135 Orodje "sonč nica" za analizo spremenljivk z dnevnimi cikli Marija Zlata Božnar * , Boštjan Grašič * , Sašo Vrbinc * Darko Popović * , Dragana Kokal * , Primož Mlakar * Povzetek Mnogo procesov v naravi ima dnevne cikle. Za statistič no analizo dnevnih ciklov nismo imeli na voljo namenskih nazornih algoritmov in/ali orodij. V okviru projekta prouč evanja sonč nega obseva v Sloveniji smo razvili nov algoritem in namensko orodje za analizo dnevnih ciklov sonč nega obseva. Graf, ki je produkt tega algoritma, smo poimenovali »sonč nica«. Zatem pa smo sonč nico prenesli še na številna druga področ ja in pokazali njeno uporabnost. Ključ ne besede: radialni frekvenč ni diagram, analiza dnevnega cikla, sonč ni obsev Key words: radial frequency diagram, daily cycle analysis, solar radiation Uvod Sonč ni obsev določ a številne procese v naravi in v veliki meri vpliva tudi na č loveške dejavnosti. V osnovi ima sonč ni obsev dnevne cikle, poleg teh pa so pomembne seveda tudi sezonske variacije povezane v naših krajih s pojavom letnih č asov. Ena od nalog, ki smo si jih zadali v projektu prouč evanja sonč nega obseva v Sloveniji, je bila tudi ta, da najdemo primeren nač in za statistič no analizo sonč nega obseva. Želeli smo identificirati predvsem krajevne razlike med vzorci sonč nega obseva kar je pogojeno s kompleksnim terenom, in razlike v č asovnih vzorcih na daljša obdobja, kar je neposredna posledica različ nih znač ilnosti klime v meteorološko slikoviti Sloveniji. Slovenija je seveda bila izhodišč e prouč evanj, nikakor pa ne tudi omejitev. Za primerjavo smo si vzeli metropolo Sao Paulo v Braziliji in brazilsko postajo na Antarktiki. Proizvodnja bio-goriva ima tudi negativne uč inke. Primer tega je poraba najkvalitetnejše kmetijske zemlje za takšno proizvodnjo. Dolgoroč no lahko to povzroč i probleme pri pridelavi hrane tudi zaradi klimatskih sprememb, poleg tega pa Slovenija ne proizvaja dovolj hrane za svoje lastne potrebe. Za statistič no analizo smo si zadali nalogo, da morajo biti rezultati vizualizirani in ne, da jih predoč imo zgolj kot množico števil. Vizualizacija namreč omogoč a, da č lovek, katerega razumevanje zunanjih pojavov je vsekakor zelo slikovno orientirano, lahko hitro razume informacijo, ki je podana kot slikovni vzorec. Hkrati pa lahko množico nač eloma podobnih vzorcev, ki pa se razlikujejo v niansah, zelo dobro medsebojno razlikuje. Obič ajno se za grafič no analizo uporablja č rtne grafe, xy grafe in histograme. Noben od teh pa ni zadovoljeval več ine nalog, ki smo si jih zastavili. Pregled po drugih sorodnih strokah za analizo ciklič nih spremenljivk pa tudi ni podal celovite rešitve. Naj omenimo najpomembnejše obstoječ e prikaze / algoritme za grafič no predstavitev in morda tudi statistič no analizo ciklič nih spremenljivk. Najprej moramo seveda omeniti analogni prikaz ure, ki prikazuje č as v obliki dveh kotov in 1-12 številč nice. Potem imamo prikaz smeri neba na kompasu. Podobno kot pri slednjem so smeri neba podlaga na meteorološkem prikazu rože vetrov (slika 1). Roža vetrov pa že omogoč a tudi statistič no analizo velike množice meritev vetra, ko vetrove grupiramo v krake rože. Vsak krak zavzema en sektor smeri. Potem pa znotraj kraka * MEIS storitve za okolje, d.o.o., Mali Vrh pri Šmarju 78, SI-1293, Šmarje-Sap, Slovenija 136 sortiramo hitrosti vetrov v razrede in še zastopanost le-teh prikažemo na grafič en nač in naprimer z dolžino, z barvo odseka na kraku in/ali z debelino kraka. Slika 1: Primer rože vetra za postajo Pustice za eno tedensko obdobje. Č e govorimo o analizi ciklič nih pojavov pa seveda ne smemo pozabiti na Fourierovo analizo in številne njene izvedenke in nadgradnje. Fourierova analiza je zelo široko uporabna, vendar pa žal ne za naš namen. Fourierova analiza nam poda prvenstveno zastopanost posameznih period / ciklov v signalu, ki je mešanica »osnovnih ciklič nih signalov« z različ nimi periodami in dodatno še »faznih zamikov« le-teh. Nas pa zanima praktič no zgolj en cikel, dnevni cikel in neenakomerna razporeditev vrednosti analizirane spremenljivke znotraj tega cikla. To sicer s Fourierovo analizo vidimo kot zastopanost še drugih ciklov v skupnem signalu, vendar ne na enostaven nazoren nač in. Zamisel novega prikaza - metodologija Iz idej vseh teh prikazov smo si zamislili nov prikaz, ki smo ga poimenovali sonč nica. Prikaz ima 24 krakov, po enega za vsako uro dneva. Znotraj posamezne ure pa spremenljivko, ki jo prouč ujemo, sortiramo v razrede in njihovo zastopanost prikažemo grafič no z barvami, debelino in dolžino odseka na kraku. Dolžina je proporcionalna procentualni zastopanosti posameznega razreda, barva pa opredeljuje razred. Podrobno definicijo smo podali v našem č lanku v Applied Energy (Božnar et al., 2015). Vzorec, ki ga na ta nač in dobimo, je prikazan na sliki 2, ki analizira en teden sonč nega obseva pomerjenega na postaji Pustice (na lokaciji pri podjetju MEIS). Poenostavljeno reč eno, na sliki vidimo kako moč no sonce je v povpreč ju sijalo v posamezni uri dneva v analiziranih treh mesecih. Lepo se vidi trajanje dneva, narašč anje in upadanje povpreč ne moč i in zastopanost posameznih moč i v posameznih urah dneva. 137 Slika 2: Primer sonč nice za postajo Pustice za eno tedensko obdobje, postaja je na dnu kotline. Uporaba sonč nice Osnovna raba diagrama sonč nica je bila namenjena analizi sonč nega obseva. Sonč nice lahko narišemo za posamezne dneve, za posamezne mesece ali letne č ase in tako enostavno in nazorno pokažemo razlike med obravnavanimi periodami. Nadalje lahko sonč nice narišemo za globalno, direktni ali difuzni sonč ni obsev in nazorno pokažemo njihovo medsebojno relacijo. Č e katerokoli tako ali drugo kombinacijo sonč nic narišemo za različ ne kraje, pa nazorno prikažemo različ nost vremena v teh krajih (primer slike 3). Slika 3: Primer sonč nice za postajo Veliki Loč nik za eno tedensko obdobje, v primerjavi s Pusticami se opazi drugač en režim megle, postaja je na hribu. Sonč nico lahko uporabljamo za analizo majhnih ali velikih količ in podatkov o izbrani spremenljivki. Smiselno je (ne pa obvezno), da minimalna količ ina podatkov obsega en dan, svojo analizno »moč « pa pokaže sonč nica predvsem pri izbranih daljših č asovnih obdobjih. 138 Sonč nica kot onesnažnica, vetrovnica Raba sonč nice seveda ni omejena samo na sonč ni obsev in seveda tudi ne samo na meteorologijo. Za vzorec možne drugač ne rabe prikazujemo na sliki »onesnažnice« za analizo onesnaženja z delci PM10 v mestu Celje (Slika 4). Za razliko od rože vetrov lahko na »sonč nič en« nač in analiziramo tudi vetrove. Primer je na sliki »vetrovnice« (Slika 5). Slika 4: Onesnažnice za več posamič nih zaporednih dni za mesto Celje prikazujejo onesnaženost z delci PM10. Slika 5: Vetrovnica za postajo Veliki Loč nik za enotedensko obdobje. Ti primeri drugih »sort rožic« nazorno pokažejo, kako zelo široka je lahko raba tega grafa. V MEISu smo jo uporabili praktič no za skoraj vse spremenljivke s katerimi se sreč ujemo pri svojih projektih. V č lanku (Božnar et al., 2015) si bralec lahko pogleda »prometnico«, izvedenko iz sonč nice, za prikaz prič akovane zgostitve cestnega prometa na izbrani toč ki, lahko pa bi jo uporabili tudi za prikaz in analizo števila kupcev v trgovini. Prikazali pa smo tudi č asovne, krajevne in vsebinske variacije raznih spremenljivk analiziranih s temi rožami. 139 Sonč nica kot vremenč ica Zelo zanimiva pa je tudi izvedenka sonč nice, ki smo jo poimenovali »vremenč ica«. Namenili pa smo ji nalogo, da nazorno z vzorcem pokaže podrobnosti vremenske napovedi, ki so pomembne za vsakdanjo rabo. Omejili smo se na prikaz sonca, komplementarnih oblakov ter padavin. Temperature v dnevu pa zaenkrat namerno nismo podali kot dodatnega kroga in barvnih skal, ker menimo, da bi bila informacija preobsežna. Zato smo dodali le številski prikaz vrednosti najvišje in najnižje temperature v dnevu, s pikico na grafu pa smo pokazali kdaj nastopi. Primer je na sliki 6. Slika 6: Primer prikaza vremenč ic za enotedensko obdobje (vremenska napoved v korakih po eno uro za sedem dni vnaprej), sonce je prikazano z intenzivnostjo oranžne barve, oblaki z intenzivnostjo sive barve, padavine pa z intenzivnostjo modre barve. Napoved se bere zgoraj levo v č rno-beli različ ici za vč eraj, potem za danes, jutri in pojutrišnjem, spodaj pa še za nadaljnje dni. Praktič na uporaba Vremensko napoved (tudi) v obliki vremenč ic lahko spremljate na naši spletni strani: http://www.kvalitetazraka.si/napoved/index.html. Prave sonč nice za sprotno rabo pa naprimer na http://www.meis.si/testbed/. Zaključ ki Zamislili smo si nov grafič ni diagram sonč nica za statistič no analizo pojavov, ki imajo dnevni cikel. Zamisel smo najprej izoblikovali za uporabo za analizo sonč nega obseva. Zatem pa smo zamisel uč inkovito uporabili še za druge spremenljivke z dnevnim ciklom, tudi izven področ ja meteorologije. 140 Sonč nica in njene sorodne rožice nam omogoč ajo hitro in nazorno primerjavo velikih razlik pa tudi majhnih nians posameznega obravnavanega pojava za različ na statistič na obdobja obdelav in za različ ne kraje uporabe oziroma analize. Temeljno vodilo, ko smo si izmislili to novo orodje, pa je bilo znano reklo, da »slika pove več kot tisoč besed« (ali pa številk). Zahvala Za izvedbo vseh predstavljenih različ ic orodja smo bili sofinancirani s strani raziskovalnih projektov ARRS: • L1― 4154 Izdelava modela za oceno razpoložljivosti sonč ne energije v Sloveniji na osnovi meteoroloških meritev, • L2― 6762 Ocena vpliva naravnih in antropogenih procesov na mikrometeorologijo Postojnske jame z uporabo numerič nih modelov ter sodobnih metod zajemanja in prenosa okoljskih podatkov, • L2― 5475 Razvoj in izvedba metode za sprotno modeliranje in napovedovanje onesnaženja zraka. Literatura Božnar, M. Z., Grašič , B., Mlakar, P., Soares, J. R., de Oliveira, A. P., Santos Costa, T. (2015). Radial frequency diagram (sunflower) for the analysis of diurnal cycle parameters : solar energy application. Applied energy, ISSN 0306-2619, vol. 154, str. 592-602, doi: 10.1016/j.apenergy.2015.05.055.