Variations de la temperature diurne à l'observatoire McGill.

J. GODIN, M.Sc. Meteorology

ABSTRACT

Two maln factors determlne the temperature fluctuatlons: the short-wave radlatlon and the advectlon of alr masses. The solnr radlatlon of sunny days laads to the dlurnal cycle subjected to dally and annual temperature varlatlons. Very hlgh frequency fluctuatlons add to these varlatlons of hlgh and low frequencles. Advectlon causes randorn changes of tempernture.

The dal1y temperature range le the dlfference between the maxlmum and mln1mum temperature of the day le also a functlon of these phenomena varylns throughout the year. It ls posslble by a seœl-emp1rlcal approach to measure the effect of each of

these parameters on the temperature ran~e observed on a g1ven month. The lnsolat10n ls a cycllcal component prlmar1ly lmportant ln summer on sunny days, wh1le advectlon essentlally a random component domlnates durlng wlnter whatsoever the etate of the sky 1s. The total effect of these two comnonents of s~me frequency and six monthe out of phase shows the characteristice of the terr.perature ran€e curve obeerved by Sabourln.

VARIATIONS DE LA TD~PERATURE

DIURNE A L'OBSERVATOIRE l-lcGILL

par Jean Godin

Thèse soumise à la "Faculty of Graduate Studies and Research" comme partie des exigences requises nour l'obtention de la mattrise ès sciences.

Department of l~eteorology - McGill University

RESUME

Deux facteurs importants apportent les variations de la température: le rayonnement solaire et l'advection. Le rayon-nement solaire des journées ensoleillées détermine le cycle diur-ne soumis à des variations de température quotidiennes et

annuel-les. A ces variations de haute et basse fréquences s'ajoutent durant la période diurne des fluctuations de très haute fréquence. L'advection cause les variations aléatoires de la température. Le champ quotidien de température ie la différence entre le maxi-num et le minimum de la journée dépend aussi de ces phénomènes variables au cours de l'année. Par une approche semi-empirique

il est possible de déterminer l'apport de chacun dans la détermi-nation du champ de température observé à différents mois de l'an-née. L'insolation détermine une composante cyclique dont le rôle

est primordial au cours de l'été lors des journées ensoleillées. L'advection, essentiellement aléatoire, domine au cours de l'hi-ver quelque soit l'état du ciel. L'effet total de ces deux com-posantes de même fréquence et déphasées de six mois présente les caractéristiques de la courbe du champ de température observées par Sabourin •.

VARIATIONS DE LA TEMPERA'ltTRE DIURNE A L'OBSERVATOIRE MeGILL

par

Jean Godin

VARIATIONS DE LA TEVPERATURE DIURNE A L'OBSERVATOIRE McGILL

par

Jean Godin

Thèse soumise à la "Fa cult y of Graduate Studies and Research" comme partie des exigences requises pour l'obtention de la maltrlse ès sciences. D~partement de y~t{orologie Université r.~cGill rr.ontréal

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Jean Godin 1970 Juin 1969

RESUME

RFJ.~ERCID1ENTS

TABLE DES MATIERES

1. INTRODUCTION 2. INSTRUMD~TATION

3. LA CO}!POSAi:TE CYCLIQUE

3.1 Le rayonnement solRire 3.2 Le cycle diurne:

dispersion des maxima et minima évolution quotidienne et annuelle taux de variation de la

tempéra-ture du cycle diurne.

3.3 Les variations de température à très haute fréquence:

4volution quotidienne et annuelle

1 4 5 5 7 36

4. LE CHAl!.P DE TD~?ERATURE DES JOURNEES ENSOLEILLEES 50

4.1 La composante cyclique 4.2 La composante aléatoire

5. LE CHA1-:? DE Tû.rPERATURE DES JCUR.T-JEES NUAGEUSES

5.1 La composante cyclique 5.2 La compos~nte aléatoire

6. APPROCHE DU CHA1-!? DU CYCLE DIURNE EVALUE ;?OtTR TOrS LES JOURS DE L'A~rnEE

7. CONCLUSION 8. REFERENCES 50 52 59 59 63 68 71 74

<e

1. 2. 3. 4A. 4B.

5.

6. 7. 8. 9.

LISTE DES FIGURES

Variation de la temD~rature à l'observatoire de McGill au cours des mois de juin 1962 et décembre 1962.

Le rayonnement solaire global à l'observatoire Jean

Br~beuf: variation quotidienne.

Le rayonneœent solaire global à l'observatoire Jean Brébeuf: variation annuelle.

Distribution des temoÉratures maxima et minima dans le temps au cours de journées ensoleillées.

Distribution des températures maxima et minima dans le temps au cours de journ~es nuageuses.

Superposition de cycles à basse et haute fr€quences. Le cycle diurne.

Temps caractéristiques du cycle diurne.

Les temp{ratures maxima et minima du cycle diurne. La tempÉrature ~aximum du cycle diurne en fonction du rayonnement solaire global moyen des journées ensoleil-lées.

10. Le taux de variation de la terrpérature en fonction du temps de la journ~e.

Il. Taux maxima d'augmentation de la température.

12. Le taux maximum d'augmentation de la tem':')Érature en fonction du rayonnement solRire global

13. Variation de la temT:'~rature enregistrpe D"lr le ther!to-graphe de ~cGill le 27 avril 1967.

14. Variation de la température enregistrfe par le ther~o-graphe de ~~cGill le 27 juin 1967.

15. Variation de la température enregistrfe ~ar le

thermo-6ra~he de ~cGill le 10 juillet 1967.

16. Varietion de la ternT:'érature enregistrée par le therr.1o-graphe de McGill le 18 j"lnvier 1967.

G

17. L'am~litude horaire moyenne des oscillations de tem-pérature à très haute frÉquence: définition.

18. L'am~litude horaire moyenne maximum des oscillations de température à très haute fréquence au cours de l'annÉe.

19. Variation quotidienne des oscillations de température

à très haute frÉquence.

20. Temps caractéristiques des oscillations de température

à très haute frtquence. .

21. Le champ de ternnprature ~u cycle diurne (courbe a) et le champ diurne observÉ (ccurbe b) lors de journÉes ensoleillées. 22. 23. 24. 25. 26. 27.

~esures diffFrentes de la composante aléatoire (l'ad-vection) lors de journ{es ensoleillées.

Le champ mÉdian de tempÉrature quotidienne à l'obser-vatoire de V-cGill selon Sabourin (1963).

Le champ du cycle diurne lors de journfes ensoleillées (courbe a) et nuageuses (courbe b).

Le champ diurne observf (courbe a) et le champ du cycle diurne (courbe b) lors de journées nuageuses.

l·:esures différen tes de la comuosante aléa taire (l' advec-tion) lors de journf:es nu~geuèes.

Le champ diurne observé lors de j0urnfes ensoleillées (courbe a) et nua~euses (ceurbe b).

2e.

Le champ du cycle diurne observ{ teus les jours et le champ du cycle diurne pondéré par le nombre relatif de journÉes ensoleillFee et nuageuses au cours du mois.

Deux facteurs importants apportent les variations de la température: le rayonnement solaire et l'advection. Le rayon-nement solaire des journées ensoleillées détermine le cycle diur-ne soumis à des variations de ternp8rature quotidiennes et annuel-les. A ces variations de haute et basse fr0quences s'ajoutent durant la période diurne des fluctuations de très haute fréquence. L'advection cause les variations al~atoires de la temp~rature.

Le champ quotidien de temp~rature ie la différence entre le maxi-num et le minimum de la journée dppend aussi de ces ph?nomènes variables au cours de l'année. Par une approche serni-empirique

il est possible de déterminer l'apport de chacun dans la d(termi-nation du champ de température observé à différents mois de l'an-née. L'insolation détermine une composante cyclique dont le rôle

est primordial au cours de l'8té lors des journées ensoleillées. L'advection, essentiellement al{atoire, domine au cours de l'hi-ver Quelque soit l'état du ciel. L'effet total de ces deux com-posantes de même fréquence et déphasées de six mois prÉsente les caractfristiques de la courbe du champ de tem~érature observées par Sabourin.

REMERe l El!.ENTS

Je désire remercier les diffÉrentes personnes du

"Stormy 'tleather Group" qui m'ont accordé leur aide au cours de cet ouvrage. La collaboration de ~iss N. Bignell, chef de l'ob-servatoire de Y:cGill, a Été précieuse lors de la manipulation des données. r.~ademoiselle Ursula Seidenfuss a préparé plusieurs diagrammes. Je désire tout particulièrement exprimer ma recon-naissance à mon directeur de thèse, le Dr. J. S. Marshall, pour ses critiques constructives et le teT.ps prtcieux qu'il a consa-cré à l'étude de ce travail à ses différentes étapes.

1

1. I~TRODUCTION

Si nous considérons les données de tempfrature du ther-mographe enregistr~es au cours d'une semaine de l'ptt (Fi~ure 1,

courbe a) nous notons immfdi~tement la prpsence du cycle diurne. Ce cycle se répète r~gulièrement au cours des journpes ensoleil-lpes. Ce~endant, au cours d'une semaine de d!cembre (Figure 1, courbe b) le cycle diurne est beaucoup moins apparent parce que des vari~ti~ns irrpgulières relativement importantes se superpo-sent à son amplitude dfjà réduite. Cette dernière observation est valable que la journée soit ensoleillée ou non. En €té, la présence de nuages réduit l'am~litude du cycle diurne et s'accom-pagne souvent de variations irrégulières causées par l'advection. Ces observations suggèrent la prfsence d'une comqosante cyclique, ayant une amplitude et une frfquence dFterminées, modulée p~r une seconde composante essentiellement irrtgulière. Il s'agit dès lore de déterminer de quelle facon la température observée à un

instant choisi de l'année dfpend de l'une et l'Rutre ~e ces com-posantes. Plus précisément, il s'agit d'établir une méthode d'analyse permettant d'extraire des donnfes de temp~rature la composante cyclique et la composante irrégulière. Dans le but d'isoler chacune de ces composantes, l'étude se concentrera sur les lectures prises au cours de journées ensoleillées et nuageu-ses. Par définition, toute journ~e ensoleillée pendant 90% et plus de la journfe sera considérée comme journée ensoleillÉe. Toute journée ensoleillée pendant 10% ou œoins de la journée

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sera considérée comme journ!e nuageuse. La première approche portera sur le cycle diurne soumis ~ des variations de temp~ra-ture de haute et basse fréquences. A l'aide des caractpristi-ques du cycle diurne, en particulier les temp~ratures maxima et minima, suivra une étude du champ de température et de ses variations durant l'annpe.

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2. INSTRUMENTATION

L'élément important du thermographe de l'observatoire de l'université McGill est présentement composé d'une lamelle résistive de platine placée à l'intérieur d'un cône dont la coupe répond à une fonction exponentielle. La plus lerge ou-verture du cône est dirigée vers le sol quatre pieds plus bas. Une pompe aspire l'air à l'intérieur vers la lamelle de platine reliée au potentiomètre de l'appareil enregistreur Speedomax G de la compagnie Leeds & Northrup. La sonde est située sur le campus près du '~~a cdona Id Physics Building". Toute allusion à la température à la surface du sol se r~férera à la température mesurée par cet appareil à la hauteur standard de deux mètres au-dessus du sol. La durée de l'insolation est mesurée à l'aide d'un appareil enregistreur du type Campbell-Stokes. Cet instru-ment est situé sur le toit du 'Macdonald Physics Building'!. Enfin,

les données du rayonnement solaire global ont ftf enregistr!es à la station Jean Brébeuf au moyen de pyranomètres Eppley à 50

soudures. Un facteur de correction de température a ft! appliqué dans l'analyse des données.

5

3. LA COMPOSANTE CYCLIQUE

3.1 Le rayonnement solaire

Les diff€rentes positions prises par le soleil dans le ciel depuis son lever jusqu'à son coucher produisent un nement diurne variable au niveau du sol. La fraction du rayon-nement absorbé par le sol est à l'origine des pchanges radiatifs

entre le sol et l'atmosphère. Ces échanges ~tablissent en parti-culier la température de l'air à la surface de la terre. La Figure 2 représente le rayonnement solaire global ie le rayon-nement solaire descendant direct et diffus reçu sur une surface

horizontale à partir d'un angle solide {gal à 211. Ces donn{es sont prises à l'observatoire Jean Brpbeuf situf sur le versant nord-ouest du Iv!ont-Royal à 2.4 milles de l'observatoire de McGill. Elles sont donc suffisamment représentatives du champ

radiatif du campus de McGill. Les valeurs de l'ordonn~e repré-sentent le rayonnement total de chaque heure se terminant au temps indiqu{ sur l'abscisse. Le rayonnement horRire augmente rapidement au caurs de la mRtinpe, demeure pendant quatre à six heures à des valeurs supérieures à 80% de la valeur maximum at-teinte à midi, puis diminue de façon symétrique au cours de la deuxième partie de la journ{e. L9 course anparente du soleil au-dessus de l'horizon varie au cours de l'annpe du solstice d'fté au solstice d'hiver et vice-versa. Cette deuxième variation

change la dur'~e du jour de janvier (8.7 heures) à juin (15.7

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Figure 2. Le rayonnement solaire global à l'observatoire Jean Brébeuf, en 1966. Les valeurs de l'ordonnée représentent le rayonnement

total de chaque heure se terminant au temps indiqué sur l'abscisse. Les journées indiquées sont ensoleillées.

au sol. Conspquemment le rayonnement solaire global varie en moyenne entre 180 cal.cm- 2 jour-1 en décembre et 700 cal cm- 2

.

jour-1 en juin au cours de journfes ensoleillées (Figure 3).

Le rayonnement solaire est donc un phpnom~ne cyclique sOlmis à

des vari~t10ns de haute et basse fréquences correspondant aux variations quotidiennes et annuelles. Il s'agit maintenant de déterminer de quelle façon la température à la surface du sol rppond aux variations quotidiennes et annuelles du rayonnement solaire.

3.2 Le cycle diurne

Si durant les journées ensoleillÉes la temnérature à Quelques m~tres du sol est directe~ent et en grande partie dé-pendante des radiations solaires, les variations diurnes de la température suivront un cycle dffini. D~s lors les températu-res minimum et maximum de la journ!e apparaltront rfguli~re~ent

à des instar.ts dftermin{s par le cycle radiatif. Les Figures

4A et 4B pr~sentent la distribution dans le temps des minima et maxima entre 00 h et 24 h pour tous les mois de l'annfe.

7

L' €tude porte sur une ~)(riode de quatre ans (1963-66) et se

li-~ite aux journfes ensoleillÉes (Figure 4A) et nu~geuses (F1~ure 4B). En tenant compte du nombre différent de journ{es ensoleil-l€es et nuageuses, il est facile de constater dans l'ensemble une dispersion plus importante des ~inima et maxima dans le cas de

journÉes nuageuses. Le grcupement des minima et maxima des journées ensoleillées est une première indication d'une influen-ce cyclirue. En pArticulier, le dÉplacement du temps du minimum

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Figure 3. Le rayonnement solaire global à l'observatoire Jean Brébeuf. Les valeurs de l'ordonnée représentent le rayonnement total moyen des journées ensoleillées pour chacun des mois de l'année 1966.

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Figure 4A. Distribution des temp~rature8 maxima ( - ) et minima ( ... ~ .. ) au cours· de journ'es enso1eill~es.

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TEMPS HEURE) ECHELLE:

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12

correspond bien à la variation annuelle du lever du soleil dans le temps.

Cependant une observation plus poussée permet de cons-tater une dispersion des minima et des maxima sur rlusleurs heures au cours de journées ensoleillées. Au mois d'août le temps des maxima varie entre 11 h et 17 h et le temps des mini-ma entre 4 h et

7

h. Le cycle solaire n'est donc pas le seul en présence. D'ailleurs si l'insolation est un r-hrnomène eBse~tiel­ lement cyclique, l'absorption atmosphfrique de l'infra-rouge émis par le sol, le rayonnement atmosphérique, l'pvaporation, la con-duction, la convection et la turbulence rfpondent à des facteurs phYSiques non nfcessairement cycliques tels que le vent, l'humi-dité et la structure thermique de l'atmosphère. L'effet total des composantes fnerg~tiques permet d'expliquer en partie la dis-persion des maxima et mimina observ{e au cours de journf.es enso-leill€es.

Une deuxième caractiristique de la Figure 4A mfrite d'être soulev(e: la r-r~sence de maxima entre 22 h et 03 h au

cours des mois d'hiver. Cette ~résence relative~ent importante s'intensifie durant les journfee nuegeuses au cours des mois d'hiver et apparalt à tous les autres mois de l'snn/e (Fi~ure 4B). La prf~e~ce des minima entre 22 h et 03 h devient de même très importante durant les journfes nuageuses et même majoritaire du mois d'août au mois de mprs. Ces faits observ!s entre 22 h et 03 h ne'peuvent s'expliquer directement et uniquement par le cycle de l'insolation. Pour les expliquer, il faut sans doute

13

faire appel à plusieurs autres phénomènes, en particulier l'advection, les couches nuageuses et les pr{cipltations. A ce propos, les journfes ensoleill~es sont dffinies relativement à la p{riode diurne sans tenir compte de l'état du ciel durant la nuit. De plus, la probabilit! d'obter.ir plusieurs jours successifs sans nuage est beaucoup plus grande en {tÉ qu'elle ne l'est en hiver. Ce·tte dernière saison est donc plus sujette à d'autres influences non directe~ent reli{es au cycle de l'insola-tion. Dans cette perspective, la pr!ser.ce d'une variation de temp~rature à basse frfquence sur laquelle se superposent les variations du cycle diurne à haute frfquence peut rendre les pre-mières et dernières heures du cycle diurne prÉfÉrentielles relati-vernent aux teffipÉratures maximum et minimum (Figure 5, courbes a

et b). Les valeurs relatives des am~litudes et des pÉriodes du cycle diurne (b) et du cycle à basse fr~quence (a) dttermineront dans certains cas la prÉsence èe la tempfrature maximum ou mini-mu!! du cycle diurne à 00 h ou 24 h. Le choix arbitraire des li-mites 00 h et 24 h a èftermin{ Ip. position de œ~xima et minima

aux extrf~itFs des journfes. Un autre choix aurait donn! une dispersion différente des maxima et minima rel~tivernent aux pre-mières et dernières heures de la journ~e.

Les r!sultats de la Fi~ure 3 indique donc la prpsence du cycle du rayonnement solaire. Une !tude des variations de tempé-rature quotidienne èe jcurn(es ensoleillÉes pourra r~vtler l'in-fluence de l'insolation sur la terr.~frature obserVÉe au sol.

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Figure 5. ... a ___ _ b TEMPS

Influence de la composante cyclique à basse fréquence (a) sur la composante cyclique à haute fréquence (b) relativement aux

tem-pératures maxima (.) et minima {/).du cycle à haute fréquence.

15

Pour df.terminer l'influence du rayonnement solaire ie de la composante cyclique sur la temp~rature quotidienne, il est

nt-cessaire de dÉfinir un filtre Douvant ~liminer dans le temps la composante irrÉgulière. A l'exception des nuages, l'advection reprÉsente le principal facteur pouvant donner lieu aux fluctua-tions irrégulières de température. Puisque l'advection dépend des situations synopti~ues elles-mêmes grandement alÉatoires dans le temps et variÉes dans leur composition, il est alors raisonna-ble de considÉrer la corr.posante non-cyclique comme une variaraisonna-ble aléatoire. ConsÉquemment, la somme algébrique ~valuÉe sur plu-sieurs années des fluctuations de température autour de la tempé-rature cyclique à un instant donnf doit approximativement Égaler zéro. Le temptrature moyenne à une heure de le journfe tvaluée sur plusieurs annÉes représentera donc la tempÉrature cyclique à

cet instant à la condition d'éliminer l'influence des nuages par le choix de journÉes ensoleillées.

Pour chacun des mois de l'annÉe, noue avons ~valué la température horaire moyenne des vingt journÉes ensoleillÉes

pré-et telles Que définies ci-dessus,

ctdant l'annre 1967'Ade 00 h à 24 h (Table 1). Pour certains mois, l'abse~ce de journÉes ensoleillres est compensÉe par 1 'err.-ploi des donnÉes de l'a~nFe 1960 et même de l'annÉe 1955 dans le cas du mois de novembre! Pour les annfes prtcÉdant 1964 et quel-ques mois de l'annÉe 1964, seules les temp(r~tures prises à toutes les deux heures sont disponibles. Les températures horaires man-quantes sont alors extrapolées. Les journfes ensoleillées se distribuent uniformf.ment dans tout le mois. L'ensemble de ces

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Déc. 10.7 Il.4 Il.8 Il.9 Il.1 10.6 10.5 10.5 10.4 10.7 10.5 10.5 10.5 Les temp~ratures max1ma et m1nima sont sou11gnées.

~

18

teœpfretures horaires moyennes df.termine 12 courbes représentant

lE~ cycle diurne (Figure 6).

A la mi-juillet le soleil se lève quelques minutes après 4:00 h. A 5:00 h la tempp~ature atteint son minimu~ soit 60.90_F,

puis croit à un taux toujours croissant jusqu'à 10 h, moment où la temp{rature eugmente au taux maximum de 3.50_{F/hre. A ce}

mo-ment le rayonnemo-ment solaire global atteint 80% de sa valeur maxi-reum (Figure 2). Au cours de cette pFriode, l'air chaud au niveau du sol s'flève pour cr~er une cellule de convection. Ce proces-sus permet une distribution de l'énergie therreique à des niveaux de l'atreosphère de plus en plus Flevps à mesure que l'insolation devient plus importante. Cela a donc pour effet de diminuer le taux d'accroissement de la température au niveau du sol tel que l'indique le changement de concavitf- de la courbe de tempprature aux environs de 10 h. Après dix heures, la temuËreture augmente de moins en moins rapide~ent pour atteindre Bon maximum dans l'après-midi, à 14 h. Il existe donc un délai de deux heures entre l'instant où le rayonnement solaire est maximum, à midi, et l'heure de la temp€rature maximum. De 14 h à 17 h l'insola-tion dim'nue à près de 50% de SR valeur maximale. La

temp€ratu-re cependant varie très peu, soit moins de lOF. Après 18 h soit un peu moins de deux heures avant le coucher du soleil, elle tom-be brusquement au taux de -1.50_{Fjhre. Cela correspond à l'heure}

où le camnus est plongé dans l'ombre de la montagne. A 24 h la temp€rature atteint 66.50_{F soit une diff~rence de +O.5}0_{F avec la}

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TEMPS (HEURE)

Figure 6. Le cycle diurne représentant les températures horaires moyennes des 20 journées ensoleillées précédant l'année 1967. L'échelle attachée au mois de juin s'applique aux autres mois. La température diurne maximum varie de lOoF en janvier à 7SoF en juin.

Cette différence devient plus importante au cours des autres mois de l'ann~e. La Table 2 donne les différences

21

(T 24 - TOO ) où T24 est la température à _{24 h et TOO ' la}

tempéra-ture à 00 h. L'importance relative de l'insolation des journées ensoleillées des mois d'avril à octobre permet pendant les der-nières heures de la journpe une augmentation de la température.

Table 2. Difffrence des températures du cycle diurne évaluAea à 24 h et à 00 h en degrés Fahrenheit. janvier ftvrier mars avril mai juin -7.5 -3.3 -4.2 +2.5 +4.3 +3.4 juillet août septembre octobre novembre décembre +0.5 +1.7 +0.7 +3.4 -2.0

-5.9

Au cours des mois de novembre à mars, plus particulièrement en d{.cembre et janvier, les journées ensoleillées permettent un refroidissement de la température très important par radiation. La ~résence de nuages éliminée ici par le choix de journées

en-soleillfes réduit le taux de refroidissement diurne et nocturne et permet alnsi des températures plus élevées. Les autres com-posantes énergf-tiques d~jà fnonc{es auparavant jouent aussi un rôle qu'il n'est pas dans notre intention d'évaluer. Un autre point cependant mérite d'être soulevé. Les températures des mois de d€cembre et janvier à 00 h sont supérieures aux maxima de l'a-près-midi de 4.50F et 2.6oF respectivement. Un deuxième cycle se

o

22

superpose donc au cycle diurne. Le filtre précédemment employé pour isoler la température cyclique n'~limine que les variations aléatoires de hautes fr{quences; il est sans effet sur toutes variations de température de basse fréquence. Le choix des limites 00 h et 24 h impose la présence de ce deuxième cycle au début du cycle de 24 heures. Les remarques faites au sujet du cycle à basse fréquence lors de la discussion de la dispersion des maxima et minima (Figure 5) s'appliquent également ici.

Chacune des courbes du cycle diurne a une configuration similaire à celle de juillet avec une période de 24 heures, un minimum au lever du soleil et un maximum dans l'après-midi. La Figure 7 donne quelques temns caractpristiques du cycle diurne: les temps du lever du soleil au 15e jour du reois (courbe a), les temps des minima (points) et maxima (droites verticales) ainsi que l'heure du coucher du soleil (courbe b). De façon générale la tem~trature atteint son minimum au lever du soleil ou peu a-près. Les diff{rences ùntre ces temps s'expliquent en partie per le lever effectif du soleil sur le campus p1acr à l'ombre des

:'difices du centre-ville ainsi que pRr le choix de l'intervalle d'une heure entre deux valeurs successives de température. Au

cours de l'après-midi, de septembre à avril, la température at-teint son maximum aux environs de 15 h. Durant les mois d'ét{ ie juin, juillet Elt août, le maximum Bnparalt plus tôt aux envi-rons de 14 h. Seul le mois de mai fait exception avec un maximum de 65.00_{F à 16 h. Au cours de ce mois, cependant, la temprrature}

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Figure 7. Temps caractéristiques du cycle diur~~. Les courbes ~ et c représentent les temps du lever et ou coucher du soleil res-pectivement. La courbe b représente les temps du taux maximum de réchauffement de la température à deux mètres du sol à l'ob-servatoire McGill. Les lignes verticales indiquent les temps des maxima; les temps des minima sont indiQués par les croix (X). Les lignes horizontales représentent les intervalles de temps pour lesquels la température ne varie pas plus de lOF. Les points (e) donnent le taux maximum de refroidissement de la température.

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65.0 oF. Le cycle diurne du mois de juillet présente de faibles variations de température (moins de 1°F) pendant les trois heu-res qui suivent le maximum. L'extension de ce plrteau dans le temps est indiqu~e sur la Figure 7 par une droite horizontale.

24

Ce pl~teau s'étend sur près de trois heures en Fté, diminue au cours des mois adjacents et dispara1t durant l'hiver, en janvier.

La Fi~ure 8 représente les variations annuelles des tem-pératures maxime (courbe a) et minima (courbe b) au cours de la période diurne. Les mois d'hiver soit décembre, janvier et fé-vrier, ont des valeurs de maxima et de minima très rapprochées. Les maxima se situent entre 10°F et 16°F, les minima entre 40_F

et 7°F. Un groupement analogue s'observe en été, de juin à août, où les différences entre les maxima et entre les minima atteint à peine 2°F. Les mois de transition du printemps (mars, avril et mai) et de l'automne (septembre, octobre et novembre) ont des maxima et des minima beaucoup plus dispersps sur l'échelle de tempfrature. Les deux groupements naturels observfs ci-haut peuvent se retrouver sur la Fi~ure 3 représentant les variations

annuelles de l'insolation. Les mois de février et août font ce-pendant exception; ils sont remplacés à l'intérieur des groupes par les mois de novembre et mai réciproquement. Un dpphasage de un mois existe donc entre la courbe annuell~ de l'insolation et la ccurbe annuelle des maxima et minima. Ce dernier fait indique bien que malgré le similaritf des courbes annuelles de tempÉratu-re et de radi~tion so18ire il n'existe pas entre ces deux varia-bles une simple constante de proportionnalitp. Le graphique de

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Figure 8. Les températures maxima (courbe a) et minima (courbe b) du cycle diurne.

26

la température maximum en fonction du rayonnement solaire sou-ligne ce fait (Figure

9).

Les maxima de juillet à décembre sont

supérieurs aux maxima de janvier à juin. L'accumulation de la chaleur dans le sol ~st une autre composante cyclique qui s'a-joute au budget énergétique du systè~e sol-atmosphère.

La différence entre les maxima et minima de température détermine le champ de température. Ce paramètre sera étudié ultérieurement en plus de détail.

La dérivée dT/dt des 12 cycles diurnes de la Figure 6 donne le taux de variation de la température quotidienne. Les valeurs de cette dérivée à chacune des heures de la journée

sont donntes à la Table

3.

Chacune des douze courbes de taux de variation a été évaluée séparément et polie par un trait continu. Plusieurs taux mensuels presque identiques ont été identifiés par une courbe commune. Ainsi les mois d'avril, mai et juin ont des taux similaires (Figure 10, courbe a). Il en est de même pour les mois de juillet, août et septerrbre (courbe e). Les quatre autres taux de variation de la température groupent ensemble les mois d'octobre et novembre (courbe d), d~cembre et janvier (cour-be c) et enfin février et mars (cour(cour-be b).

Après minuit le taux de refroidissement de l'air à 2 mè-tres du sol demeure presque constamment à -loF/hre jusqu'au lever du soleil. Le 901 commence alors à se réchauffer, puis

l'atmos-phère. Le taux de refroidissement tombe rapidement à OOF/hre au cours d'une période d'environ 1 heure. Le taux èe r(chauffement

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RAYONNEMENT SOLAIRE GLOBAL (cal.cm-2 jr- ) ~

La température maximum du cycle diurne en fonction du rayonnement solaire global moyen des journées ensoleillées. Figure 9.

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Table 3. Le taux de var1at1on de température du cycle

d1urne à chacune des heures de la journÉe, en °F/hr~ l!OIS

Jan. Fév. r.~ars Avr. Ma1 Ju1n Ju11. Août Sept. Oct. Nev.

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Figure 10. Le taux de variation de la température en fonction du temps de la journée. La dérivée du cycle diurne par rapport au temps fournit ces taux.

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Figure 10. Le taux de variation de la température en fonction du temps de la journée. La dérivée du cycle diurne par rapport au temps fournit ces taux.

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31

augmente durant la matinée pour atteindre un maximum quelques heures avant midi. Ce taux maximum apparalt donc quatre à cinq heures apres le lever du soleil (Figure 7), entre 9 heures (juin) et Il heures (janvier). Le taux de rfchauffement maximum varie au cours de l'ann{e de +1.30F/hre en décembre et janvier à

+3.50_{F/hre environ des mois d'avril à septembre. Au cours d'une}

periode de trois heures, soit de 13 h à 16 h, le taux de varia-tion de température change approximativement de la même façon pour tous les mois de l'ann{e. Au coucher du soleil ou à une heure près, le taux de refroidissement de l'air atteint son maxi-mum (Figure 7). L'ombre du ~ont-Royal occasionne un coucher de

soleil effectif diff~rent du coucher astronomique. Cela peut expliquer la difffrence des temps observps à certains mois entre le coucher du soleil et le taux de refroidissement maximum. Ce taux varie en moyenne entre -1.6°F/hre en {tÉ et -O.60F/hre en hiver. Le taux de variation de la tempÉrature diminue par la suite et tend vers une valeur constante située entre 1.50F/hre et OOF/hre.

Dans une Étude de Fu~gle et Ohmura (1968) il est dfmontrÉ que le flux net des radiations dans l'infra-rouge au niveau du sol est n{gatif au cours de toute la journfe. Au Mont St-Hileire où ces observations ont Été réalis€es, le flux net de 124 heures d'observation atteingneit -729 cal.cm-2• Consfquerrment le taux de refroidissement de la température obserVÉ entre 00 h et 03 h, soit environ -loF/hre, est toujours prÉsent durant la pÉriode diurne. Il faut donc ajouter +loF/hre au taux de rfchauffement

32

mesuré durant la pÉriode de l'inso19tion pour obtenir le taux rÉel de réchauffement de la température apportf indirectement par les radiations solaires. Une diff{rence fondamentale exis-te cependant entre la station du Mont St-Hilaire et la station VcGill: le taux élevé des polluants dans l'air de la cité.

Les polluants atmosphÉriques reprÉsentent l'un des paramètres physiques déterminant le micro-climat de la ville. Au cours d'une {tude comparative du rnyonnement solaire en ville (station Jean BrÉbeuf) et à la carr:pagne (station Sainte-Th{rèse-de-Blain-ville) East (1968) note une réduction de 9% en moyenne du rayon-nement solaire à v.ontr/al. En hiver cette rÉduction atteint même 15%. East attribue au moins 4% de cette atténuation à la pollution de l'air.

Fu~gle (1968) a fait une étude du nombre de changements de tempÉrature excédant 2.50F l'heure entre v.ontrlal (station YcGill) et l'aéroport St-Hubert situÉ à 8 milles à l'est du

centre-ville. Des changements de teœpérature rapides et variables ont ft! mis en !vldence. De plus, les rÉsultats ont rÉvplé un nombre impressionnant de changements impliquant une augmenta-tion de la tempÉrature de l'air ~ MontrÉal entre 12 h et 24 h. Ce dernier fait d'ailleurs se rÉvèle par une diminution du taux de refroidissement de l'air aux environs de 18 h (Fi~ure 10). Fu~gle suggère la prÉsence d'un flux radiatif divergent (infra-rouge) dans l'atmosphere polluÉe de la ville, crÉant ainsi un

flux convergent de radiations dans la couche d'air au-dessus d3 la ville. La stabilité de l'atmosphère augmente le taux de

pollution et, conséquemment, l'effet de serre de la pollution. Les conditions de stabilité se retrouvent dans l'ensemble en

soirée et, en particulier, aux mois d'hiver. Le taux de

re-33

froidissement de l'air peu plev~ aux mois de décembre et janvier (Figure 10) au cours de la première moitié de la nuit appuie cette explication du rôle de la pollution dans les fchanges ra-diatifs. Plusieurs ph~nomèneB se combinent donc pour former le

cycle diurne de la température.

La Fi~ure 11 représente le taux maximum de rrchauffe-ment de la température en fonction du temps. Les données ont

fté prises sur chacune des douze courbes de taux de variGtion de teIT.pérature. La courbe du taux maximum correspond dans l'ensem-ble à la courbe du rayonnement sol~ire en fonction du teT.ps (Figure 3), avec un taux maximum en ptp et un taux minimum en hiver. Les taux des mois d'avril à août sont supérieurs à

30F/hre; le rayonnement quotidien de ces quatre mois représente plus de

75%

du rayonnement maximum. Le changement brusque de taux de mars à avril et le taux relativement ~lev4 en octobre ne peuvent cependant s'expliquer uniquement par le rayonnement so-laire. Le granhique du taux maximum de r6chauffement de la tempé-rature en fonction du rayonnement solaire global (Figure 12) ré-vèle une allure semblable au graphique de la température maximum en fonction de l'insolation. Les mêmes remarques s'y appliquent donc. La Table 4 permet pour les mois de dÉcembre et juin une comparaison entre les variations du rayonnement solaire, du taux

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Figure 12. Le taux maximum d'augmentation de la température en fonction du rayonnement solaire global. Les lettres identifient les mois de l'année.

35

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diurne. Lorsque les radi~tions solaires augmentent par le teur 3.9, le taux maximum de rrchauffement augmente par le fac-teur 3.1. Le fait que l'énergie radiative est transmise à des

couches plus flevées de l'Atmosphère explique en partie cette différence. Le champ de température augmente presque dans le même rapport.

Table 4. Le rayonnement solaire, le taux maximum d'~ug­ mentation de la température, le champ de tem-pérature et la temp~rature maximum du cycle diurne des mois de dtcembre et juin.

1. Décembre II. Juin

Radiation (cal.cm- 2 jr- l ) 180 700

Taux maximum d'augmentation

de lq température (OFjhre) le2 3.7

Champ de tempfrature (OF) 4.7 18

TempfrRture mAximum (OF) 11.9 78

3.3 Les variAtions de temp~rature ~ très haute fréguence

11/1 3.9

3.1 3.8

6.6

Les courbes a et b de ln Fi~ure l révèlent deux types de variation de la tempérAture: les variations quotidiennes et annuelles. Le cycle diurne (Fi~ure 6) permet d'associer aux va-riations quotidiennes une période de 24 heures et aux vava-riations annuelles, une pÉriode de 12 mois. Un troisième type de v~ria­ tion de ln terr.prrature est associr particulièrement à la période diurne des 24 heures de la journée. Le thermosraphe employé à l'observatoire de McGill depuis 1965 possède une sensibilité et une rapidité suffisAntes ~our détecter ces variations. La Figure 13 repr~sente le tracé de la tempfrature pris par cet appareil

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Figure 13. Variation de la température enregistrée par le thermogralite de McGill le 27 avril 1967.

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le 27 avril 1967. Cette journée fut ensoleillpe durant plus de 95% du temps possible. La température est minimum à 5:30 (2.50_C)

puis augmente pour atteindre 7°0 vers 8:35. De 5:30 à 8:35 le tracé est net et présente relativement peu de fluctuations de température. Par la suite, cependant, l'appareil enregistre de rapides oscillations de la température qui se superposent à la courbe générale d'augmentation de la température. Ces oscilla-tions deviennent de plus en plus nombreuses et serrp.es, et aug-mentent en amplitude jusqu'à l'heure du maximum atteint à 1:30. Après deux heures ces oscillations diminuent en importance;

elles sont à peine perceptibles sur le "plateau" de l'apr~s-midi et disparaissent au cours de la nuit. Des observations similai-res peuvent être faites au cours des journées ensoleillées du 27 juin et 10 juillet 1967 (Figures 14 et 15). Durant ces deux derniers jours l'insolation dura pendant 98% du temps possible. Ces oscillations dont la fréquence est de l'ordre de la minute se retrouvent au cours de la période diurne de toutes les jour-nées ensoleillées des douze mois de l'année. Dans l'ensemble cependant elles sont moins importantes durant les mois d'hiver (Fi~ure 16).

La mesure de l'amplitude des variations de température à haute frFquence permet des observations intéressantes. Dans le but d'Fliminer l'effet de l'ombre portFe par les nuages sur les instruments seuls ont servi les tracés enregistrés par le thermographe au cours de journées ensoleillées. Les fluctuations de température causées par la présence de nuages iso18s durant

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ces journées ensoleillées sont très caractéristiques et, ainsi, ont pu être différenciées des oscillations diurnes à haute fré-quence. La possible influence de l'ombre des arbres sur le campus près du thermomètre a aussi été contl'ôlée. Pour chacune des périodes horaires de la journée l'amplitude .horaire moyenne définie par la Figure 17 est évaluée. La Table 5 donne ces

ré-sultats sous forme de moyennes mensuelles des amplitudes hora1-res. L'amplitude horaire moyenne maximum est O.40F en novembre et décembre; elle atteint 1.20F et 1.10F en mai et juillet res-pectivement (Figure 18). Les courbes a à e de la Figure 19 présentent la moyenne des variations quotidiennes des oscilla-tions de température pour différents groupements mensuels. Ces oscillations apparaissent quelques heures après le lever du

so-leil, atteignent leur max1mum aux environs de midi, puis dispa-raissent quelques heures avant le coucher du soleil. La Figure 20 donne les temps caractÉristiques des variations de températu-re à haute fréquence et du cycle diurne. Les résultats ainsi obtenus permettent de constater que les variations diurnes de l'amplitude des oscillations de température et les variations du rayonnement solaire (Figure 2) sont en phase,avec dans les deux cas un maximum à midi. Les variations annuelles des

oscil-lat10ns de temp~rature et de l'insol~tion (Figure 3) sont de même en phase. De dfcembre à mai, le rayonnement solaire aug-mente par le facteur 3.6 et l'amplitude des oBcill~tions par le

facteur 3.0. A la lumière de ces faits, il est raisonnable d'as-socier aux oscillations de température de haute fréquence les phénomènes de convection et de turbulence. Le fait que les

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Figure 17. D'finition de l'amplitude horaire mOlenne (A) des oscillations de temp4rature a très haute tr4quence.

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FiGure 17. Définition de l'amplitude horaire rr.o~enne (A) des oscillations de température a très haute frrquence •

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Table 5. Amplltude horalre moyenne des var1at1ons de tempéra-ture à haute fréquence, en oF.

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a: Nov. Déc. Jan.

b: Fév. Mars, Sept. Oct. c: Avr. Mai Juin

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Temps carartéristiques des oscillations de température à très haute fréquence indiquant le début (a) et la fin des oscillations (b); les points (e) indiquent les maxima des amplitudes des oscillations. Les courbas c et d représentent les temps du lever et du coucher du soleil: ]a courba e détermine le temps du taux maximum d'augmentation de

48

cillations de température apparaissent au cours de toute la journée (période diurne) implique que la convection est tou-jours présente même durant la période de l'après-midi. Ce

dernier point est d'ailleurs fortement appuyé par les résultats obtenus par Yap

(1969).

Dans sa thèse de ma1trise, ce dernier démontre qu'il existe moins d'une heure après le lever du

so-leil et jusqu'au coucher du soso-leil un gradient de température superadiabatique sur une hauteur de quelque 200 pieds au-dessus du sol. Ce gradient est présent au cours de tous les mois de l'année. Donc dans cette perspective les variations de tempé-rature à haute frFquence sont une mesure de l'instabilitF de l'air dans les premières couches de l'atmosphère près du sol. Il n'entre pas dans le cadre de cette étude cependant d'approfondir

ce point ni d'évaluer le rôle de la turbulen~9 sur cette varia-tion de la température.

Le cycle diurne appara1t donc comme le rFsultat des vari-ations de température à haute et basse rrpquences; le premier type de variation détermine les fluctuations quotidiennes sur une période de 24 heures et le second amène le long changement périodique de 12 mois. Au cours de la période diurne de la jour-née s'ajoutent des oscillations de température à très haute fré-quence, de l'ordre de 10 minutes. L'amplitude de ces oscilla-tions est nFgligeable comparativement aux amplitudes des deux autres composantes du cycle diurne. L'étude des temps caracté-ristiques des variations quotidiennes de température et l'évolu-tion annuelle des maxima permet dans certaines limites d'associer