Anciens et nouveaux capteurs de mesure de la DI

[ChristianP]

Comme on bascule dans l'instrumentation, je poursuis ici le sujet abordé en climatologie (suivi de l'insolation en 2013) sur les mesures de la durée d'insolation avec l'ancien capteur Campbell-Stockes (boule en verre) par rapport à certains capteurs modernes.

mogador, le 22 May 2013 - 12:54, dit :

Ce Kipp & Zonen semble avoir la tendence à livrer des valeurs élevées.

J'avais suivi une discussion sur un forum allemand où l'on avait comparé des valeurs d'ensoleillement Meteomedia (qui y a son propre réseau de stations) avec celles du service allemand DWD dans le sud-ouest du pays (région de Fribourg-en-Breisgau et de Bâle non loin de la France et de la Suisse).

Par exemple Meteomedia avait relevé 1871 h à Freiburg-Munzingen avec son csd-3 de Kipp&Zonen, tandis que le service Meteo allemand DWD n'avait mesuré que 1643 h avec le Soni Soggelkow sur la station de l'aéroport (station dégagée). Il en était de même dans la région de Bâle. Une différence de presque 230 h, c'est énorme.

Pour les anciens capteurs, outre la qualité du papier utilisé, 2 raisons principales semblent être à l'origine d'inhomogénéités. D'une part l'humidité de l'air peut faire varier considérablement le seuil voir la "durée de brûlure" du papier. D'autre part le papier n'arrête pas instantanémant de brûler lorsque des nuages masquent le soleil.

Le service météorologique autrichien ZAMG a fait des mesures comparatives entre les capteurs d'ancienne technologie (Campbell Stokes) et les nouveaux capteurs ("Hänni Solar"). On a remarqué que les inhomogénéités entre les 2 technologies variaient plus ou moins en fonction de l'altitude et des saisons et que les anciennes valeurs étaient systématiquement trop basses en dessous de 600 m d'altitude, particulièrement en hiver (voir le graphique ci-dessous extrait d'une présentation).

Je signale qu'une pléthore de données homogénéisées pour la France et d'autres pays (tm, rr, ensoleillement) sont disponibles sur le site du service autrichien.

Avec 230h d'écart dans ces coins, ça signifie très probablement que le gros de cette valeur ne provient pas du tout de l'incertitude de base du capteur CSD-3.

Le problème majeur dans ce genre de comparaisons, en plus du fait qu'elles ne pas sont faites à même hauteur et avec les mêmes obstacles dans le même site sous d'assez certaines mêmes conditions d'insolation, c'est qu'on ne sait pas ce que donnent les autres capteurs de DI par rapport à un pyrhéliomètre de référence et il manque d'autres éléments.

En GB pour le changement ils ont étudié le problème pour le passage au CSD-1 (2 ou 3 c'est pareil à quelques bricoles et améliorations près dans la fiabilité de l'électronique et le 3 est en verre, les autres en plastique).

L'ancien capteur surestime à peu près de 20% l'été et de 7% l'hiver. Ils ont déterminé des corrections plus fines pour chaque mois (Ca nous arrangerait bien que MF diffuse ce genre d'infos précises qu'ils ont déterminées pour chaque station FR)

http://onlinelibrary.wiley.com/store/10.1256/wea.99.03/asset/200459403_ftp.pdf?v=1&t=hh5xq9fl&s=fbf5b4c0ffb87cf996ba637f7d8cfaf64ec8e47a

Avec de relativement longues comparaisons de ce type, à distance (19 à 27 km), j'ai vu des CSD-3 au Luxembourg qui "sous-estiment" par rapport à la méthode MF. Sur l'année 2003 un des capteurs CSD avait sous-estimé de plus de -320 h alors que ce même capteur n'avait sous-estimé que d'un peu plus de -70h/an en moyenne / 9 ans.

Un 2 ème CSD a sous-estimé moins en 2003 (près de -160h) alors qu'il sous-estimait plus en moyenne/9 ans (+ de -170 h/ an !) que le premier CSD.

L'ancien capteur CS (à boule de verre) lui a surestimé moins avec plus de soleil en 2003, +140h contre près de +160 h/an sur 11 ans.

Enfin pour moi ces chiffres avec des comparaisons douteuses à distance dans des sites différents avec de possibles et réelles différences de DI, ne signifient pas grand chose, à part qu'il y a très probablement bien d'autres causes aux plus gros écarts que l'incertitude des capteurs.

Chez MF avec des essais autrement plus rigoureux (au même emplacement sur le toit bien dégagé du centre radiométrique et face à des pyrhéliomètres de référence), j'ai lu des résultats avec le CSD-1.

Un des exemplaires testés du CSD sous-estimait en moyenne de 5.5 minutes/jour (un peu plus de -33 h /1 an) alors qu'un un autre surestimait de 9.1 minutes/jour (+55h /1 an).

Ca me semble cohérent avec l'incertitude de +- 10% de la DI au pas mensuel, donnée par le constructeur.

En fait il faudrait tester un paquet de capteurs pour vérifier la qualité réelle de l'interchangeabilité/étalonnage de base.

A noter que selon les pays et les conditions, l'ancien capteur donnait plutôt des seuils qui variaient de 70 à 280 W/m2 (MF et dernier CIMO guide), dans une plus vieille note MF ça descendait même à 60 W. Donc il sera normal de trouver des secteurs/périodes/conditions et pays où il sous-estime, mais en général c'est plutôt la surestimation qui ressort des essais face à des pyrhéliomètres qui sont les instruments de références pour vérifier le rayonnement direct.

L'incertitude due à l'observateur qui lit le papier est estimée déjà à +-15%, donc pas étonnant que certains lecteurs puissent avoir compensé ou accentué les erreurs par endroits et qu'il n'y ait pas toujours les mêmes écarts pour de mêmes conditions.

Aurais-tu le lien direct vers la page ZAMG qui fournit des DI homogénéisées pour la France, car avec cette langue que je ne connais pas du tout, même avec google translate, je ne trouve pas dans les données gratuites ? Merci !

Je suis tombé sur la photo de l'ancien abri sombre pratiquement contre le mur du bâtiment en 1939, c'est clair que l 'urbanisation jouait plus à cette époque qu'au nouvel emplacement meilleur mais pas très fameux avec des abris modernes !

[Boudu34]

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Analyse très intéressante, merci Christian, tu touches-là un domaine où j'ai beaucoup joué.

J'ai toujours été un peu surpris, dans les années 70/80, à l'époque où l'électronique se miniaturisait, et la micro-informatique démarrait, de voir la "boule de cristal" de la Piste 13 à Montpellier-Fréjorques, toujours en service et consciencieusement relevée tous les soirs.

Les "datas" horaires (si l'on peut parler de datas pour du papier plus ou moins brûlé (suivant l'humidité ambiante voisine procurée par les étangs - moins de 10m - et suivant également l'appréciation de l'observateur - un "Nordiste" ne voit pas la même chose qu'un "Sudiste" - j'ai assisté à des disputes épiques au CDM !), ces datas étaient fournies au labo d'agrométéorologie de l'École d'Agriculture de Montpelleir afin d'en déterminer la précocité ou le retard des prochaines vendanges (sujet plus qu'important dans la région !).

En comparaison, je faisais déja bien mieux avec mes deux transistors (l'un au germanium - très sensible à la lumière,décaloté, en capteur, et l'autre en ampli !

Mon "compteur de nuages" (on peut compter des périodes ennuagées ou des périodes ensoleillées, c'est pareil !) était piloté en site et azimut par une petite électronique simplifiée qu'un processeur "élémentaire" de l'époque (6800 de Motorola) commandait, jour et ... nuit ! (j'ai eu même, un certain temps, enregisté des "lever" et "coucher" de ... lune !)

Pour l'insolation. des tables locales de "luminosité" saisonnière (faites pendant 5 ans avec une cellule Réal de photographie !) permettaient de "traduire" la plus ou moins grande transparence moyenne de l'atmosphère à une période donnée, les "entrées maritimes" plus ou moins brumeuses ou les Tramontanes de NO dégageant le ciel, apportaient leurs (minimes) corrections aux données de base.

J'avais essayé, mais sans succès d'expliquer cette manip au patron local de la Météo-Nat de l'époque, qui, bien qu'ayant apprécié le boulot, m'expliqua que, dans l'ambiance "fonctionnarisé" en service alors, il n'était pas question de "déroger" aux normes établies dans "Le Guide de l'Observateur Météorologue" en activité ! Trappes-des-Yvelines (comme on disait alors) était plus indiqué. J'y ai envoyé un dossier ... sans apparent succès. Et j'ai continué avec mon petit matos, dans mon petit coin, et pour le plaisir, pendant 20 ans !

Ce qui me choque, c'est qu'avec le plus petit PC portable aujourd'hui, le plus minuscule logiciel de correction et d'asservissement (même en VisualBasic !), le plus petit capteur opto piloté par le plus élémentaire des jouets télécommandés, on n'arrive pas à réaliser un Héliomètre élémentaire ! Quoi de plus facile aujourd'hui que de distinguer les UV, les Visibles et les IR en fonction des lieux, de la montagne en altidude au niveau de mer embrumèe, et de savoir, d'une manière incontestable combien de temps le soleil a brillé dans un lieu, et avec quelle intensité !

C'est du niveau d'un examen dans une école où l'on apprend la programmation.

Certains raisonnements "modernes" m'échapperont toujours par leur absence de logique et d'intelligence !

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