Rs = 0,75 1 − exp − 0,226 Ra (11) mesmos. Ra Modelo de Hargreaves-Samani (HS) Neste caso, ∆T é definido como: Hargreaves & Samani (1982) foram uns dos primeiros a propor estimativas de radiação solar incidente a partir da Tn(I) + Tn(i+1) ∆T = Txi − (12) temperatura do ar, por meio da Eq. 8: 2 Rs = Kr(Tx − Tn)0,5Ra (8) sendo: Tx – temperatura máxima do ar, °C sendo: Tn – temperatura mínima do ar e i um subscrito in- Kr – coeficiente de calibração igual a 0,16 (região dicativo do dia atual. R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
  • 4. Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia 77 Indicadores de desempenho simples de controle da qualidade dos valores medidos. Par- O desempenho do modelo baseou-se nos seguintes indi- te-se da premissa de que dentro de períodos relativamente cadores (Legates & McCabe Jr., 1999): (a) coeficiente de de- longos, por exemplo um ano, há registros de dias completa- terminação da regressão linear, R 2; (b) razão média, RM mente claros e para os quais a radiação solar medida é má- (Eq. 13); (c) erro absoluto médio, EAM (Eq. 14); (d) raiz xima. Assim, ao se plotar em função do tempo, dados medi- quadrada do quadrado médio do erro, RQME (Eq. 15) e (e) dos de Rs e valores estimados de Rso, um desvio sistemático índice de concordância de Wilmott, dW (Eq. 16). de Rs em relação a Rso é indicativo de possíveis problemas de calibração ou mau funcionamento do instrumento (Allen, Ei 1996). O fator de correção para ajuste dos dados funciona- RM = (13) Oi ria, na prática, como fator de calibração do piranômetro. Outros autores (Samani et al., 2007; Gavilan et al., 2008) sendo: têm adotado esse procedimento como critério de controle da Ei – valor estimado (MJ m-2 d-1) qualidade de dados de Rs em estudos de evapotranspiração. Oi – valor observado (MJ m-2 d-1). Análise do desempenho dos modelos N A Tabela 1 resume os indicadores de desempenho dos |Ei − Oi| EAM = i=1 (14) modelos avaliados. Quatro dos cinco indicadores recomen- N dam o modelo HS2 (Hargreaves-Samani com Kr = 0,19 – zonas costeiras) para simulação da radiação solar incidente sendo: N – número de observações. Rs na região do Recôncavo da Bahia. Apesar de não ter apre- sentado o maior R2, o referido modelo apresentou o menor N 0,5 RM, com sobre-estimativa de Rs em apenas 1%, em média; (Ei − Oi)2 RQME = i=1 (15) o menor EAM e o menor RQME, ambos indicativos de que, N para este modelo, o erro médio entre valores estimados e observados de Rs foi o menor. Este modelo foi também o que N (Ei − Oi)2 apresentou índice de concordância de Willmott (dW) o mais dw = 1 − N i=1 (16) próximo de 1. O segundo modelo mais indicado é o de (|Ei − O| + |Oi − O|)2 Thornton-Running, tendo apresentado, inclusive, desempe- i=1 nho melhor que o de Hargreaves-Samani com Kr = 0,16 (HS1). O modelo de Weiss foi inferior aos demais, de acordo sendo: Ô – média dos valores observados (MJ m-2 d-1) com os indicadores de desempenho. Os valores de R2 na O coeficiente R2 e o índice dW são indicadores de con- Tabela 1 sugerem que esse indicador por si só, não é sufici- cordância adimensionais entre as estimativas e os valores ente para a eleição de um dos modelos como o mais apro- observados. Segundo Legates & McCabe Jr. (1999), é apro- priado para estimativa da radiação solar incidente em Cruz priado quantificar o erro nas mesmas unidades da variá- das Almas, Bahia. vel; neste caso, radiação solar incidente expressa em MJ m-2 d-1. Os indicadores RM, EAM e RQME possuem esta característica, constituindo EAM e RQME em parâme- Tabela 1. Coeficiente de determinação (R2), razão média (RM), erro tros estatísticos não negativos e sem limite superior. Valo- absoluto médio (EAM), raiz quadrada do quadrado médio do erro (RQME) res esperados de R2, dW e RM em torno de 1 e valores de e índice de concordância de Willmott (d W) para todos os modelos MAE e RQME tendendo a zero são indicativos de bom de- avaliados de estimativa da radiação solar incidente sempenho de um modelo. Mo de lo Parâme tro de de se mpe nho RM E AM RQME R2 (MJ m-2 dia-1/ dW (MJ m-2 dia-1) (MJ m-2 dia-1) MJ m-2 dia-1) RESULTADOS E DISCUSSÃO HS1 0,688 0,85 4,06 4,76 0,77 HS2 0,688 1,01 2,54 3,13 0,90 Radiação solar ajustada TR 0,729 1,14 2,72 3,54 0,88 Obtiveram-se, na averiguação da qualidade dos dados de WS 0,716 0,49 9,97 10,43 0,55 radiação solar, fatores de ajuste, conforme metodologia pro- posta por Allen (1996). A Figura 1 mostra os valores de Rs antes e após o ajuste que resultou nos seguintes fatores: 0,93 Comparando-se as duas versões do modelo de Hargrea- até DDA (dia do ano) 286 e 0,89 após este dia para o ano de ves-Samani, a versão HS2 (Kr = 0,19) indicada para regi- 2004; 0,90 até DDA 208 e 1,08 a partir de DDA 276 para o ões costeiras (Hargreaves & Samani, 1982; Allen, 1997), ano de 2005 e 1,10 para todos os dias do ano de 2006. Para foi superior à versão HS1 (Kr = 0,16) indicada para regiões designar os dados observados de Rs após o ajuste e então uti- interiores. Apesar de Cruz das Almas não ser uma região lizados na avaliação dos modelos, adotou-se o símbolo Rs(a). costeira propriamente dita, a relativa proximidade com o Como mencionado anteriormente, a correção dos dados oceano Atlântico (± 60 km da linha de costa) pode ter sig- medidos de Rs com base na curva de Rso é um procedimento nificativa influência sobre os padrões de tempo (nebulosi- R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
  • 5. 78 Valéria P. Borges et al. A. D. 35 2004 2004 30 25 20 15 10 5 0 B. E. 35 Radiação solar incidente (MJ m-2 dia-1) 2005 2005 30 25 20 15 10 5 0 C. F. 35 2006 2006 30 25 20 15 10 5 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Dia do ano Figura 1. Valores medidos de Rs antes (A, B, C) e após o ajuste (D, E, F) delimitados pela curva da radiação solar esperada em dia claro R so, para os três anos do período de dados (Fator de ajuste: 0,93 e 0,89 em 2004; 0,90 e 1,08 em 2005 e 1,10 em 2006) dade e precipitação pluviométrica), influenciando a ampli- A distribuição dos pontos em torno da reta 1:1, no caso tude térmica do ar. Vale ressaltar que a direção predomi- do modelo HS2 (Figura 2B), justifica a razão média de 1,01 nante do vento na região é sudeste. Grandes massas de ar entre os valores simulados e os medidos de Rs e, consequen- tendem a moderar as diferenças entre a temperatura máxi- temente, os menores valores de EAM e RQME. Os modelos ma e mínima do ar (Allen, 1997; Ahrens, 2008). Em mé- HS1 e WS apresentaram tendência de subestimativa da radi- dia, a amplitude térmica mensal de Cruz das Almas varia ação solar incidente, enquanto o de Thornton-Running apre- de 7,0 °C, nos meses de maio e junho, a 9,7 °C em janei- sentou tendência de superestimativa, em torno de 14%. Se- ro, com média anual de 8,3 °C. gundo Thornton & Running (1999), esse modelo não requer A Figura 2 mostra os gráficos de regressão linear entre a calibração local possuindo, em teoria, as características de radiação solar incidente estimada e a observada. A disper- um modelo universal. Allen & Robison (2007), no entanto, são dos pontos em torno da reta de regressão e da reta 1:1 melhoraram o desempenho do modelo em Idaho ao redefi- reforça os indicadores de desempenho da Tabela 1. nirem os coeficientes da Eq. 10 que estima o parâmetro B. R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
  • 6. Avaliação de modelos de estimativa da radiação solar incidente em Cruz das Almas, Bahia 79 A. B. 1:1 1:1 Radiação solar estimada, Rs(e) (MJ m-2 dia-1) HS1 HS2 C. D. 1:1 1:1 TR WS Radiação solar observada e ajustada, Rs(e) (MJ m-2 dia-1) Figura 2. Radiação solar incidente observada e ajustada Rs(a) versus radiação solar incidente estimada Rs(e) pelos modelos de Hargreaves-Samani com Kr = 0,16 (A), Hargreaves-Samani com Kr = 0,19 (B), Thornton-Running (C) e Weiss (D), para todo o período de dados (2004-2006), em Cruz das Almas, Bahia A despeito de sua maior complexidade, o modelo de Thorn- senta um limite superior para a radiação solar incidente em ton-Running possui a vantagem de não produzir estimativas dada localidade e valores de Rs em geral superiores a Rso com de Rs superiores a Rso, além de ser capaz de prever valores frequência indicam problemas de calibração ou mau funcio- de Rso, já que, para um dado valor de ∆Tm a relação Rs/Rso namento do instrumento (Allen, 1996). Tal característica do converge para 1, em amplo espectro de valores de ∆T (Allen modelo pode ser facilmente visualizada na Figura 3, que & Robison, 2007). apresenta a distribuição dos valores estimados e medidos de O modelo de Weiss revelou-se inadequado para estimati- Rs durante o ano de 2006, limitados pela curva de Rso. va de Rs para a localidade estudada, com valores de EAM e RQME muito superiores aos demais modelos (Tabela 1), em decorrência da evidente tendência de subestimava da radia- ção solar incidente, resultado da baixa transmissividade at- mosférica estimada, Kt (Eq. 1), com média em torno de 0,30. Desempenho semelhante foi observado por Ball et al. (2004) enfatizando as limitações existentes para a transferabilidade do modelo para outras regiões sem a devida calibração lo- cal. Como mencionado anteriormente, Weiss et al. (2001) avaliaram 14 formulações do modelo de Bristow & Camp- bell (1984) e a versão utilizada neste estudo (Eq. 11) é a mais simples. Naquela equação, o coeficiente -0,226 foi derivado com dados meteorológicos da localidade de Mead, Nebraska. O modelo de Hargreaves & Samani (1982) (Eq. 8) é um método conservador, no sentido de que as estimativas feitas com aquela equação raramente superestimam Rs para con- Figura 3. Radiação solar incidente medida (Rs(a)) e estimada pelo modelo de dições de céu claro (Allen, 1997). Essa é uma característica Hargreaves & Samani com Kr = 0,19 (RsHS2) para o ano de 2006, limitadas desejável já que a Rs medida na ausência de nuvens repre- pela curva da radiação solar esperada em dias claros (Rso) R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.
  • 7. 80 Valéria P. Borges et al. Coerente com a Figura 2B, é possível delimitar no gráfi- Baptista, W. A.; Oliveira, L. M. Atributos climáticos do esta- co da Figura 3 duas regiões a partir de uma linha base em do da Bahia. Salvador: SEI – Superintendência de Estudos torno de R s = 18,5 MJ m-2 dia-1 , de tal maneira que para Econômicos e Sociais da Bahia, 1998. 85p. Série Estudos e Rs > 18,5 MJ m-2 dia-1, o valor estimado é menor que o me- Pesquisas 38 dido e para Rs < 18,5 MJ m-2 dia-1, o valor estimado pelo Bristow, K. L.; Campbell, G. S. On the relationship between in- modelo HS2 é maior que o medido. Disso resulta menor coming solar radiation and daily maximum and minimum tem- amplitude anual para a radiação solar estimada. A constata- perature. Agricultural and Forest Meteorology, v.31, n.2, ção de que os maiores valores de Rs foram subestimados pelo p.159-166, 1984. modelo HS2, sugere que a calibração do modelo de Hargrea- Gavilan, P.; Estévez, J.; Berengena, J. Comparison of standardi- ves-Samani para a região estudada pode resultar em melho- zed reference evapotranspiration equations in Southern Spain. res estimativas de Rs, por meio da utilização de um valor de Journal of Irrigation and Drainage Engineering, v.134, n.1, Kr diferente de 0,19. p.1-12, 2008. Hargreaves, G. H.; Samani, Z. A. Estimating potential evapotrans- piration. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, v.108, CONCLUSÃO p.225-230, 1982. Legates, D. R.; McCabe Jr., G. J. Evaluating the use of “good- Com base em três anos de dados meteorológicos obtidos ness-of-fit” measures in hydrologic and hydroclimatic mo- por meio de uma estação automática, o modelo de Hargrea- del validation. Water Resources Research, v.35, n.1, ves-Samani para estimativa da radiação solar incidente em p.233-241, 1999. zonas costeiras (Kr = 0,19), apresentou para Cruz das Almas, Miller, D. G.; Rivington, M.; Matthews, K. B.; Buchan, K.; Be- na região do Recôncavo Sul da Bahia, o melhor desempe- llochi, G. Testing the spatial applicability of the Johnson-Woo- nho entre os modelos avaliados. dward method for estimating solar radiation from sunshine du- ration data. Agricultural and Forest Meteorology, v.148, n.2, p.466-480, 2008. LITERATURA CITADA Rivington, M.; Bellochi, G.; Matthews, K. B.; Buchan, K. Evalu- ation of three model estimations of solar radiation at 24 UK Ahrens, D. C. Essentials of meteorology. 5th edition. Monterey: stations. Agricultural and Forest Meteorology, v.132, n.3-4, Brooks-Cole, 2008. 504p. p.228-243, 2005. Allen, R. G. Assessing integrity of weather data for reference eva- Samani, Z.; Bawazir, A. S.; Bleiweiss, M.; Skaggs, R.; Tran, V. potranspiration estimation. Journal of Irrigation and Drainage D. Estimating daily net radiation over vegetation canopy throu- Engineering, v.122, n.2, p.97-106, 1996. gh remote sensing and climatic data. Journal of Irrigation and Allen, R. G. Self-calibrating method for estimating solar radiati- Drainage Engineering, v.133, n.4. p.291-297, 2007. on from air temperature. Journal of Hydrologic Engineering, Thornton, P. E.; Running, S. W. An improved algorithm for esti- v.2, n.2, p.56-97, 1997. mating incident daily solar radiation from measurements of Allen, R. G.; Robison, C. W. Evapotranspiration and temperature, humidity and precipitation. Agricultural and Fo- consumptive irrigation water requirements for Idaho. http:// rest Meteorology, v.93, n.4, p.211-228, 1999. www.kimberly.uidaho.edu/ETIdaho/. 05 Mai. 2007 Weiss, A.; Hays, C. J. Simulation of daily solar irradiance. Agri- Angström, A. Solar and terrestrial radiation. Quarterly Journal of cultural and Forest Meteorology, v.123, n.3-4, p.187-199, the Royal Meteorological Society, v.50, p.121-126, 1924. 2004. Ball, R. A.; Purcell, L. C.; Carey, S. K. Evaluation of solar radi- Weiss, A.; Hays, C. J.; Hu, Q.; Easterling, W. E. Incorporating bias ation prediction models in North America. Agronomy Journal, error in calculating solar irradiance: implications for crop si- v.96, n.2, p.391-397, 2004. mulations. Agronomy Journal, v.93, n.6, p.1321-1326, 2001. R. Bras. Eng. Agríc. Ambiental, v.14, n.1, p.74–80, 2010.