La mesure de l’ensoleillement et de la couverture nuageuse

1- généralités

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Cette étude est toujours en cours,

elle comporte des erreurs et des imprécisions, sa mise à jour se fait progressivement.

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Il existe deux principes un peu différents pour mesurer l’ensoleillement (1)

a/ première méthode

C’est la méthode utilisée par Météo France qui consiste à définir un seuil de rayonnement direct, soit 120 W/m², à partir duquel on considère « qu’il y a du soleil ».

Cette méthode est assez logique puisqu’elle correspond à une puissance, et c’est bien une puissance qui nous chauffe et qui nous éclaire. Et l’on constate bien que le soleil, près de son coucher ou de son lever, ou en hiver, nous chauffe et nous éclaire moins qu’à midi en plein été même derrière un cumulus.

Mais c’est là également son principal inconvénient :

Peut-on vraiment dire « qu’il n’y a pas de soleil » par une belle journée d’hiver sans nuage en fin d’après midi, bien que sa puissance directe puisse être inférieure à 120 W/m² ?

Inversement peut-on dire « qu’il y a du soleil » vers midi en plein été quand le soleil passe derrière un gros cumulus ? (puissance diffuse supérieure à 120 W/m²)

Pour lever ce doute la solution consiste à différencier la lumière directe et la lumière diffuse, mais cela complique beaucoup la mesure (poursuite automatique du soleil avec un angle de mesure réduit par exemple).

b/ deuxième méthode

Pour un ciel entièrement dégagé et limpide, la puissance solaire théorique arrivant au sol peut être calculée pour n’importe quel point du globe et pour n’importe quelle jour et heure de l’année.

C’est un calcul géométrique où n’intervient que de la hauteur du soleil sur l’horizon.

Ce calcul est fait en permanence dans le logiciel Wswin32 : c’est la variable %sunintenscur%

Le principe de cette deuxième méthode est donc de comparer en permanence cette valeur de puissance solaire théorique (calculée) avec la valeur effectivement mesurée par notre capteur qui mesure dans ce cas la puissance globale (direct + diffus) ce qui est bien plus facile que de ne mesurer que la puissance direct.

La différence entre ces deux mesures est liée uniquement à la présence de nuages (ou autres obstacles) entre le soleil et le sol.

Les deux gros avantages de cette deuxième méthode sont donc :

- de s’affranchir complètement de la notion de puissance directe et puissance diffuse.

En effet, même si notre capteur reçoit une puissance diffuse importante (par exemple à midi, en été, derrière un cumulus), il en recevra moins que la valeur théorique calculée hors nuage et en conclura donc qu’il y a un nuage.

- elle permet de calculer, avec une échelle à six niveaux, l’épaisseur de la couverture nuageuse.

Par exemple si le capteur mesure 150 w/m²et que la valeur théorique calculée est de 300 w/m², cela fait 50% de soleil et Wswin32 affichera « partiellement nuageux »

C’est cette deuxième méthode qu’utilise le logiciel Wswin32 à condition de choisir l’option « exécuter la correction de la position du soleil »

Ce terme traduit de l’allemand prête à confusion : il s’agit bien d’un calcul, complexe et génial, et non d’une simple correction avec des coefficients, contrairement à ce que l’on pourrait penser.

Le choix ou non de cette option correspond au choix de l’une ou l’autre des deux méthodes citées ci-dessus.

Au vu des résultats spectaculaires obtenus, à mon avis il serait vraiment dommage de ne pas utiliser cette option.

Remarque:

Un météo-amateur (Fabien) a développé récemment une mesure d'ensoleillement sur le même principe mais en faisant ses propres calculs, sans utiliser Wswin32;

- la description de sa mesure: https://www.sla99.fr/2020/05/01/solarimetre-ou-capteur-densoleillement/

- son site météo: https://meteo-four38.fr/

c/ comparaison entre les deux méthodes a/ et b/

Pour un ciel parfaitement dégagé, les 120 W/m²(puissance directe perpendiculaire) sont atteints environ 18 minutes après le lever du soleil (et 18 minutes avant son coucher).

Wswin32, lui, comptabilise de l’ensoleillement (s’il y en a) à partir de (et jusqu’à) une hauteur du soleil de 0.83° sur l’horizon, ce qui correspond à peu près à une durée de 10 minutes après le lever du soleil (et 10 mn avant son coucher).

(Ces valeurs varient peu au cours de l’année)

Lorsqu’il y a du soleil le matin et le soir ou pour une journée entièrement ensoleillée, la différence entre les deux méthodes pourra donc atteindre 16 minutes par jour.

Par exemple le 5 octobre 2016= journée sans aucun nuage, la durée du jour est de 11 h 24

- la durée d'ensoleillement mesurée par Météo France (*) est de 10 h 54 soit 30 minutes de moins.

- la durée d'ensoleillement mesurée par ma station est de 11 h 05 soit seulement 19 minutes de moins.

soit une différence entre les deux de 11 minutes.

(*) MF: station de Trappes à 12.5 Km au NO de ma station. Ce jour là pas de nuage dans toute la région.

(mais bien entendu cette différence de seuil va jouer toute la journée chaque fois que l'ensoleillement est près de ce seuil (ciel partiellement nuageux)) ?

D'autre part la durée d'ensoleillement dépend beaucoup de la géographie du lieu; bon nombre de stations MF n'ont pas un dégagement complètement horizontal (obstacles ou vallée par exemple).

Ici je suis sur un plateau bien dégagé. Mon capteur est à 10 m du sol, la distance minimum de l'horizon est de 12 Km au NE (lever du soleil l'été), 14 Km à l'O (coucher du soleil au printemps et en automne) et supérieure à 35 Km pour les autres directions (mesuré avec Google Earth ou avec : https://www.heliorama.com/en-ligne/calcul-ensoleillement, etc).

Je mesure donc des durées d'ensoleillement plus proches de la durée du jour (lorsqu'il y a du soleil).

Des relevés journaliers (sur plusieurs années !) sont en cours pour mesurer, par ciel sans nuage, combien de temps après son lever et avant son coucher, le soleil est pris en compte par Wswin32 (renseignements sur demande).

Remarques :

La méthode décrite ici (par mesure de la température différentielle solaire) n'est pas linéaire en éclairement, je ne donne donc pas la valeur des watts/m².

Mais cette non linéarité ne se produit surtout qu'au delà du seuil d'ensoleillement (pour un soleil intense)

Autrement dit elle ne fausse pas trop la mesure de la durée d'ensoleillement.

De toutes façon, depuis des années que je suis derrière ma fenêtre (au sud) :

lorsqu'il y a du soleil (je vois les ombres nettes), Wswin32 le mesure toujours (barres verticales oranges, moyenné sur 5 minutes dans les graphiques et durées d'ensoleillement affichées) et inversement, quand il n'y a pas de soleil (je ne vois pas d'ombre nette), Wswin32 n'en mesure pas (les fausses mesures sont de l'ordre de quelques minutes par mois au maximum).

L’ensoleillement se mesure dans la partie basse du spectre solaire (plutôt du côté visible et infra rouges), c’est à dire plutôt sa chaleur, avec un pyranomètre (mesure de 0.3 à 2.5 μm (*)) ou par la méthode décrite ici (qui n’est autre qu’un pyranomètre en deux morceaux).

(*) le spectre visible va seulement de 0.38 μm (violet) à 0.78 μm (rouge).

Si l’on mesurait l’ensoleillement par sa lumière (plutôt côté visible et UV), avec une photodiode ou un capteur UV par exemple, il y a des cas où le soleil est caché par des nuages et où cette lumière est quand même intense, on pourrait détecter du soleil alors qu’il n’y en a pas.

Par exemple les UV passent beaucoup mieux à travers un voile d'altitude que les infra rouges.

Dans le cas d’une photodiode on utilise alors un filtre jaune pour ne mesurer que les grandes longueurs d’onde.

Dans le cas d’un capteur UV, avec un filtre jaune il ne resterait plus de signal !

C’est pour cela qu’on ne mesure jamais l’ensoleillement avec un capteur UV.

Par contre, même s'ils ne chauffent pas, ce sont les UV qui bronzent la peau et peuvent même la brûler (coup de soleil).

Avec un voile nuageux on a moins chaud qu'avec un soleil direct et instinctivement on risque de moins se protéger alors que les UV sont tout autant intenses.

En montagne c'est l'air frais d'altitude qui incite à moins se protéger des UV.

(1)

Quelques définitions de l'ensoleillement:

https://fr.wikipedia.org/wiki/Ensoleillement

http://files.meteofrance.com/files/glossaire/FR/glossaire/index4df5.html?LETTRE=E cliquez sur "ensoleillement"

dernière mise à jour de cette page le 22 janvier 2024

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