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Benchmarking three low-cost, low-maintenance cloud height measurement systems and ECMWF cloud heights against a ceilometer

Kuhn, Pascal Moritz und Wirtz, M. und Killius, Niels und Wilbert, Stefan und Bosch, J.L. und Hanrieder, Natalie und Nouri, Bijan und Kleissl, J. und Ramirez-Santigosa, Lourdes und Schroedter-Homscheidt, Marion und Heinemann, Detlev und Kazantzidis, A. und Blanc, Philippe und Pitz-Paal, Robert (2018) Benchmarking three low-cost, low-maintenance cloud height measurement systems and ECMWF cloud heights against a ceilometer. Solar Energy, 168, Seiten 140-152. Elsevier. doi: 10.1016/j.solener.2018.02.050. ISSN 0038-092X.

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Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/

Kurzfassung

Cloud height information is crucial for various applications. This includes solar nowcasting systems. Multiple methods to obtain the altitudes of clouds are available. In this paper, cloud base heights derived from the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and three low-cost and low-maintenance ground based systems are presented and compared against ceilometer measurements on 59 days with variable cloud conditions in southern Spain. All three ground based systems derive cloud speeds in absolute units of [m/s] from which cloud heights are determined using angular cloud speeds derived from an all-sky imager. The cloud speed in [m/s] is obtained from (1) a cloud shadow speed sensor (CSS), (2) a shadow camera (SC) or (3) derived from two all-sky imagers. Compared to 10-min median ceilometer measurements for cloud heights below 5000 m, the CSS-based system shows root-mean squared deviations (RMSD) of 996 m (45%), mean absolute deviations (MAD) of 626 m (29%) and a bias of −142 m (−6%). The SC-based system has an RMSD of 1193 m (54%), a MAD of 593 m (27%) and a bias of 238 m (11%). The two all-sky imagers based system show deviations of RMSD 826 m (38%), MAD of 432 m (20%) and a bias of 202 m (9%). The ECMWF derived cloud heights deviate from the ceilometer measurements with an RMSD 1206 m (55%), MAD of 814 m (37%) and a bias of −533 m (−24%). Due to the multi-layer nature of clouds and systematic differences between the considered approaches, benchmarking cloud heights is an extremely difficult task. The limitations of such comparisons are discussed. This study aims at determining the best approach to derive cloud heights for camera based solar nowcasting systems. The approach based on two all-sky imagers is found to be the most promising, having the overall best accuracy and the most obtained measurements.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/122789/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Benchmarking three low-cost, low-maintenance cloud height measurement systems and ECMWF cloud heights against a ceilometer
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kuhn, Pascal MoritzPascal.Kuhn (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0001-9978-5706NICHT SPEZIFIZIERT
Wirtz, M.NICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Killius, Nielsniels.killius (at) dlr.deNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Wilbert, StefanStefan.Wilbert (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-3573-3004NICHT SPEZIFIZIERT
Bosch, J.L.Universidad de HuelvaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Hanrieder, Natalienatalie.hanrieder (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9671-351X141971403
Nouri, BijanBijan.Nouri (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-9891-1974NICHT SPEZIFIZIERT
Kleissl, J.University of CalifroniaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Ramirez-Santigosa, LourdesCIEMATNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schroedter-Homscheidt, Marionmarion.schroedter-homscheidt (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-1854-903XNICHT SPEZIFIZIERT
Heinemann, DetlevUniversität OldenburgNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Kazantzidis, A.Univ. of Patras, Patras, GRNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Blanc, PhilippeMines ParisTechNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pitz-Paal, RobertRobert.Pitz-Paal (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-3542-3391NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:1 Juli 2018
Erschienen in:Solar Energy
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:168
DOI:10.1016/j.solener.2018.02.050
Seitenbereich:Seiten 140-152
Verlag:Elsevier
Name der Reihe:Elsevier
ISSN:0038-092X
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Cloud height Determination, All-sky imager, Cloud shadow, speed sensor Shadow camera
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Erneuerbare Energie
HGF - Programmthema:Konzentrierende solarthermische Technologien
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SW - Solar- und Windenergie
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Einfluss von Wüstenbedingungen (alt)
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Solarforschung > Qualifizierung
Institut für Vernetzte Energiesysteme > Energiesystemanalyse
Hinterlegt von: Kruschinski, Anja
Hinterlegt am:12 Nov 2018 10:08
Letzte Änderung:21 Nov 2023 13:52

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