2.7.1 Tri des données
Une fois l’ensemble des spectres étalonné, il faut écarter les mesures non exploitables. Les mesures présentant un bruit trop important ou une perturbation sur la mesure doivent être supprimées.
Concernant les chaînes de mesure d’éclairements énergétiques spectraux globaux, on peut voir (cf. Fig 2.6.1) que la variabilité des erreurs augmente particulièrement fortement au-dessous du seuil des 2000 𝑙𝑢𝑥 (référence cellule LMT evg), l’écart type moyen atteignant 100% pour l’ensemble 𝐸𝑒𝑣𝑔 ≤ 2000 𝑙𝑢𝑥. Cette augmentation provient du faible rapport signal sur bruit des spectres pour les faibles éclairements. Ces spectres difficilement exploitables sont écartés : la suppression de ces données réduit le nombre de mesures analysées pour la chaîne globale horizontale de 12%. Dans le cas de la chaîne directe normale, il est difficile de définir un seuil pour la conservation ou non des données car la variabilité de l’erreur augmente rapidement et de manière continue quand les éclairements (références cellules LMT evg et evd) diminuent. Concernant les perturbations sur la mesure spectrale, elles sont détectées par comparaison entre les profils d’éclairements lumineux et le journal de la station. Les perturbations sur la mesure ont de nombreuses origines : elles peuvent être causées par la présence de buée sur les dômes ou fenêtre d’observation, par des obstructions par des animaux (oiseaux, araignées), par des réflexions du rayonnement direct par des éléments au voisinage (toiture), etc… Dans la majorité des situations, nous pouvons identifier la perturbation en consultant le journal d’entretien de la station.
Prenons un exemple et développons les perturbations causée par la buée : nous avons eu une courte période pendant laquelle le joint d’étanchéité ne remplissait plus son rôle. Après une pluie intense, le système pouvait se charger en humidité et si la journée suivante était ensoleillée, l’eau s’évaporait et se condensait sur le sommet du dôme de la chaîne de mesure. Cette buée atténuait le rayonnement parvenant au capteur. Pour le constater, on compare la mesure à celle obtenue avec un autre instrument ayant la même orientation. Dans les situations de ciels sans nuages, l’atténuation continue dans le temps du signal d’un instrument alors que celui d’un autre n’est pas perturbé est une preuve nette de la présence de buée. La figure suivante (Fig 2.7.1) présente des cas de perturbations de la mesure causés par la buée entre 10h et 15h et par un phénomène d’origine inconnu avant 9h :
2.7 Contrôle qualité
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Fig 2.7.1 : perturbation sur les mesures spectrales seg. La présence de buée sur le sommet du dôme réduit notablement les éclairements lumineux entre 10 et 15h. Une seconde perturbation, de cause non identifiée, est observée entre 8h et 10h.
La buée est généralement localisée sur le sommet du dôme, donc son effet est peu visible pour les faibles hauteurs de soleil (en début et fin de journée) car le rayonnement direct passe alors sous le toit de buée : l’absence d’atténuation notable ne permet alors pas la détection de la buée. Puis, pour les hauteurs plus importantes (en milieu de journée), le rayonnement direct passe à travers le toit de buée. Il est donc atténué avant d’atteindre le capteur. Pour distinguer l’effet d’atténuation causé par des nuages de ceux causé par la buée, on compare à un instrument ayant la même orientation. Si la mesure de référence n’est pas atténuée sur plusieurs dizaines de minutes, alors on peut confirmer que la perturbation est propre au premier instrument. Quand une telle perturbation est observée, toute la journée doit être supprimée. Même si pour les faibles hauteurs de soleil les éclairements mesurés ne paraissent pas modifiées, une partie du diffus n’est pas détectée et contribue à une mauvaise détection de la composition spectrale du rayonnement.
Même avec une comparaison systématique avec les cellules LMT, la grande variabilité des éclairements sous les ciels nuageux rend très difficile la détection de mesures biaisées. Dans ce cas, la seule manière de discriminer les mesures biaisées est le journal d’entretien de la station dans lequel on note les perturbations.
Le tableau suivant résume les proportions des mesures conservées entre août 2014 et juillet 2015 pour les chaînes de mesures spectrale seg et sesn :
Jours valides / jours de mesures
Jours valides / jours de l’année
seg 324/332 = 97,5% 324/365 = 89%
sesn 297,5/316,5 = 94% 297,5/365 = 82%
Table 2.7.1 : Nombre de jours valides par rapport aux nombre de jours de mesures et par rapport aux nombre de jours de l’année. Les jours sans mesures correspondent à des périodes de pannes, de campagne d’étalonnage ou d’entretien de la station.
117 La Table 2.7.1 présente les mesures seg avant suppression des 12% de mesures correspondant à des éclairements inférieurs à 2000 𝑙𝑥.
2.7.2 Domaine spectral de validité
Le spectre brut est enregistré sur un domaine spectral allant de 350 à 1000 𝑛𝑚. A l’observation des fonctions de transferts des 4 chaînes Ocean Optics, nous avons mis en évidence une zone aveugle pour les faibles longueurs d’onde au-dessous de 370 𝑛𝑚 (cf. § 2.4.1.2). Cette définition de zone aveugle a permis la correction du signal d’obscurité en ajustant son niveau au signal mesuré dans la zone aveugle. Le résultat de mesure obtenu est en conséquent ramené à zéro dans cette zone spectrale. Or, le spectre de la lumière naturelle n’est
a priori (et en réalité) pas nul dans cette zone.
La figure suivante (Fig 2.7.2) permet d’illustrer ce phénomène et de mettre en évidence la zone spectrale exclue. Nous comparons un spectre d’éclairement global horizontal mesuré par la chaîne seg à une modélisation produite par le modèle de transferts radiatifs SMARTS2. Cette comparaison est juste qualitative et est réalisée avec un minimum d’informations correspondant au contexte de la mesure (atmosphère : latitude moyenne en été, hauteur de soleil : 34,2°, colonne d’eau : 2,0 𝑔. 𝑐𝑚−2)
Fig 2.7.2 : comparaison entre les éclairements énergétiques spectraux de seg avec une simulation SMARTS2 pour un ciel sans nuage. Aucun ajustement numérique n’a été réalisé pour cette comparaison qui ne sert qu’à mettre en évidence la zone aveugle.
Pour définir la zone spectrale à exclure, on se base sur l’augmentation de l’écart type du spectre du résultat de mesure. La division de l’incertitude du signal brut de comptage par les valeurs proches de zéro de la fonction de transfert implique de très fortes incertitudes sur le résultat de mesure. De cette manière, on identifie une longueur d’onde limite en dessous de laquelle on doit rejeter la mesure. Les fonctions de transferts étant, pour ce domaine, assez proches pour les 4 chaînes de mesures Ocean Optics, le domaine spectral exclu sera le même, soit du début du spectre à 400 𝑛𝑚. Le nombre de longueurs d’onde conservé pour les voies globales passe ainsi de 𝒩𝜆𝑀 = 651 (cf. § 2.3) au moment de la mesure à 𝒩𝜆𝑄 = 601 après le contrôle qualité.
2.7 Contrôle qualité
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Nous avons présenté après un étalonnage absolu de la mesure spectrale le tri des données par comparaison avec les éclairements lumineux puis nous avons limité la zone spectrale valide. La chaîne seg des éclairements énergétiques spectraux globaux horizontaux fournit la plus grande proportion de mesures exploitables pour notre analyse.
La partie suivante (cf. § 2.8) résume les données produites pour les quatre chaînes de mesures spectrales (seg, sege, segs45 et sesn). Puis, quelques comparaisons entre les observations faites sous ces quatre orientations sont présentées pour différentes configurations de ciels.
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