Analyse de données d'éclairement solaire avec le calendrier milésien

La connaissance de l’éclairement solaire est nécessaire pour une bonne planification d’une centrale solaire. L’utilisation du calendrier milésien permet d’identifier des écarts de second ordre par rapport aux performances attendues à chaque période de l’année, et de caractériser les cycles par rapport à une représentation simple du cycle solaire annuel.

Une étude pour un institut de recherche sur le climat

L’Institut Pierre Simon de Laplace (IPSL) conduit des recherches visant à comprendre les processus sous-jacents à l’évolution du climat. L’institut exploite de nombreux instruments de collecte et de traitement de données météorologiques. C’est au Site Instrumental de Recherche par Télédétection Atmosphérique (SIRTA), installé sur le campus de l’école Polytechnique, que fonctionne un ensemble d’instruments de mesure d’éclairement solaire et tellurique.

La plupart des données d’éclairement solaire sont consolidées par mois du calendrier grégorien. Or, le découpage en mois grégorien ne rend pas compte de la symétrie de l’éclairement solaire primaire au cours de l’année. Les différences entre mois de part et d’autre des solstices ne reflètent aucune information autre que le fait que le calendrier grégorien est déphasé par rapport au cycle d’ensoleillement saisonnier.

Nous avons effectué une analyse des données d’éclairement solaire collectées de 2003 à 2018 en utilisant le référentiel du calendrier milésien. Nous obtenons ainsi notamment des restitutions mettant en valeur de légers écarts entre des périodes d’ensoleillement primaire semblables, Il convient désormais d’interpréter ces écarts. 

Nous avons pu également représenter le cycle journalier d’éclairement tellurique moyen, par mois milésien, et nous avons proposé des « saisons » pour modéliser ce phénomène.

L’étude a été présentée sous forme de poster aux journées du SIRTA de juillet 2019. Le poster de cette présentation, ainsi que l’étude complète, sont accessibles sur notre page ressources. 

L'éclairement solaire diurne par mois milésien

Le référentiel des mois milésiens est symétrique, comme expliqué à cette page. La restitution de l’éclairement diurne moyen sur chaque mois et de l’écart type de cette variable permet de constater les petites différences entre mois montants (unème à sextème) et descendant (septème à douzème).

La moyenne d’éclairement se révèle légèrement plus élevée lors des mois descendants, et l’écart-type est, lui, plus faible. Cet effet paraît naturellement corrélé au constat d’expérience que les mois descendants présentent le plus souvent une météo plus clémente, caractérisée par plus de stabilité et moins de nébulosité, que les mois montants. 

On peut espérer que des modèles climatiques pourront proposer une quantification de ces différences, que confirmeraient les données ci-dessus.

La fraction diffuse de l'éclairement solaire

La fraction diffuse de l’éclairement solaire est la part de lumière solaire indirecte reçue sur une surface horizontale au sol, rapporté à la lumière solaire totale. La fraction diffuse est de 100 % quand le disque solaire n’est pas visible : il n’y a alors que de la lumière diffuse. Dans les moments où il n’y a ni nuage ni brume, cette part peut descendre à environ 15 %. Toutefois les moyennes des mesures de fraction diffuse à une heure donnée chaque mois ne descendent pas en dessous de 50 %. Cette donnée est intéressante pour évaluer l’efficacité  de panneaux solaires avec dispositif d’asservissement selon la direction des rayons solaires.

Nous avons établi des profils de fraction diffuse pour chaque heure de la journée, en moyenne pour chaque mois milésien. On observe que la fraction diffuse est globalement plus faible pendant les mois descendants que pendant les mois montants. Comme vu plus haut, le soleil est généralement plus visible pendant les mois descendants que pendant les mois montants correspondants. Vous observerez qu’il est impossible de faire de telles comparaisons en se fondant sur les mois grégoriens.

Dans les schémas suivants, les heures sont UTC. La donnée rapportée à une certaine heure est la moyenne des mesures pendant entre cette heure et cette heure + 59 minutes.

Le schéma ci-après restitue la fraction diffuse de l’éclairement en période diurne (soleil au-dessus de l’horizon), en moyenne pour chaque mois milésien.

Rappelons que les valeurs élevées correspondent à des périodes où l’on ne voit que peu le soleil. 

Il est intéressant de noter les « rebroussements » de quintème et, dans une moindre mesure, d’octème, qui suggèrent des conditions de nébulosité ou de transparence atmosphérique plus favorables qu’aux périodes voisines.

L’éclairement tellurique infrarouge

L’éclairement tellurique infrarouge correspond à une partie de la restitution par l’atmosphère de la chaleur produite par le sol sous l’effet de la lumière solaire. Ce rayonnement est observable à toute heure, y compris la nuit.

Mesurée heure par heure, cette donnée présente un comportement apparemment erratique. En revanche, on peut moyenner toutes les valeurs obtenues à chaque heure pendant les quinze années de mesure, pour obtenir un profil remarquablement régulier. 

Rappelons que, dans les schémas ci-après, la valeur correspondant à l’heure 15 par exemple signifie la moyenne de toutes les mesures prises entre 15 h et 15 h 59.

On peut établir les profils plus détaillés en prenant les moyennes pour une même heure et un même mois. Les valeurs les plus faibles sont obtenues en secondème. 

Les valeurs les plus importantes sont obtenues en octème, pratiquement à égalité avec septème.

Ces courbes suggèrent de rechercher des composantes à la dissipation de chaleur par l’atmosphère. En période estivale, le cycle est bien marqué, contrairement à l’hiver.

Comme nous l’avons fait pour la calotte glaciaire arctique, on peut proposer des saisons pour ce phénomène, sur la base de la moyenne d’éclairement tellurique par mois.

Pour aller plus loin

Cette étude renforce notre conviction selon laquelle de nombreuses études de phénomènes liés aux saisons gagneraient à utiliser le référentiel de mois milésiens. 

Nous restons prêts à contribuer à de telles études.