CLIMATOLOGIE DE L'ENSOLEILLEMENT AU
QUÉBEC
Mémoire présenté
à la Faculté des études supérieures et postdoctorales de l'Université Laval dans le cadre du programme de maîtrise en sciences géographiques pour l'obtention du grade de Maître en sciences géographiques (M.Sc.Géogr.)
DEPARTEMENT DE GEOGRAPHIE
FACULTÉ DE FORESTERIE, DE GÉOGRAPHIE ET DE GÉOMATIQUE UNIVERSITÉ LAVAL
QUÉBEC
2011
L'étude vise à faire une climatologie de l'ensoleillement au Québec. Pour ce faire, des données d'ensoleillement direct cumulées, dans le cadre du programme de surveillance du climat du ministère du Développement durable, de l'Environnement et des Parcs (MDDEP), ont été validées.
Une mise à jour de la méthodologie fut élaborée pour une nouvelle climatologie de l'ensoleillement. Suite à la validation de la banque de données, différentes corrections ont été effectuées afin de pouvoir en faire une utilisation adéquate pour le projet. Une modélisation de la radiation, avec le modèle d'Angstrôm, fut réalisée. Cette modélisation à permit de cartographier, en autre, la radiation au Québec méridional. Une fois la radiation calculée, cette dernière fut vérifiée à l'aide de mesures directes de la radiation ce qui a donné un coefficient de corrélation supérieur à 98%.
Les analyses des différentes cartes créées lors de cette étude permettent une distinction à plusieurs niveaux de la climatologie de l'ensoleillement. Les structures d'ensoleillement évoluent de façon différente durant l'année. Lors des périodes hivernales, une structure principalement parallèle à l'axe du fleuve St-Laurent prédomine. Tandis que pour les autres mois (mai à août), une structure de l'ensoleillement plutôt latitudinal prédomine. De plus, on remarque que durant la période hivernale, il y a une plus grande complexité dans les structures d'ensoleillement que dans la période estivale.
Abstract
This research aims on improving sunshine climatology in Québec. Bright sunshine data has been used to reach this goal. Those data, supplied by the ministère du Développement durable, de l'Environnement et des Parcs, have been first validated.
An update of the methodology was developed to serve a new climatology of sunshine. Following the validation of the database, different corrections have been made in order to properly use it for the project. Modeling of radiation, with the Angstrom model, was performed. This model was used to map radiation in southern Quebec. Once the radiation calculated, it was verified with direct measurements of the radiation which gave a high level of satisfaction.
During this research, many maps have been made about many climatological parameters. Once the analysis of those maps had been done, we found that many sunshine structures are changing during different times of the year. For instance, during the winter time, a parallel structure appears along the St Laurence River. Whereas during the other months (May to August), the sunshine structure is principally perpendicular to the St Laurence river. Moreover, during the winter time a substantial number of sunshine structures seem to appear.
Plusieurs personnes ont fait que ce projet fut une réussite sans trop de périodes difficiles. Du fond du cœur, j'aimerais remercier toutes les personnes qui m'ont épaulé durant ce projet. Tout d'abord, le MDDEP pour son soutien financier ainsi que les membres tel que Mme France Delisle, Mme Catherine Savard et M. René Lévesque pour leurs
conseils et leurs appuis. M. Serge Duchesneau pour ses précieux conseils en cartographie, conseils qui m'ont fortement aidé à garder mon équilibre mental. M. Mir Abolfazl Mostafavi pour ses conseils sur la méthode du krigeage. M. Jean-Sébastien Boucher pour son appui et ses conseils pour tout ce qui trait à la mise en page des cartes. A Mme Marie-Hélène Vandermissen pour ses conseils et ses lumières apportées a ce travail.
Je suis sans mot pour ma directrice Nathalie Barrette et mon codirecteur Richard Leduc. Ce projet m'a permis non seulement de me former en tant que scientifique, mais m'a donné la chance de travailler avec des personnes dont la rigueur scientifique, la connaissance et la passion n'ont que très peu d'égales. Je vous remercie pour votre gentillesse, votre dévotion, votre disponibilité.
Un remerciement à mes parents sans qui jamais ma route n'aurait croisé celle de la science. Je leur dois tout ce que je suis aujourd'hui, ce sont eux qui m'ont éclairé lors des moments les plus difficiles de ma vie. Ils représentent tout ce dont je rêve, et je les remercie d'avoir été mes guides et d'être de si merveilleuses personnes. Finalement, un ultime remerciement à Luce, pour son support, ses encouragements et avec qui la vie n'a jamais été aussi belle...
Résumé i Abstract ii Remerciement iii Liste des tableaux vii Liste des figures viii Introduction 1
Objectifs de recherche 5 1 Revue de la littérature 7
1.1 Le rayonnement électromagnétique 7
1.3 La géométrie Soleil-Terre 11 1.4 Voyage de l'énergie dans l'atmosphère 17
1.5 La définition et la mesure de l'insolation 22
1.6 Les héliographes 23
2 Méthodologie 31 2.1 Les données 31
2.1.1 Les critères pour la sélection des stations 35
2.1.2 Les métadonnées 38 2.2 Completion de la table de données 38
2.2.1 La fraction d'ensoleillement mensuelle 39
2.2.2 Les modèles d'ensoleillement 40
2.3 L'effet masque 43 2.3.1 La correction des données 46
2.3.2 Détermination de l'effet masque 47
2.4 Effet masque papier 51 2.5 Validation de la base de données mensuelle 54
2.6 Imputation de données manquantes 54 2.6.1 L'interpolation par splines 56 2.6.2 L'imputation multiple 57 2.7 Création des données mensuelles 59 2.8 Les tendances climatiques 60
2.8.1 Les anomalies 60 2.9 L'interpolation spatiale 63
2.9.1 Définition et notation 63 2.9.2 Les méthodes déterministes 64 2.9.3 La méthode barycentrique 64 2.9.4 Le partitionnement de l'espace 64
2.9.5 Splines 66 2.9.6 La méthode stochastique 68
2.9.7 Le krigeage 69 2.9.8 La création des cartes d'ensoleillements 73
2.10 Le calendrier de probabilités 83 2.10.1 Les modèles statistiques 84 2.10.2 Création du calendrier de probabilités 87
3. Résultat 92 3.1 Les régimes d'ensoleillements annuels 92
3.2 Les régimes d'ensoleillements mensuels 95 3.2.1 Janvier 95 3.2.2 Février 97 3.2.3 Mars 99 3.2.4 Avril 101 3.2.5 Mai 103 3.2.6 Juin 105 3.2.7 Juillet 107 3.2.8 Août 109 3.2.9 Septembre 111 3.2.10 Octobre 113 3.2.11 Novembre 115 3.2.12 Décembre 117 3.3 Anomalies climatiques 119 3.4 Les calendriers de probabilités 121
4. Discussion 123 4.1 Sources d'erreur 123
4.1.1 L'effet masque papier 123 4.1.2 Les jours sommés avec des heures manquantes 123
4.1.3 Les données en altitude 123 4.1.4 L'interpolation par krigeage 124 4.1.5 Adaptation du modèle d'Angstrôm 124 4.2 Les structures latitudinales du modèle d'Angstrôm 126
4.3. Les précipitations annuelles 127 4.4 Changement de structures d'ensoleillement 129
4.4.1 Changement printanier 129 4.4.2 Changement automnal 131 4.5 L'évolution des paramètres d'ensoleillement au cours de l'année 132
4.6 Comparaison avec les travaux antérieurs 133 4.6.1 Sommaire héliométrique du Québec (Bolduc & Villeneuve, 1964) 133
4.6.2 L'ensoleillement au Québec (Gariépy, Calvet, & Leduc, 1981) 135
4.6.3 L'analyse et la répartition de l'insolation au Québec 137
4.6.4 Les bénéfices et limites de notre étude 138 4.7 Anomalie climatique : novembre 1978 140
4.8 Les calendriers de probabilités 142
Conclusion 143 Bibliographie 148 Annexe A 151 Annexe B 155
Tableau 1 : Tableau du choix des paramètres optimaux pour l'interpolation par Krigeage
lors de la création de toutes les cartes 76 Tableau 2 : Stations ayant des données extrêmes en novembre 1978 119
Tableau 3: Paramètres climatiques de la station de l'aéroport Pierre-Eliot-Trudeau de
novembre 1978 140 Tableau 4: Les écarts-types mensuels de la durée d'ensoleillement de la station de
l'aéroport international Pierre-Eliot-Trudeau 141 Tableau 5: Valeurs de l'ensoleillement pour la ville de Québec (station de l'aéroport
Figure 1 : Spectre électromagnétisme 8
Figure 2 : Orbite de la Terre 11 Figure 3 : Déclinaison du Soleil 12 Figure 4 : Effet de l'angle d'incidence sur la répartition énergétique 13
Figure 5 : Changement annuel de la position de Soleil dans le ciel (hémisphère nord) 14 Figure 6 : Représentation de la durée d'une journée sous la forme d'un angle (2H) 15 Figure 7 : Hauteur du Soleil à midi (haut) et durée e la journée (bas) dans l'hémisphère
Nord 16 Figure 8 : Spectre d'absorption du rayonnement solaire de l'atmosphère 17
Figure 9 : Bilan radiatif global de la Terre 18 Figure 10 : Bilan du rayonnement solaire et infrarouge perdu et reçu par la surface Terrestre
dans l'hémisphère Nord 21 Figure 11 : L'héliographe Campbell-Stokes 24
Figure 12 : Cartons de prises d'ensoleillement direct 25 Figure 13 : Trajectoire solaire sommaire durant les périodes requises par les cartons 26
Figure 14 : Règle démesure des heures d'ensoleillement 28 Figure 15 : Emplacement du Soleil selon la période de l'année 29 Figure 16 : Carte de localisation des stations météorologiques 31 Figure 17 : Échantillon de la banque de données originale fournie par le MDDEP 32
Figure 18 : Chronologie mensuelle de la station Eastmain 34 Figure 19 : Chronologie mensuelle de la station de Montréal-Dorval 34
Figure 20 : Inventaire global du nombre de mois approuvé vs le nombre de mois rejeté par
année 36 Figure 21 : Inventaire mensuel de la station Eastmain 37
Figure 22 : Effet masque de la station Vallée-Jonction 44 Figure 23 : Limite superficielle supérieure de l'effet masque de Vallée-Jonction 45
Figure 24 : Données quotidiennes corrigées de l'effet masque de la station Vallée-Jonction. 46 Figure 25 : Correction de l'effet masque mensuel pour la station de Vallée-Jonction 47
Figure 26 : Effet masque des Îles-de-la-Madeleine 48 Figure 27 : Graphique des maximums quotidiens de la station Forêt-Montmorency 49
Figure 28 : Visuel de la station Vallée-Jonction, respectivement nord (photo du haut à gauche), sud (photo du haut à droite), est (photo du bas à gauche) et ouest (photo du
bas adroite) 50 Figure 29 : Changement de cartons de mesure sur le graphique de l'effet masque de
Lennoxville 51 Figure 30 : Les héliographes Cassela-London et Negretti-Zambra (respectivement) 52
Figure 31 : Les différents cartons de mesure 53 Figure 32 : Exemple d'interpolation par splines de la station Rivière-au-Tonnerre 56
Figure 33 : Graphique de la tendance d'ensoleillement de la station Montréal Dorval 61
Figure 34 : Stations ayant des données extrêmes en novembre 1978 62 Figure 35 : Partitionnement par polygone (lignes pleines) et partitionnement par triangle
Figure 36 : Interpolation par partitionnement (image de gauche : partitionnement de sites d'observations; image du centre : partitionnement de sites d'observations avec le site de prédiction; image de droite : superposition du polygone de prédiction sur le
partitionnement de sites d'observations) 66 Figure 37 : Modélisation du semi-variogramme 71 Figure 38 : Les différentes caractéristiques du semi-variogramme 71
Figure 39 : Modèles d'ajustement du Krigeage 72 Figure 40 : Semi-variogramme de la radiation mensuelle moyenne du mois de septembre. 74
Figure 41 : Interpolation de la radiation du mois de septembre 75 Figure 42 : Graphique des données originales vs les données prédites par l'interpolation de
la radiation mensuelle moyenne du mois de septembre 75 Figure 43 : Erreur d'interpolation sur la carte d'interpolation de la radiation de septembre.
77 Figure 44 : Interpolation de la fraction d'insolation du mois de septembre sans l'ajustement
de la topographie 78 Figure 45 : Points choisis pour forcer l'interpolation par krigeage 79
Figure 46 : Graphique servant à extrapolation du nombre d'heure d'ensoleillement pour les
points en haute altitude 80 Figure 47 : Graphique d'interpolation du nombre d'heures mensuelles pour les
topographies du mois de septembre 81 Figure 48 Interpolation de la fraction d'insolation incluant les données extrapolées pour le
relief 81 Figure 49 : Calendrier de probabilité de la ville de Lyon, France 84
Figure 50 : Loi normale standardisée 85 Figure 51 : Histogramme de distribution de la station Montréal-Dorval 88
Figure 52 : Calendrier de probabilités pour la station de Montréal-Dorval 90 Figure 53: Les cartes annuelles pour la fraction d'insolation (première), l'ensoleillement
(deuxième), pour la radiation moyenne quotidienne (troisième) et radiation moyenne
(quatrième) 94 Figure 54 Les cartes du mois de janvier pour la fraction d'insolation(haut),
l'ensoleillement(centre) et pour la radiation (bas) 96 Figure 55 : Les cartes pour le mois de février pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 98 Figure 56 : Les cartes pour le mois de mars pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 100 Figure 57 : Les cartes pour le mois d'avril pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 102 Figure 58 : Les cartes pour le mois de mai pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 104 Figure 59 : Les cartes pour le mois de juin pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 106 Figure 60 : Les cartes pour le mois de juillet pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 108 Figure 61 : Les cartes pour le mois d'août pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 110 Figure 62 : Les cartes pour le mois de septembre pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 114 Figure 64 : Les cartes pour le mois de novembre pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 116 Figure 65 : Les cartes pour le mois de décembre pour la fraction d'insolation (haut),
l'ensoleillement (centre) et pour la radiation (bas) 118 Figure 66 : Emplacement des stations marginales de novembre 1978 120
Figure 67 : Calendrier de probabilités pour Montréal-Dorval, Québec et Sherbrooke 122
Figure 68 : Validation du modèle d'Angstrôm 125 Figure 69 : Carte de la radiation annuelle 126 Figure 70 : La précipitation totale annuelle (en mm) 127
Figure 71 : moyenne des précipitations totales mensuelles pour le mois de novembre (en
mm) 128 Figure 72 : La période de transition de la période de la période hivernale vers la période
estivale 129 Figure 73 : La période de transition de la période estivale vers la période hivernale 131
Figure 74 : Pourcentage annuel moyen de l'insolation (carte du haut) et durée annuelle
moyenne de l'insolation durant la période 1954-1963 133 Figure 75 : Durée moyenne de l'insolation mensuelle d'août à décembre 135
Figure 76 : fraction d'insolation moyenne pour le mois d'août (carte du haut) et pour le
mois de décembre (carte du bas) 136 Figure 77 : Durée moyenne d'insolation (en heure) 137
Dans le domaine de la climatologie physique, la connaissance de l'apport énergétique est essentielle à la compréhension de la dynamique climatique globale. C'est dans cette optique qu'un développement de la climatologie de l'ensoleillement du Québec fut réalisé. Actuellement, les informations concernant la climatologie solaire du Québec ne sont pas très exhaustives. De plus, ce projet apporte une contribution originale en permettant une mise à jour de la méthodologie servant à calculer la radiation déduite.
Ce dernier paramètre permettra une meilleure compréhension à l'apport de l'énergie dans notre système climatique. Cette meilleure compréhension sera bénéfique pour une analyse plus approfondie de l'influence de la radiation dans le contexte des changements climatiques. Plusieurs solutions concernant des énergies vertes peuvent en découler, telles qu'une plus grande utilisation de l'énergie solaire active et passive.
De plus, les résultats permettront une évaluation plus précise du potentiel énergétique solaire en territoire québécois. Il s'agit de développer une méthodologie utilisant les données climatiques et d'ensoleillement pour évaluer la rentabilité de l'installation de panneaux photovoltaïques quel que soit l'endroit au Québec. En effet, le dimensionnement des équipements solaires se base sur une connaissance adéquate du potentiel solaire du lieu ou de la région d'installation. Les variables considérées ici sont l'ensoleillement (en nombre d'heures d'ensoleillement et en fraction d'ensoleillement) et la radiation solaire déduite (Wh/m2).
Dans les années 1970, différents ministères ont fourni plusieurs données à différents climatologues, ce qui a permis de faire une analyse de l'ensoleillement dans la région de
stations avec des données de 1900-1963 (Bolduc & Villeneuve, 1964). Dans ce premier travail, les valeurs d'insolation mensuelle sont représentées graphiquement ainsi que sur des cartes mensuelles. Une description mensuelle de l'insolation y est effectuée. Un autre travail important a été accompli par les membres du service de la météorologie d'Environnement Canada. Ce travail fut réalisé par Jacques Gariepy, Claude Calvet et Richard Leduc en 1981 (Gariépy, Calvet, & Leduc, 1981). Ce dernier réunit des données de
1968 à 1977 pour 70 stations. Dans ce travail, une réalisation de cartes mensuelles et annuelles du Québec méridional pour le nombre d'heures d'ensoleillement et la fraction d'insolation fut effectuée. Les méthodologies utilisées dans cette deuxième étude ont fortement influencé la méthodologie utilisée dans ce présent mémoire.
Un troisième travail important de l'ensoleillement fut réalisé par Gille Périard sous la direction du professeur André Hufty de l'Université Laval (Périard, 1983). Dans ce travail, une étude des données d'ensoleillement pour 82 stations principalement répartie dans le Québec méridional pour la période de 1968 à 1977 fut réalisée. Dans ce travail, les auteurs ont réalisé des cartes mensuelles et annuelles de la fraction d'insolation et du nombre moyen d'heures mensuelles d'ensoleillement de la province. De plus, une analyse multivariée de l'ensoleillement conclut ce dernier travail qui avait pour but de regrouper des zones d'insolation relative.
Finalement, plusieurs travaux d'Environnement Canada, dirigé par C.V. Wilson du Centre d'Études nordiques (Wilson, 1971, 1975, 1973), ont apporté des descriptions et des cartes de l'ensoleillement. Ces derniers travaux entrent dans la réalisation de différents atlas climatiques. Leur but était d'offrir une description détaillée climatologique des différentes
effort gouvernemental pour la compréhension du climat canadien.
Le programme de surveillance du climat du ministère du Développement Durable, de l'Environnement et des Parcs (MDDEP) a amassé des données horaires d'ensoleillement direct pour 168 stations réparties au Québec. Ces données ont été mesurées avec un héliographe Campbell-Stokes. Plusieurs de ces données ont été analysées dans le début des années 1980, mais aucune ne fut interpolée avec les techniques dont nous disposons aujourd'hui, par exemple la géostatistique. Ce n'est que dernièrement que le MDDEP a décidé de numériser toutes les données pour d'éventuelles analyses. La numérisation s'est terminée en juillet 2010. Ces données numérisées ont, par la suite, été mises à notre disposition pour d'abord les valider et par la suite les analyser. Cette numérisation donne la possibilité d'étudier des données climatiques sur une période plus longue que celles de toutes les autres études réalisées auparavant pour le Québec en ce qui concerne l'ensoleillement.
Dans une des régions du monde où la variabilité climatique est la plus forte (Desjarlais & Blondlot, 2010), la connaissance des différents paramètres de notre climatologie est essentielle. Avec les différentes recherches portant sur les changements climatiques, la compréhension des mouvements globaux est importante. C'est dans cet ordre d'idée que nous allons compléter la climatologie du Québec en examinant la structure spatiale de l'ensoleillement. Il existe actuellement quelques produits cartographiques à l'échelle du Canada qui ont été diffusés par le ministère des Ressources naturelles et de la Faune. Cependant, les résultats qui seront rendus accessibles pour le Québec dans le cadre de ce projet offriront une meilleure résolution que ceux déjà publiés et seront basés sur une
L'objectif principal de la recherche est de dresser un portrait général de l'ensoleillement au Québec avec les dernières données d'ensoleillement mises à notre disposition par le MDDEP. Les objectifs spécifiques de ce projet sont les suivants :
• Élaborer une méthodologie pour valider la banque de données fournie par le MDDEP;
• Établir les valeurs de la radiation déduite mensuelle au Québec;
• Cartographier la fraction d'insolation, les heures d'ensoleillement et la radiation déduite au Québec ainsi que les erreurs dues à l'interpolation;
• Identifier une ou des périodes d'anomalies d'ensoleillement pour le Québec;
• Réaliser des calendriers de probabilités de la fraction d'ensoleillement pour quelques stations.
méthodologie utilisée pour compléter la base de données utilisée pour la création des différents résultats de ce mémoire. Notamment, on présente aussi quelques particularités importantes de l'appareil de mesure utilisé, tel que l'effet masque, les modèles d'ensoleillement, les méthodes d'interpolation et la création de calendrier de probabilités. Dans la deuxième partie, on présente les différents résultats obtenus. On y retrouve des cartes de la radiation, de l'ensoleillement et de la fraction d'insolation. De plus, une recherche d'anomalies climatiques est effectuée dans ce segment du mémoire. Dans la troisième partie, les différents résultats sont soumis à une analyse critique. On analyse les différentes structures de l'ensoleillement, les résultats de la recherche d'anomalies ainsi que les résultats des calendriers de probabilité. En conclusion, une brève comparaison du potentiel solaire est effectuée avec la ville de Freiburg, considérée comme la capitale germanique de l'énergie solaire (Énergie-Cités, 2002).
1.1 Le rayonnement électromagnétique
Avant d'approfondir la climatologie de l'ensoleillement, il est bien important de saisir d'où nous provient l'énergie responsable de la dynamique du climat. Une notion fondamentale en physique du rayonnement est l'onde électromagnétique. Un rayonnement est caractérisé par des ondes électromagnétiques, ou éventuellement par des photons associés (Cotardière & Penot, 1997). On parle ici de l'existence d'un champ magnétique et d'un champ électrique variable. Une des propriétés de la matière est sa charge, par exemple l'électron a une charge négative. Lorsqu'une charge est au repos, elle produit et subit des effets électriques, lorsque cette même charge est en mouvement, celle-ci produit des effets magnétiques qui se combinent aux effets électriques, on parle donc d'électromagnétisme. Comme une vague dans l'océan, cette onde électromagnétique transporte une énergie dépendante de sa longueur d'onde (X). La longueur d'onde est la distance entre deux crêtes de la même onde. Pour une onde électromagnétique, la longueur d'onde est reliée à sa fréquence (v). X = c/v (1.1) où k = longueur d'onde [m] c = vitesse de la lumière (~300000km/s) v = fréquence [f1]
L'énergie de l'onde électromagnétique s'exprime comme suit :
h = constante de Planck ( 6,626068 96* 10'" J.s) c = vitesse de la lumière (^OOOOOkm/s)
>. = longueur d'onde [m]
L'énergie que transporte une onde électromagnétique se fait sans aucun support physique. Par convention, on identifie les différentes ondes électromagnétiques telles que montrées à la figure ci-dessous (Figure 1).
0.390 0.450 0.500 0.550 0.600 0.650 0.700 0.760
y.
Ondes de radiodiffusion o f " o f * I I I -Noyau atomique Longueur cfone 0.001 i l I I — . r -~> H l Il IHI Il Il 1 Monl-Everest Tête d'épingle"A /
Gc__t-del P XI
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1000 1000 *v» _ s • ^ f l ÉnergieFigure 1 : Spectre électromagnétisme (Barrette & Leduc, 2011).
Dans l'ordre (de gauche à droite), on retrouve les ondes les plus énergétiques (rayon gamma) vers les ondes les moins énergétiques (ondes radios). Dans le cas de la climatologie de l'ensoleillement, il existe plusieurs types de rayonnement; le rayonnement solaire direct, diffus ou réfléchi ; rayonnement de l'atmosphère; rayonnement de la surface terrestre (Leduc & Gervais, 1985).
Plusieurs mécanismes doivent être pris en considération afin de bien comprendre le fonctionnement de la machine climatique qui nous entoure. La complexité et les interactions de ces différents mécanismes rendent les prévisions climatiques très difficiles. Pour bien comprendre comment évolue le climat, nous devons de plus en plus en approfondir les différents paramètres. L'énergie nécessaire à cette machine climatique est vitale pour l'évolution du climat tel que l'on le connait. Cette énergie lui provient d'une étoile, plus précisément une naine jaune, située au centre de notre galaxie, composée majoritairement d'hydrogène et d'hélium; le Soleil. Son énergie lui est fournie par des réactions thermonucléaires, c'est-à-dire par la fusion de quatre noyaux d'hydrogène pour former un noyau d'hélium. Puisque la masse d'un noyau d'hélium est plus petite que la masse de quatre noyaux d'hydrogène, une infime partie de la masse sera transformée en énergie. La quantité d'énergie émise sera proportionnelle à sa masse (m) comme le démontre l'équation d'équivalence matière-énergie d'Albert Einstein : E=mc2 (Séguin &
Villeneuve, 2002) où c correspond à la vitesse de la lumière.
Le Soleil irradie environ 234,4x1026 joules par minute. Cette énergie émise sous
forme d'onde électromagnétique se propage sur des sphères galactiques aux rayons de plus en plus grands. En résultera une atténuation de l'énergie lumineuse au fur et à mesure que l'on s'éloigne du Soleil. Par unité de surface, cette énergie décroit comme l'inverse de la distance la séparant de sa source (Delmas et al., 2007). Après un voyage de seulement quelques minutes, une bonne partie de l'énergie surfacique émise par le Soleil sera atténuée par les 150 millions de kilomètres parcourus séparant le Soleil et la Terre. À la limite de notre atmosphère, cette énergie lumineuse, que l'on nomme la constante solaire, sera entre
solaire (cycle de 11 ans associé aux taches solaires) et d'une façon plus prononcée sur une échelle de temps géologique (20 000 à 400 000 ans) en fonction de changements dans les paramètres astronomiques (exemple : excentricité) . Cette énergie est calculée pour la surface de la Terre, c'est-à-dire l'énergie que la Terre recevrait si elle était un cercle de même diamètre. Donc, au départ l'énergie arrive sur seulement la moitié de la Terre. Bien évidemment, cette énergie se répartira sur toute la surface de la Terre. La redistribution de cette énergie se fera par la rotation de la Terre sur elle-même et de ses effets sur les mouvements océaniques et atmosphériques. Une fois répartie, l'énergie disponible en moyenne sur la surface du globe est égale au quart de la constante solaire, soit :
- . Constante solaire - , , . - , , . , /
1.3 La géométrie Soleil-Terre
1.3.1 Le système héliocentrique
Le Soleil change de position dans le ciel jour après jour. Il est d'ailleurs plus haut dans le ciel en été qu'en hiver. Le mouvement relatif du Soleil n'est pas une dynamique simple. Par contre, la mécanique classique nous aide à prévoir avec une certaine aisance son mouvement général. Avant d'entreprendre les différentes caractéristiques du voyage du rayonnement dans notre atmosphère, un éclaircissement des différentes dynamiques du système Terre-Soleil est nécessaire.
Equinoxe d'automne M 22 ou 23 septembre Cercle polaire - ^ ^ P ' ^ ^ V Solstice d'hiver 21 ou 22 décembre
T
^
21 ou 22 juin ► 147 mimons de km . "> | 152 misons <* h * -< Sens de la révolution ^ B ^ P d ^> Sens de la rotation ^ H ^ V *•• Plan de lecliptique ^ r + ^ ^ ^ ^ ^ ^ Equmoxe du pr* s 21 ou 22 marsAttention : La forme elliptique de l'orbite terrestre a été volontairement exagérée
Figure 2 : Orbite de la Terre (Barrette & Leduc, 2011 ).
D'abord, l'orbite sur laquelle tourne la Terre est une ellipse de faible excentricité (e=0.01673), dont le Soleil se retrouve sur Tun des foyers. Ce qui fait que la distance entre la Terre et le Soleil varie de 1,7% au cours de Tannée. Elle est plus faible en hiver et plus grande en été. Une des particularités du système Terre-Soleil est l'angle entre Taxe de rotation de la Terre et Taxe de révolution de la Terre, appelé angle de déclinaison et il varie
tout au long de l'année (figure 3). La déclinaison a des conséquences sur la trajectoire apparente du Soleil.
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Figure 3 : Déclinaison du Soleil (Barrette & Leduc, 2011).
Comme le montre la figure 3, la déclinaison est à son maximum et son minimum, respectivement au solstice d'été 21 juin et au solstice d'hiver le 21 décembre. Ce qui signifie qu'au solstice d'été la trajectoire du Soleil est à son plus haut dans le ciel, la journée est donc la plus longue de l'année. À l'inverse, au solstice d'hiver, la trajectoire du Soleil est à son plus bas, tandis que dans le ciel des equinoxes, c'est-à-dire le 22 septembre et le 21 mars la déclinaison est de 0°, donc la durée du jour est la même partout à la surface de la Terre.
L'angle de déclinaison (5) peut être calculé approximativement par (Lang, 1980):
ô = 23.45 sin [^* (284 + _V)] (1.3) ou
N = jour julien
La déclinaison peut aussi être donnée en radian (approximation de Spencer) (Kalogirou, 2009): (1.4) S = 0.006918 - 0.399912 cos(r) + 0.070257 sin(H -0.006758cos(2r) +0.000907 sin(2r) -0.002697 cos(3H + 0.00148 sin(3r) où r=angle du jour : 2 Ï T ( _ V - 1 )
r = — - — - (i.5)
365Une autre conséquence de la déclinaison du Soleil est l'angle d'incidence du flux énergétique solaire reçu à la surface de la Terre.
Soleil en hiver au midi solaire
%
Soleil en été au midi solaire
Figure 4 : Effet de l'angle d'incidence sur la répartition énergétique (Barrette & Leduc, 2011).
Comme le montre la figure 4, pour une même quantité d'énergie, la répartition sera différente selon l'angle d'incidence des rayons solaires. Ainsi donc, une quantité d'énergie moindre sera disponible, par m2, en hiver qu'en été. Ce phénomène combiné à la variation
Terre. Pour l'hémisphère nord, le jour devient plus long au fur et à mesure que le Soleil se lève plus tôt et se couche plus tard, respectivement du solstice d'hiver jusqu'au solstice d'été tel que montré sur la figure 5.
June 21 September 21/Marcn 21 December 21
Figure 5 : Changement annuel de la position de Soleil dans le ciel (hémisphère nord) (Kalogirou, 2009).
1.3.2 Durée du jour
On doit être en mesure de pouvoir bien calculer différents paramètres reliés aux différentes variables énoncées précédemment. L'un de ces paramètres est la durée du jour. Afin de ne pas faire d'erreur concernant le calcul de la durée du jour, une précision terminologique doit être faite. On définit le temps solaire vrai selon le midi solaire vrai, c'est-à-dire l'instant où l'on retrouve le Soleil à son plus haut point dans le ciel (le zénith).
Sachant que la Terre fait une rotation complète en 24h, nous pouvons donc calculer les heures en degré; la Terre fait une rotation de 360° en 24 heures, donc 15° équivaut à une heure. Nous devons calculer l'angle, depuis la position du Soleil à son lever jusqu'à son coucher (ici l'angle de 2H) (figure 6).
H Durte a una drnvfjumea en angto
2«H DurM d u n . (CKXr^. • " _ng*«
O Canif du w o n — H ■»—_l du t
Figure 6 : Représentation de la durée d'une journée sous la forme d'un angle (2H) (Barrette & Leduc, 2011).
La valeur de H peut être trouvée avec l'expression de l'angle d'élévation solaire suivante (Kalogirou, 2009):
sin a = sin L sin 5 + cos L cos ô* cos h (1.6) où
a = angle d'élévation solaire (°). ô = déclinaison (°).
L= latitude (°). h = angle horaire.
L'angle horaire d'un objet est la différence entre l'ascension droite de l'objet et l'heure sidérale (c'est-à-dire l'ascension droite des étoiles situées au-dessus du méridien, le même où se trouvait le midi solaire vrai, de l'observateur). Puisque a=o au lever et au coucher du Soleil, l'équation 1.6 devient :
Puisque l'on sait qu'une heure équivaut à 15°, on se retrouve alors avec :
H
coucher du soleil= - H
lever du so l e i l= — cos
1[-tanLtan5] (1.8)
La durée du jour est le double du temps écoulé entre le midi solaire vrai et le coucher du Soleil; ainsi en multipliant par 2 l'équation 1.8, on aura la durée du jour. Les équations 1.6 et 1.8 montrent très clairement que l'élévation solaire et la durée du jour sont directement dépendantes de la latitude et de la déclinaison. La figure 7 donne un exemple de la hauteur du Soleil à son maximum ainsi que de la durée du jour pour différentes latitudes.Hauteur du soleil au midi solaire
21/06 21/09 21/12 20/03
Durée du jour
Printemps Été Automne Hiver
1
A
/ \/ -
—
A
\
—
7
\ /V
! 20/03 21/06 2109 21/12 20/03 FOIe Nord Tropique du Cancer —— Cercle Polaire Arctique — EquateurFigure 7 : Hauteur du Soleil à midi (haut) et durée de la journée (bas) dans l'hémisphère nord (Barrette & Leduc, 2011).
1.4 Voyage de l'énergie dans l'atmosphère
À partir du sommet de l'atmosphère, le parcours de l'énergie sera différent de celui réalisé dans le vide interstellaire. En fait, le rayonnement provenant du Soleil sera maintenant exposé à différents phénomènes comme la diffusion, la réflexion et l'absorption. Lorsqu'on parle d'énergie, on peut aussi parler de photon; pour les besoins de simplicité, comparons simplement le photon à une petite particule d'énergie. Cette particule possède sa propre énergie comme l'indique l'équation 1.2.
Pour ce travail, l'importance de cette dernière équation est que l'énergie est dépendante de la longueur d'onde. Pendant la traversée du rayonnement dans notre atmosphère, son intensité est modifiée selon son parcours.
1000 -UV Visible Infrarouge I l I l 1 C___ZX__) 1000 -Ca__) 100-0_
1
KTTI V
Wk kj» C B100-1
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1
I l I f T »
0 1 0.2 0.3 0.4 0.6 0.8 1 1.5 2 3 4 5 6 8 10 20 30 Longueurs d'ondes (micrometres)Fenêtre atmosphérique pour le rayonnement infrarouge
Figure 8 : Spectre d'absorption du rayonnement solaire de l'atmosphère (Barrette & Leduc, 2011).
L'absorption, comme le montre la figure 8, se fait de différentes façons selon les longueurs d'onde et les composantes de l'atmosphère. On y voit que l'atmosphère est particulièrement opaque pour les rayons ultra-violets, principalement absorbés par le dioxygène(Û2) et l'ozone (O3). L'atmosphère, pour sa part, est relativement transparente au
infrarouges (À=0,7-4pm) de grande longueur d'onde. Ces dernières longueurs d'onde seront fortement absorbées par certains gaz atmosphériques (GES), principalement par de la vapeur d'eau et le dioxyde de carbone, mais aussi par le méthane, l'ozone et le protoxyde d'azote. On appelle ce dernier phénomène le filtre atmosphérique (Delmas et ai,2007). On voit aussi, sur la figure 8, une section de l'infrarouge qui est moins absorbé par l'atmosphère. On appelle cette section, la fenêtre atmosphérique. L'absorption est due à la similitude entre la longueur d'onde et la distance séparant les composantes à l'intérieur d'un même élément. Par exemple, pour une particule d'eau (H20), on parle de la distance
séparant les éléments de l'hydrogène et de l'oxygène.
Une autre possibilité de modification du rayonnement solaire est la diffusion de l'énergie solaire dans les nuages présents dans l'atmosphère (Hufty, 2001) et la réflexion. La quantité d'énergie totale qui entre dans le système Terre-atmosphère est d'environ 342 W/m . De cette énergie, environ 31% du rayonnement est réfléchi vers l'espace, 23% est absorbé par l'atmosphère, 6% est réfléchi par la surface et donc seulement 46% du rayonnement sera absorbé par la surface (figure 9).
En d'autres termes, 52% de l'énergie arrive au niveau du sol (avant que le sol n'en reflète une partie), soit 178 W/m'. Cette valeur, évidemment diffère selon où l'on se trouve à la surface de la Terre et le jour de l'année. Cette énergie se divise en deux types de rayonnement, dont la somme est le rayonnement global : le rayonnement direct et le rayonnement diffus ou indirect. Le rayonnement direct est celui qui reste prédominant par ciel clair. En moyenne, le rayonnement direct représente 85% et le rayonnement diffus représente 15% du rayonnement global lors d'une belle journée sans couvert nuageux. Aux latitudes moyennes, le pourcentage moyen de la valeur obtenue, par temps clair, au niveau du sol est d'environ 75% de sa valeur au sommet de l'atmosphère (Hufty, 2001). Cette dernière dépend du coefficient global de transparence au niveau local qui dépend des pertes par absorption, diffusion et réflexion qui augmentent avec l'épaisseur et la pollution de l'atmosphère (Hufty, 2001). Le rayonnement diffus ou indirect est le rayonnement ayant subi de plus fortes modifications, c'est-à-dire qu'il y a eu diffusion dans de multiples directions, donc de moindres intensités. Pour les diffusions, on retrouve deux cas; la diffusion de Rayleigh et la diffusion de Mie. Elles sont, respectivement, responsables de la couleur bleue du ciel et de la couleur blanche des nuages.
Pour que la température demeure plus ou moins constante et qu'elle n'augmente pas indéfiniment, nous pouvons affirmer que la Terre émet aussi de l'énergie, cette énergie est un rayonnement infrarouge à plus basse température. Puisque la Terre agit comme un corps noir, elle émet donc une certaine quantité d'énergie, une énergie proportionnelle à sa température comme le démontre la loi de Stefan-Boltzmann (G.Bruhat, 1968):
l = soT* (1.9) ou I = Émission en W/m' 8 = émissivité o = constante de Stefan-Boltzmann (5,67.10~8W/(m2.K4)) T = température absolue en K
À partir de la surface, le rayonnement a un comportement similaire au rayonnement qui arrive à la limite de l'atmosphère et qui va vers la surface, mais dans le sens contraire. Les flèches rouges (figure 9), nous renseignent sur le chemin général du rayonnement infrarouge. À sa température d'équilibre, la Terre émet un rayonnement d'une intensité de
■y -\
392 W/m . Une partie, soit 32 W/m , traversera directement l'atmosphère, le rayonnement ainsi perdu fait partie des longueurs d'onde de la fenêtre atmosphérique. Le reste du rayonnement sera complètement absorbé par l'atmosphère : 50% par la vapeur d'eau présente dans l'atmosphère, 25% par le dioxyde de carbone. L'absorption est presque complète lorsqu'il y a présence de nuage, c'est-à-dire que dans ce dernier cas 100% du rayonnement émis par la Terre est absorbé par les nuages.
") ")
De l'atmosphère, 207 W/m se redirigent vers l'espace et 340 W/m vers la surface. Entre la surface et l'atmosphère, il y a une perte de chaleur sensible de 24 W/m2 et une
énergie due à l'évaporation de l'eau (chaleur latente) de 82 W/m'. Finalement si nous faisons le bilan de l'énergie du système Terre-atmosphère, nous avons un excédant d'énergie d'environ 153 W/m2. C'est grâce à cette énergie que la température moyenne de
la Terre est 33°C plus élevés que sa température d'équilibre en absence d'atmosphère. On nomme ce phénomène: effet de serre naturel. Pour être plus précis, l'excédant de 153 W/m2 n'est qu'une moyenne sur toutes les latitudes. En réalité au niveau de l'équateur, il y
a un excédant d'énergie et plus on monte vers les latitudes polaires plus ce dernier devient un déficit d'énergie. Il existe donc un transport d'énergie des latitudes équatoriales jusqu'aux latitudes nordiques tel que le montre la figure 10.
400
Rayonnement perdu par la surface terrestre Rayonnement reçu à la surface terrestre
- i — | — i — | — i — | — i — | — i — | — i — | — i — | — i — | — r
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Latitude pour l'émispbère Nord (degrés)
Figure 10 : Bilan du rayonnement solaire et infrarouge perdu et reçu par la surface terrestre dans l'hémisphère nord (Barrette & Leduc, 2011).
L'énergie une fois arrivée dans notre atmosphère se répartit selon plusieurs mécanismes sur les différentes latitudes. La répartition se fait en majeure partie avec les mouvements océaniques et atmosphériques.
1.5 La définition et la mesure de l'insolation
Dans une climatologie de l'ensoleillement, il est essentiel de bien comprendre les différents paramètres essentiels à la mesure de l'insolation. L'appareil utilisé, pour cette étude, ne nous permet que de connaître la fraction horaire d'ensoleillement. C'est à partir de cette mesure que d'autres importants paramètres seront déduits : le nombre d'heures d'ensoleillement quotidien, la fraction d'insolation et la radiation déduite
1.5.1 La définition du rapport d'insolation
De façon générale, la fraction de l'insolation se définit par le rapport entre la durée de l'ensoleillement mesurée par l'héliographe et la durée d'ensoleillement théorique calculée à l'endroit où la prise de mesure fut réalisée.
1.5.2 Le nombre d'heures d'ensoleillement quotidien
Le nombre d'heures d'ensoleillement quotidien est obtenu directement avec les mesures prises par l'héliographe. Une sommation des fractions horaires de la journée est réalisée. Ce cumul représente la durée d'ensoleillement mesurée par l'appareil.
1.5.3 La radiation déduite
Dans ce travail, la radiation déduite sera calculée avec le modèle d'Angstrôm. Ce dernier se calcule avec la fraction d'insolation mensuelle et donne pour résultat une valeur moyenne mensuelle en Wh/m2 cumulée pour une journée.
1.6 Les héliographes
Les explications précédentes permettent de bien comprendre qu'il existe deux types de rayonnement reçu par la surface terrestre : le rayonnement direct et le rayonnement diffus. Il existe plusieurs appareils pour mesurer les différents rayonnements. Pour le rayonnement global (somme du rayonnement direct et du rayonnement diffus), il existe des cellules photo-électriques sensibles à l'intensité énergétique (en W/m2). Par contre, la
technologie de ces appareils n'est que très récente et par le fait même accessible, économiquement et technologiquement parlant, que depuis peu de temps. Pour la mesure de la durée de l'insolation, il existe plusieurs types d'appareil. Ces appareils mesurent principalement les totaux horaires ou journaliers de la durée d'insolation avec une précision correspondant au dixième de l'heure (OMM, 1973). Il existe principalement quatre types d'appareils pour les mesures d'insolation. Premièrement, l'héliographe Marvin dans lequel le rayonnement ferme un circuit électrique qui commande un mécanisme inscripteur. Deuxièmement, l'héliographe Jordan dans lequel un papier photographique sert à prendre les mesures. Troisièmement, l'héliographe de Foster est un instrument différentiel qui enregistre la durée d'insolation à l'aide de deux cellules photo-électriques (OMM, 1973). Finalement, l'héliographe Campbell-Stokes est l'un des instruments les plus utilisés dans le domaine de la climatologie de l'ensoleillement.
1.6 .1 L'héliographe de Campbell-Stokes
Pour l'ensoleillement direct, la science de l'optique géométrique offre une opportunité de mesure ne nécessitant que des matériaux primitifs. L'héliographe de Campbell-Stokes en est un bon exemple (figure 11).
HEUOGRAPHE C AMP BELL STOKES
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v i t D E SUPPORT
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SUPPORT DE SPHÈRE © —
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PORTE-CARTES™ T ^ X ^ B W b ' m i ^ 0 ?; ^ f \ \ ± ^VISDESm"POHT INFERIEURE
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-^__r*£t0a* 1 I . T B . / _ g l _ _ — ^ MANCHON TARAUDE
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BASE E N M È T A L ™ A __Ë MANCHON TARAUDÉ SOCLE EN FONTE FENTE DE REGLAGE DANS LA BASE E N M È T A L ™ A __Ë MANCHON TARAUDÉ
SOCLE EN FONTE FENTE DE REGLAGE DANS LA BASE
Figure 11 : L'héliographe Campbell-Stokes (Service de l'environnement atmosphérique, 1974)
Ce dernier est composé d'une sphère de verre (figure 11, #2) de 10,16 cm de diamètre et de distance focale de 7,5 cm, centré à l'intérieur d'une section de cuvette sphérique (figure 11, #3) de tel façon que la sphère y concentre les rayons solaires sur une bande de papier « cartonnée » retenue par des rainures à l'intérieur de la cuvette. La cuvette comprend trois paires de rainures permettant de glisser des bandes de carton dont le décalage est approprié aux différentes périodes de l'année. Les rayons concentrés sur le
carton brûlent ce dernier si le rayonnement est approximativement supérieur à 120 W/m", ce qui représente suffisamment d'énergie pour voir son ombre (Gariépy, Calvet, & Leduc, 1981). Sur la figure 12 apparaissent les différents types de cartons utilisés sur l'héliographe Campbell-Stokes.
Figure 12 : Cartons de prises d'ensoleillement direct. (Matte, 2011)
Puisque l'élévation est différente au cours de l'année, la disposition des cartons dans la cuvette doit s'ajuster en conséquence. Par exemple, durant l'hiver (du 5 octobre au 26 février), dans l'hémisphère nord, l'élévation est au plus bas, on doit mettre le carton #1 dans la paire de rainures la plus haute dans la cuvette. Aux saisons d'équinoxe (du 1er mars
au 11 avril ainsi que du 3 septembre au 14 octobre), on met les cartons #3 sur la paire de rainures au milieu de la cuvette. Finalement pour la dernière période, saison estivale (du 12 avril au 2 septembre), le carton #2 doit être mis sur la paire de rainures les plus basses, puisque le Soleil est à son plus haut durant cette période (figure 13).
Plusieurs modèles de l'héliographe Campbell-Stokes ont été construits. Dans le réseau météorologique québécois, trois ont été utilisés : le modèle Casella-London, le modèle Lambrecht et le modèle Negretti-Zambra. Ils possèdent tous les mêmes
caractéristiques à l'exception de quelques détails de fabrication qui peuvent causer des erreurs si on n'en tient pas compte.
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1.6.2 Choix du site d'installation:
Afin d'avoir une utilisation optimale de l'appareil Campbell-Stokes, l'OMM recommande que ce dernier soit solidement installé dans un endroit dégagé et placé à l'horizontale. Le site pour l'héliographe doit être choisi avec grand soin afin que l'exposition de l'instrument donne une représentation adéquate des données sur l'insolation locale. Le site doit fournir une vue ininterrompue du Soleil durant toute l'année, lorsque ce dernier se retrouve au-dessus de l'angle minimal pour enregistrer une donnée, soit 3°.
1.6.3 Installation de l'héliographe
L'héliographe doit être installé au niveau, dans les sens est-ouest et nord-sud sur son site d'installation. Du site d'installation, une vue ininterrompue du soleil, du lever au coucher du soleil, doit être possible à tout moment de l'année. Ce dernier devra donc être orienté plein sud avec l'aide d'une boussole pour commencer et par la suite son orientation sera raffinée au moment exact du midi solaire vrai. Donc lors d'une journée, lorsqu'à l'heure du midi solaire vrai, le ciel est totalement dégagé, le focus des rayons du Soleil de la sphère de verre doit atteindre le centre exact de la cuvette. L'orientation de la cuvette doit être faite selon la latitude (figure 11, #5). Le support en arc de cercle doit être réglé de façon à ce que la ligne centrale de la bande cartonnée d'équinoxe soit parallèle à l'équateur céleste (OMM, 1973). Lorsque les marques brûlées sur le carton sont alignées parallèlement avec les croix du centre, on est assuré d'avoir bien ajusté l'appareil. De plus, le plan vertical passant par le centre exact de la sphère de verre et la marque du midi Soleil doit être dans le méridien géographique. Une quelconque erreur de réglage peut faire perdre une quantité non négligeable d'information selon la période de l'année.
1.6.4 Entretien de l'appareil Campbell-Stokes
Une fois l'ajustement terminé, un observateur doit opérer quotidiennement l'appareil. Toujours à la même heure, l'observateur doit changer le carton sur l'héliographe. Lors de cette opération, ce dernier doit s'assurer de changer et de mettre le bon carton selon la saison. Le carton doit être changé chaque jour, et cela, même s'il n'a pas été brûlé. À chaque changement, l'observateur doit inscrire à l'endos du carton le nom
de la station, le numéro de la station, la date, le jour et l'heure de l'installation du carton ainsi que lorsqu'on le retire. À l'aide d'une règle ajustée au carton (figure 14), on détermine la longueur de la trace pour chaque heure, les valeurs sont alors reportées sur un formulaire puis saisies dans une base de données (Service de l'environnement atmosphérique, 1974).
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STOCK N* O O M - I M ? 1Figure 14 : Règle de mesure des heures d'ensoleillement (Matte, 2011).
Les sources d'erreurs depuis l'installation jusqu'à la création de la banque de données sont les suivantes : l'ajustement de l'appareil, le manque de rigueur de l'observateur (exemple : mauvais carton), la prise de mesure des cartons, l'endommagement des cartons et la numérisation des données. Dans le traitement de la banque de données, ces différentes erreurs doivent être corrigées. Lors de temps froid, l'OMM recommande de s'assurer, durant l'entretien quotidien, que ni la neige, ni la glace ou le givre ne recouvrent la sphère de verre (OMM, 1973).
1.6.5 L'effet masque
Le choix du site d'installation n'est pas toujours optimal. Il arrive que l'héliographe soit installé dans une région montagneuse ou à proximité d'obstacles végétaux ou d'infrastructures. Nous devons alors connaître l'effet de ces obstacles sur les mesures prises par l'appareil; cet effet se nomme l'effet masque. Un exemple d'effet masque est présenté à la figure 15. Il est facile de se rendre compte que l'héliographe ne perçoit pas le lever du Soleil à la même heure que si l'horizon est sans relief. L'angle 2H, de la figure 6, sera alors plus petit. De toute évidence, la durée de l'intervalle sera plus courte que la durée réelle, ce qui n'est pas représentatif de la région. On constate aussi (figurel5) que le Soleil se déplace sur l'horizon, ce qui a pour effet de rendre l'élévation minimale du lever du Soleil dépendante du relief.
Figure 15 : Emplacement du Soleil selon la période de l'année (Houpert, 2002).
L'effet masque doit donc être corrigé pour chaque station le nécessitant. Il suffit de mesurer l'angle perdu par le relief à chaque moment dans l'année et de l'ajouter aux
2 Méthodologie
2.1 Les données
La climatologie de l'ensoleillement effectuée dans cette étude est possible grâce aux données d'ensoleillement fournies par le MDDEP. Un réseau de stations météorologiques est opéré par ce ministère afin d'acquérir une meilleure connaissance de la climatologie dans la province de Québec. Depuis des dizaines d'années, ce réseau a permis d'accumuler une série de données, dont des données d'ensoleillement direct mesuré par des héliographes de type Campbell-Stokes. Ces dernières proviennent de 168 stations appartenant aux mêmes réseaux (figure 16); la période disponible va de 1953 à 2004.
Province de Québec Repartition des stations météorologiques
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Les données sont directement mesurées par des cartons d'enregistrements, un par jour, placé directement sur les héliographes. Les cartons de mesure sont gradués de façon horaire, ils donnent donc la mesure de la durée d'ensoleillement horaire. Chacun des cartons a été numérisé et transféré sous le format TXT (fichier texte) (figure 17).
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Figure 17 : Échantillon de la banque de données originale fournie par le MDDEP.
Les données initiales dont nous disposons étaient réparties sur quatre fichiers TXT comprenant 22 725 720 données horaires d'ensoleillement tel que montré à la figure
17. Les fichiers comprenaient quatre périodes: 1953-1969, 1970-1984, 1985-1996 et finalement de 1997 à 2004. Pour chaque enregistrement, il y a le numéro de la station (7 caractères), la date (an, mois, jour) et les 24 fractions horaires d'ensoleillement (0= Oh d'ensoleillement, 1= lh d'ensoleillement) de lh à 24h. Par exemple, dans la première ligne de la figure 17, il y a le numéro de la station, la date de la fraction d'ensoleillement entre minuit et 1 heure du matin (il est indiqué 0 pour la nuit) jusqu'à la fraction de 23h à 24h. Afin d'effectuer le transfert de données vers le logiciel d'analyse statistique SAS (Statistical Analysis Software), une attention particulière a été donnée aux observations manquantes dans la banque de données originale. Dans l'exemple de la figure 17, on retrouve des heures manquantes pour le 2 juillet et du 4 au 12 juillet, inclusivement. Les valeurs manquantes n'ont pas été remplacées par un symbole qui aurait pour but de signaler
une donnée manquante (-999, par exemple), mais par des espaces vides et ceci peut porter à confusion lors de la lecture des données. En effet, des espaces vides (en caractères vides) sont lus comme des valeurs nulles par certains logiciels. Dans notre cas, les espaces vides sont des caractères de tabulation. Un effort particulier a donc été porté à cette difficulté préalablement au transfert de données vers SAS. Une fois le transfert effectué, des mesures de vérification ont été mises sur pied afin de s'assurer d'avoir effectué un transfert sans changer l'intégrité de la banque de données. Les quatre fichiers ont d'abord été classés selon un ordre chronologique. Par la suite, une fusion des quatre fichiers a été faite. Afin de s'assurer d'avoir gardé l'intégrité de la banque de données, plusieurs tests ont été effectués. Premièrement, une vérification de plusieurs points choisis au hasard a été réalisée. Deuxièmement, une vérification temporelle a été effectuée pour quelques stations. Ensuite, une vérification des données limitrophes des fichiers originaux a été effectuée sur la banque de données fusionnées. Il a donc été possible de cette façon de s'assurer que les fichiers avaient bien été fusionnés, puisqu'après la dernière ligne du fichier original 1953-1969, on devait trouver dans la banque fusionnée, la première ligne du fichier original 1970-1984.
Avant un quelconque traitement de données, un survol a permis de soulever deux particularités importantes de la banque de données. Les mesures d'ensoleillement n'ont pas toutes été prises dans un même registre de temps et les séries chronologiques ne sont pas toujours consécutives. C'est-à-dire qu'elles n'ont pas toutes commencé en 1953 et que toutes n'ont pas des données jusqu'en 2004 et que dans leur propre série, il existe des périodes sans observation pour une même station.
En conséquent, parmi les 53 années et les 168 stations, les séries chronologiques sont très différentes d'une station à l'autre. Un examen de la figure 18 et de la figure 19 permet d'illustrer les deux particularités.
Figure 18 : Chronologie mensuelle de la station Eastmain.
Figure 19 : Chronologie mensuelle de la station de Montréal-Dorval.
On y voit que selon la station, les mesures ont eu lieu à des périodes différentes. Par exemple, pour la station de Montréal-Dorval, la période de prise de mesure est de 1976 à
1996, tandis que pour la station d'Eastmain, la période est plutôt de 1963 à 1993. Ces derniers graphiques représentent les données mensuelles. Un travail d'analyse a donc été nécessaire pour sommer les données horaires en données mensuelles. Ces graphiques permettent aussi de faire une distinction entre différents types de données. On y voit des valeurs approuvées (points noirs), c'est-à-dire des mesures prises qui respectent le critère de 75 %, donc qu'il y a au moins 75 % des données mesurées dans le mois en question. On y voit également des valeurs rejetées (points rouges) qui ne respectent pas le critère de 75 %, c'est-à-dire qu'il manque plus de 25 % des données dans le mois. Ces valeurs
rejetées peuvent être dues à un bris de l'appareil ou au manque de rigueur dans la pose du carton. Finalement, il y a aussi les valeurs absentes, ces dernières n'ont tout simplement pas été prises durant une période déterminée. Les données absentes peuvent être dues à une fermeture temporaire ou finale de la station.
Il est important de faire la distinction entre les données rejetées et les données absentes. Ces dernières se distinguent par une absence prolongée de mesure. Si l'on observe l'année 1976 de la station Eastmain, il semble n'avoir aucune valeur présente. La différence alors entre une valeur absente et rejetée est que, dans ce cas, 1976 ne représente pas une année sans valeur, mais plutôt une année où aucun mois ne respecte le critère de 75 % (sauf pour le mois de novembre où il n'y a aucune valeur). Cette dernière distinction est très importante lorsque vient le temps d'imputer les données manquantes, ou simplement d'interpoler les différentes données. Étant donné la nature des données rejetées, presque toutes les stations possèdent des valeurs rejetées. Il a donc fallu faire la distinction entre les différents styles de valeurs approuvées dans la banque de données, et ainsi faire un choix optimal et représentatif de stations respectant certains critères.
2.1.1 Les critères pour la sélection des stations
Afin de respecter au minimum les recommandations de l'Organisation Mondiale de Météorologie, une sélection de critères ont permis de construire une banque de données optimale. Le critère le plus important fut, tel que mentionné plus haut, celui du 75 %, c'est-à-dire que pour prendre en considération une donnée, que ce soit au niveau quotidien ou mensuel, cette dernière doit comprendre au moins 75 % des valeurs de la base temporelle respective. Par exemple, dans le cas du mois de février, s'il manque 8 jours, alors nous ne considérons pas le mois, il devient donc un mois rejeté.
Puisque la période de mesure est différente pour toutes les stations, il a fallu choisir une période représentative temporellement et spatialement dans la banque de données.
Figure 20 : Inventaire global du nombre de mois approuvé vs le nombre de mois rejeté par année.
La figure 20 fait un inventaire complet de la banque de données, c'est-à-dire le nombre de mois qui respectent le critère de 75 % et ceux qui ne le respectent pas. Dans la banque de données, il a donc fallu choisir une période optimale d'analyse. Pour ce faire, le choix s'est basé sur l'optimisation des stations choisies et des données disponibles. Nous avons choisi une période où le nombre de mois-station est optimal dans la banque de données (encadré rouge de la figure 20). La période pour la création de la banque de données utilisée est de 1968 à 1993 inclusivement. On passe donc de 168 stations à 157 stations. Cette période comprend un maximum de données pour la banque de données complète.
Puisque les stations n'ont pas toutes la même période de mesure durant cette période, il y a fallu aussi choisir un critère à l'intérieur même de la sélection. Ce dernier
' Le terme mois-station signifie le nombre de mois de toutes les stations disponibles. Par exemple, si Eastmain possède 12 mois en 1966 alors on a 12 mois pour cette station. Afin d'en faire un inventaire, ces derniers seront donc comptabilisés avec les autres mois des autres stations.
critère est un nombre d'années minimal, non consécutif, à l'intérieur de la période de 1968 à 1993. À défaut de suivre les recommandations de l'OMM, il a fallu ici être un peu plus conciliant. Selon l'OMM une banque de données, pour être représentative, doit pouvoir comprendre une période consécutive de 30 ans (OMM, 1990). Comme nous pouvons le constater dans les figures 18 et 19, une telle exigence ne permettrait pas une étude de l'ensoleillement avec les données fournies par le MDDEP. À défaut de ne pas remplir une telle exigence, un autre critère fut choisi. Celui d'avoir au moins dix années de données dans la période de 1968 à 1993, ainsi 92 stations des 157 stations de départ remplissent cette dernière condition.
Un ultime critère fut appliqué à la banque de données. Une fois le critère de 75 % et celui d'avoir au moins 10 ans de données, une vérification mensuelle fut réalisée. Un inventaire des mois manquants par station a été réalisé afin de s'assurer que dans la série respective mensuelle des stations le critère de 75 % soit aussi respecté. Par exemple, si une station possède 20 ans de données, elle a donc 20 mois de janvier et si plus de 5 mois de janvier sont considérés comme manquants alors le mois de janvier de cette station est éliminé. Une seule station n'a pas rempli ce dernier critère, la station Eastmain, qui n'avait aucun mois avec suffisamment de données pour respecter le critère du 75 % de l'inventaire mensuel (figure 21 ).
MOIS N o m b r e d e mois N o m b r e de mois manquant Fraction d e mois manquant
1 15 8 0.35 2 IA 9 0.39 3 IA 9 0.39 4 10 10 0.50 5 4 10 0.71 6 12 11 0.A6 7 16 7 0.30 8 14 8 0.36 9 15 9 0.38 10 13 9 0.41 ______ 13 3 0.41
Cette dernière station a donc été rejetée de la banque de données. Un total de 91 stations fut retenu pour notre étude.
Comparativement à l'étude de 1981 qui ne représentait que 70 stations avec 9 années de données, cette étude comprend 26 ans de données à 91 (voir 2.1.2) stations qui ont au minimum 10 ans de données à l'intérieur de cette même période. La répartition de ces données se retrouve majoritairement dans le sud du Québec.
2.1.2 Les métadonnées
Pour une utilisation adéquate de la banque de données, des informations concernant les stations sont aussi nécessaires. Le MDDEP a fourni un fichier Excel avec les informations suivantes : le nom de la station, la latitude, la longitude, l'altitude et le nom de la municipalité. Ces dernières informations ont permis de localiser exactement les différentes stations dans la province de Québec. En plus de ces informations, le MDDEP a aussi fourni des photos de différents points de vue d'une grande majorité de stations, les plans d'emplacement, les détails concernant les déménagements, aménagement, réparation, etc.
2.2 Completion de la base de données
Une fois que l'on a choisi les stations sur la base des critères discutés ci-haut, une completion de la banque de données fut réalisée avec toutes les informations nécessaires à une climatologie de l'ensoleillement. On a ainsi calculé, à partir des informations des stations, la déclinaison quotidienne, le jour julien, l'heure du lever et du coucher du Soleil,
