Ressource solaire de la région genevoise

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Ressource solaire de la région genevoise

INEICHEN, Pierre, PAMPALONI, Eric

Abstract

Dans la région genevoise, une plateforme réunissant des outils d'aide à la décision pour les agriculteurs et viticulteurs pour une meilleure gestion de la lutte contre les maladies phytosanitaires a été mise en place en 2006. Il s'agit du projet AgroMétéo. Cette plateforme intègre environ 150 sites de mesures climatiques en Suisse, dont une dizaine dans la campagne genevoise. Les mesures effectuées sont enregistrées sur la base d'un pas de temps de 10 minutes et transmises par GSM. Elles sont ensuite accessibles librement sur le portail AgroMétéo de la confédération en valeurs agrégées horaires, journalières, mensuelles ou annuelles. Les mesures à long terme de rayonnement solaire représentent le support essentiel à l'analyse, la connaissance et la modélisation de la ressource solaire. Cette étude a pour but la normalisation et la validation des valeurs mesurées dans la région genevoise par comparaison avec les données acquises par le groupe systèmes énergétiques de l'Université de Genève et par calibration directe in situ. Il s'agit de mettre en évidence une éventuelle différence de [...]

INEICHEN, Pierre, PAMPALONI, Eric. Ressource solaire de la région genevoise. Genève : 2017

Available at:

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Ressource solaire de la région genevoise

Pierre Ineichen Eric Pampaloni Université de Genève Mars 2017

Sites de mesure dans la région genevoise

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Ressource solaire de la région genevoise P. Ineichen, E. Pampaloni

1. Introduction

Le groupe Systèmes énergétiques de l’institut des sciences de l’environnement (ISE) de l’université de Genève (UniGE), est actif dans le domaine des mesures et de la modélisation de rayonnement solaire depuis plusieurs dizaines d’années. En effet, la première acquisition continue de données de rayonnement solaire a été mise en place en 1978 en ville de Genève sur le toit d’un bâtiment de l’université. En 1991, le système d’acquisition a été déplacé au 15^ème étage d’un bâtiment voisin dans le quartier de la Jonction. En 2010, nous avons dû déplacer le système d’acquisition sur le campus de Battelle, dans la périphérie de Genève, à Carouge. En parallèle, deux autres sites ont été équipés, un dans la campagne genevoise à Bernex, et l’autre en ville de Genève à la haute école d’architecture (hépia).

Parallèlement aux mesures de l’Université de Genève, une station est en acquisition à l’aéroport de Cointrin; elle est opérée par Météo Suisse. Le rayonnement global y est mesuré depuis de nombreuses décennies. Depuis peu, le rayonnement diffus a été ajouté à l’acquisition.

Dans la région genevoise, une plateforme réunissant des outils d’aide à la décision pour les agriculteurs et viticulteurs pour une meilleure gestion de la lutte contre les maladies phytosanitaires a été mise en place en 2006. Il s’agit du projet AgroMétéo. Cette plateforme intègre environ 150 sites de mesures climatiques en Suisse, dont une dizaine dans la campagne genevoise. Les mesures effectuées sont enregistrées sur la base d’un pas de temps de 10 minutes et transmises par GSM.

Elles sont ensuite accessibles librement sur le portail AgroMétéo de la confédération en valeurs agrégées horaires, journalières, mensuelles ou annuelles (www.agrometeo.ch).

Les mesures à long terme de rayonnement solaire représentent le support essentiel à l’analyse, la connaissance et la modélisation de la ressource solaire. Cette étude a pour but la normalisation et la validation des valeurs mesurées dans la région genevoise par comparaison avec les données acquises par le groupe systèmes énergétiques de l’Université de Genève et par calibration directe in situ. Il s’agit de mettre en évidence une éventuelle différence de climat local selon la situation géographique dans la région genevoise. Une liste des sites étudiés est donnée dans la Table I et illustrée sur la Figure 1. Dans ce but, une campagne de mesure a été entreprise durant l’été 2013 sur neuf des sites répertoriés, durant laquelle l’acquisition de l’irradiance solaire, de la température ambiante à 2 m du sol et de l’humidité relative a été effectuée en parallèle des stations AgroMétéo

Table I Sites d’acquisition dans la région genevoise

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sur une durée d’une à deux semaines au moyen d’une station portable, ceci afin de vérifier la calibration des senseurs utilisés sur les sites AgroMétéo. Les mesures agrégées en valeurs horaires sont ensuite analysées, complétées, et mises à disposition sur notre site.

2. Caractérisation des sites et contrôle de qualité des données

La caractérisation d’un site de mesure et la calibrations des senseurs sont des points clés pour l’acquisition précise de données dans le domaine du rayonnement solaire.

2.1 Détermination de l’horizon des sites

La détermination de l’horizon de mesure représente le premier pas à effectuer pour une comparaison. La quantité de rayonnement solaire incidente est influencée par l’horizon géographique, ou lointain, que l’on peut déterminer par logiciel ou cartographie géoréférée. Il s’agit ensuite de référencer sur place les obstacles proches, tels que bâtiments et végétation. Une méthode consiste en la prise sur le site d’une photo hémisphérique à 180° d’ouverture, celle-ci est ensuite «déroulée», orientée et l’horizon est digitalisé. A titre d’exemple, sur l’image cartésienne de la Figure 2 sont superposées les trajectoires apparentes du soleil pour les différentes saisons, ainsi que les horizons

Figure 1 Sites d’acquisition dans la région genevoise

Figure 2 Photo hémisphérique de l’horizon sur le site de La Plaine (gauche). Sur la photo «déroulée», la trajectoire appa- rente du soleil, les horizons géographiques et proches digitalisés sont superposés à l’image.

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géographique et proche digitalisés (en rouge l’horizon géographique, en jaune l’horizon proche).

Cet exercice a été effectué pour tous les sites Agrométéo de la région genevoise, les principaux résultats sont les suivants:

- Anières: l’horizon géographique est bien dégagé, un arbre bloque environ deux heures de soleil direct en hiver, au printemps et en automne,

- Bernex: l’horizon est bien dégagé, malgré une haie dense du côté nord,

- Commugny: l’horizon est obstrué au sud par un bâtiment suffisamment bas pour ne gêner que légèrement en hiver. Par contre, un arbre situé ouest-sud-ouest est plus gênant,

- Dardagny: il s’agit du meilleur horizon de la série de sites,

- La Plaine: la station est au pied d’une colline, proche de l’Allondon. L’horizon atteint 20° à l’ouest,

- Lullier: l’horizon est obstrué par des arbres à l’ouest. Avant la calibration, la station était sous un arbre (qui a été arraché avant la calibration),

- Lully: l’horizon présente un arbre qui bloque le direct en fin de journée dès 15h d’oc- tobre à mi-mars,

- Peissy: l’horizon est bien dégagé,

- Tannay: la station est située dans un domaine d’arboriculture, son horizon est trop limité pour une utilisation comme source de données de rayonnement.

- Troinex: plus de la moitié de la voûte céleste est obstruée par des arbres, cette station n’est pas utilisable comme source de données de rayonnement solaire.

- Satigny: l’horizon est bien dégagé,

- Soral: l’horizon est bien dégagé, un arbre au couchant bloque la dernière demi-heure en été.

La Figure 3 illustre cette analyse d’horizon, pour deux sites extrêmes, soit Troinex et Dardagny.

Les horizons de tous les sites sont donnés dans l’annexe.

2.2 Contrôle de qualité des banques de données

La validité des résultats obtenus à partir de l’utilisation des données mesurées est fortement corrélée à la qualité de la banque de données utilisée comme référence. Le contrôle de qualité est donc la première étape à effectuer dans le processus de validation des données mesurées. Cette étape est essentielle, elle devrait permettre de détecter des problèmes instrumentaux tels que pannes

Figure 3 Illustration de l’analyse d’horizon pour deux sites extrêmes de la région genevoise: Troinex et Dardagny.

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de senseurs, dérives de calibration, problèmes d’orientations, de suivi du soleil, de consistance entre paramètres, etc. Une procédure rigoureuse de contrôle de qualité doit donc être adoptée, si possible de façon suivie et automatique, une détection a posteriori de certains problèmes étant très difficile, voire impossible. A ce stade, seules des hypothèses de travail peuvent être avancées.

Les éléments restants à vérifier sont les suivants:

- le temps enregistré dans la banque de donnée,

- les coefficients de calibration des senseurs permettant de passer d’une valeur électrique à une valeur physique,

- la cohérence entre les différents paramètres mesurés (redondance entre les rayonnements global, diffus et direct)

2.2.1 Heure d’acquisition

De façon à détecter un éventuel décalage de temps dans la banque de données, la symétrie de l’irradiance solaire par temps clair et par rapport au midi solaire est examinée. Les irradiances directe normale et global horizontale sont tracées en fonction de la hauteur du soleil sur l’horizon.

Si la date et l’heure sont correctes, les courbes d’après-midi devraient se confondre à celles du matin. Cependant, des exceptions peuvent apparaître au cas où la turbidité atmosphérique varie au cours de la journée, variations dues par exemple aux effets de vent ou de topographie. Dans ce cas, l’irradiance par ciel clair peut être sensiblement différente entre le matin et l’après-midi, plus particulièrement pour le rayonnement direct.

Si ce test est positif, une vérification peut être faite sur la banque de données entière avec l’aide des indices de clarté global K_t direct K_b défini respectivement comme suit:

) sin(h I

K G

o t = ⋅ h

^o

b In

K = B

où G_h représente le rayonnement global horizontal, B_n le rayonnement direct normal aux rayons du soleil, I_o le rayonnement extra-atmosphérique (modulé par la distance terre-soleil), et h la hauteur du soleil sur l’horizon. L’indice de clarté est ensuite représenté sur un graphique en fonction de la hauteur du soleil, de façon distincte pour les données du matin et celles de l’après-midi. Les limites supérieures du matin et de l’après-midi, représentatives de valeurs mesurées par ciel clair devraient être confondues comme illustré sur la Figure 4 pour le site de Genève et huit années de données, où les valeurs du matin sont en bleu et les valeurs de l’après-midi en rouge. Le rayonnement théorique par ciel clair calculé au moyen du modèles Solis [Ineichen 2008] est également représenté sur le graphique au moyen de points jaunes.

Figure 4 Indice de clarté global et direct représentés séparément pour le matin (en bleu) et pour l’après-midi (en rouge) en fonction de la hauteur du soleil. Le rayonnement théorique par ciel clair est également représenté (en jaune).

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2.2.2 Calibration des senseurs de rayonnement

Les sondes de rayonnement devraient être calibrées par comparaison avec un étalon secondaire, du même type que ceux utilisés pour l’acquisition, avant le début de la période d’acquisition, et par la suite, si possible, chaque année. En raison des erreurs et des inexactitudes possibles, il est difficile d’effectuer une calibration a posteriori. L’étalon secondaire est lui-même calibré régu- lièrement soit au moyen d’un radiomètre absolu, soit en l’envoyant au World Radiation Center à Davos. Une illustration est donnée sur la Figure 5.

L’étalon secondaire est ensuite utilisé en parallèle sur chacun des sites pour une vérification de la calibration du senseur de rayonnement (voir section 3.)

Pour une vérification à posteriori des coefficients de calibration, il est possible d’effectuer une comparaison entre deux stations proches l’une de l’autre, pour autant qu’elles soient dans une même zone climatique. Dans ce cas, la comparaison se fait au moyen de graphiques représentant le rayonnement en fonction du jour de l’année. En superposant les mesures des deux sites, les limites supérieures des mesures doivent être confondues pour les deux sites. Une illustration est donnée sur la Figure 6 où les valeurs mesurées sur le site de Battelle sont comparées à celle de Bernex pour l’année 2012 et respectivement pour les rayonnements global et direct.

La comparaison peut également se faire par comparaison directe des valeurs de ciels clairs. Pour cela, la valeur horaire de rayonnement la plus élevée est extraite pour chaque jour, puis seules les valeurs de ciel clair sont sélectionnées pour la comparaison. Une regression linéaire est ensuite appliquée entre les valeurs des deux stations à comparer. La pente de la droite de régression doit

Figure 5 Kipp+Zonen CM10 en calibration (à gauche) et certificat de calibration (à droite)

Figure 6 Comparaison des valeurs de rayonnements maximum pour deux sites de mesures

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être égale à l’unité pour une concordance des coefficients de calibration des senseurs. Un exemple est illustré sur la Figure 7 pour une comparaison entre le site de Battelle et celui de Bernex.

2.2.3 Cohérence des paramètres

La cohérence entre les paramètres de rayonnement est vérifiée au moyen de l’équation de redondance entre les trois rayonnements direct, diffus et global. Si seul deux des rayonnements sont mesurés, une visualisation de la cohérence peut être effectuée au moyen de la fraction diffuse et des indices de clarté définis plus haut. La Figure 8 illustre cette vérification, où les valeurs mesurées de la fraction diffuse et de l’indice de clarté direct sont représentées en fonction de l’indice de clarté global. Sur ces mêmes graphiques sont tracées quatre courbes représentatives du rayonnement par ciel clair évalué au moyen du modèle Solis pour quatre valeurs de turbidité.

Les valeurs mesurées ne devraient pas s’écarter trop fortement des valeurs de ciel clair.

3. Campagne de calibration des stations AgroMétéo

Une campagne de calibration a été effectuée durant l’été 2013. Pour cela une station mobile a été développée comprenant une sonde de température/humidité Rotronic, un pyranomètre CM11 de Kipp+Zonen et un datalogger Campbell CR10X. De façon à être compatible avec les chaînes AgroMétéo, la sonde température/humidité était montée sous abri et non ventilée. Le pyranomètre était fixé sur cardan de façon à s’affranchir d’un nivelage difficile à effectuer sur le terrain à 2.5 m du sol. Une vue d’ensemble de la chaîne mobile est donnée sur la Figure 9, le détail du cardan est illustré sur la Figure 10.

L’acquisition est effectuée durant une à deux semaines sur chaque site de façon à couvrir un éventail complet de conditions météorologiques. Les mesures sont effectuées toutes les 10 se-

Figure 7 Comparaison des valeurs horaires de rayonnement les plus élevées de chaque jours entre Battelle et Bernex.

Figure 8 Fraction diffuse et indice de clarté direct en fonction de l’indice de clarté global. Quatre courbes représentatives de ciel clairs de turbidité différentes sont également tracées sur les graphiques

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condes, intégrées par minute et enregistrées; elles sont ensuite agrégées en valeurs horaires pour correspondre aux mesures disponibles sur le portail d’AgroMétéo.

La calibration des senseurs se fait ensuite par comparaison directe en faisant en parallèle de la station AgroMétéo l’acquisition indépendante de l’irradiance solaire, de la température ambiante à 2 m et de l’humidité relative.

3.1 Comparaison de l’irradiance solaire

L’irradiance solaire ne peut être comparée directement sans effectuer un tri des données horaires.

En effet, les senseurs utilisés pour l’acquisition ont des temps de réponse différents, et peuvent être ombrés différemment selon les obstacles présents sur l’horizon, ainsi que par les passages nuageux. Par ailleurs notre acquisition est effectuée toutes les minutes, alors que celle des stations AgroMétéo toutes les 10 minutes. Dans ce contexte, les valeurs horaires pour lesquelles l’écart entre les deux senseurs dépasse 10% ou 50 [Wh/m²h] sont éliminées de la comparaison.

De façon à tenir compte de l’éventuelle différence de calibration des senseurs, une pré-calibration est effectuée sur toutes les valeurs avant la comparaison effective. Une régression linéaire est ensuite effectuée pour définir l’écart de calibration. Un exemple est donné sur la Figure 11 (gauche) pour le site de Lullier.

Le suivi de la calibration est effectué par comparaison avec les mesures effectuées en continu

Figure 9 A gauche, chaîne d’acquisition mobile Figure 10 Détail du cardan de support du pyrano-mètre

Figure 11 Calibration du rayonnement pour le site de Lullier par comparaison avec la station mobile (à gauche) et comparaison des sites de Lullier et Battelle pour les valeurs horaires les plus élevées du jour (à droite)

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par le Groupe systèmes énergétiques de l’Université de Genève sur le site de Battelle. La comparaison ne peut se faire ici directement. En effet, les sites pouvant être assez éloignés du site de référence, les conditions d’horizon et d’ensoleillement peuvent différer de façon plus ou moins importante. Pour effectuer la comparaison, on fera l’hypothèse que par beau temps, le taux d’aé- rosols et de vapeur d’eau atmosphérique est relativement homogène sur le plateau genevois, et qu’ainsi le rayonnement sera sensiblement le même en tout point de la région. Ce sont donc les valeurs maximales de rayonnement qui seront comparées. Pour cela, pour chaque jour, la valeur horaire la plus élevée est sélectionnée, et seules seront retenues les valeurs acquises pour des conditions claires. Une régression linéaire sur ces valeurs est ensuite effectuée pour obtenir un coefficient indicatif de calibration (Figure 10, droite).

3.2 Dérive de calibration

La comparaison de différentes années d’un même site ou d’une même année de sites différents permet l’analyse de la dérive du coefficient de calibration du senseur de rayonnement. Pour pro- céder à cette comparaison, on s’intéresse aux conditions de ciel clair, c’est-à-dire aux valeurs horaires maximales de la journée; ces valeurs correspondent à la limite supérieure du rayonnement ou celles d’un paramètre lié au rayonnement comme l’indice de clarté K_t (rayonnement global G_h normalisé par le rayonnement extra-atmosphérique correspondant).

Le site qui illustre cette dérive est celui de Bernex, où l’on peut constater une diminution graduelle du rayonnement mesuré. Sur la Figure 12, le rayonnement horaire du site AgroMétéo de Bernex est superposé au rayonnement horaire mesuré sur le site de référence de Battelle. Sur le même graphique est également représentée une courbe verte correspondant à des conditions claires, de taux d’aérosols et d’humidité atmosphérique constants. La dégradation du senseur est ici d’environ 4% par année. Cette dégradation peut être due au vieillissement de la cellule, et/ou au dépôt de poussières et pollens sur celle-ci.

3.3 Comparaison de la température ambiante

Les valeurs horaires de la température peuvent être comparées directement heure par heure.

En raison de la différence d’inertie des sondes et de la méthode d’acquisition, quelques valeurs s’écartent de plus de 1°C de la sonde de référence. Afin que ces valeurs ne biaisent pas les

Figure 12 Comparaison des mesures du site de Bernex avec celles du site de référence de Battelle. Le rayonnement par ciel clair est également représenté par la courbe verte pour des conditions constante d’aérosols et de vapeur d’eau

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résultats, elles ont été éliminées de la régression de calibration. A titre d’exemple, la Figure 13 représente la calibration de la sonde de Lullier. On constate pour ce site un biais systématique négligeable d’un demi-degré, et un léger défaut de calibration de 5%.

3.4 Comparaison de l’humidité relative

La comparaison de l’humidité relative se fait également heure par heure. La précision de mesure de ce paramètre est de l’ordre de 5%, ce qui conduit à des comparaisons également moins précises, soit au niveau de la fluctuation ou au niveau de la calibration. Ici également, la pente de comparaison devrait s’approcher de l’unité. Dans l’illustration de la méthode à la Figure 14 pour le site de Lullier, on constate un défaut de calibration de 8% et une saturation des mesures au-dessus de 90% d’humidité relative.

3.5 Résultats de la campagne de calibration

Les points principaux à retenir de cette campagne de calibration sont les suivants:

- Anières: déficit de 3% pour les valeurs de température, bonne corrélation des mesures d’humidité horaires, environ 7% à 10% de surestimation du rayonnement global G_h. - Bernex: les valeurs de température et d’humidité horaires sont calibrées correctement,

Figure 13 Graphe de calibration de la tempé- rature

Figure 14 Calibration de la sonde d’humidité, les valeurs en rouge sont exclues en raison d’une saturation du senseur.

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le coefficient du rayonnement global G_h se détériore au cours du temps d’environ 4%

par an.

- Commugny: léger biais de -0.7° sur la température, les valeurs d’humidité horaires sont calibrées correctement, le coefficient du rayonnement global G_h se détériore progressivement pour atteindre -12% en 2013.

- Dardagny: les valeurs de température et d’humidité horaires sont calibrées correcte- ment, le coefficient du rayonnement global G_h a été ajusté en 2012.

- La Plaine: les valeurs de température et d’humidité horaires sont calibrées correcte- ment, surestimation systématique du rayonnement global G_h d’environ 8%.

- Lullier: les valeurs de température sont biaisées, la sonde d’humidité sature et mesure environ 10% d’humidité de trop, le rayonnement global G_h est surestimé d’environ 6%, l’abattage de l’arbre est visible en juillet 2013.

- Lully: les valeurs de température sont biaisées, celles d’humidité horaires sont en moyenne correctes, bien qu’assez dispersées, le coefficient du rayonnement global G_h est trop élevé de 10-15% et assez fluctuant.

- Peissy: les valeurs de température sont biaisées et non linéaires, les valeurs d’humidité sont calibrées relativement correctement, le rayonnement global G_h est en moyenne calibré assez correctement.

- Satigny: léger biais dans la température, l’humidité est calibrée correctement, le rayonnement global G_h est calibré correctement.

- Soral: en raison de problèmes techniques, ce site n’a pas pu être calibré selon la procédure décrite ci-dessus. La calibration est effectuée par comparaiosn avec les mesures de Battelle pour le rayonnement global G_h.

De façon générale, les sondes de températures et d’humidité sont calibrées correctement. En ce qui concerne le rayonnement, des variations importantes sont à noter. Ce paramètre n’étant pas primordial pour la gestion de maladies phytosanitaires, il n’influence pas sur les recommandations du site. Par contre, si les données à disposition sont prévues à des fins de simulation ou validation d’installation solaire, elles sont à utiliser avec précautions. Nous avons néanmoins procédé à une correction des valeurs mesurées suite aux résultats obtenus ci-dessus, c’est-à-dire un reposi- tionnement au niveau du temps, et une adaptation de la calibration du senseur de rayonnement.

Les résultats de la comparaison sont résumés sur des fiches, une par site, sur laquelle sont don- nés (voir annexe):

- la situation géographique,

- l’horizon proche et géographique du site,

- les graphes de calibration du rayonnement, de la température et de l’humidité relative, - les graphes des conditions météorologiques durant la période de calibration (rayon-

nement global, diffus et direct, température et humidité),

- deux graphes de l’indice de clarté représentant les mesures de Battelle auxquelles sont superposées celle de la station en valeurs brutes et après application d’un facteur de correction déterminé par la calibration,

- évolution des mesures du site comparées à celles de Battelle pour la période 2008 à 2013.

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4. Analyse des mesures

Les trois mesures communes à tous les sites d’acquisition sont le rayonnement global horizontal G_h, la température ambiante T_a et l’humidité relative HR. L’analyse portera sur les paramètres de rayonnement, de température et d’humidité.

4.1 Rayonnements

Pour la plupart des applications solaires, il est nécessaire de connaître le rayonnement global sur un plan incliné ou vertical. L’évaluation de ce rayonnement à partir de la seule connaissance du rayonnement global horizontal passe par l’utilisation d’un modèle de séparation et un modèle de transposition du rayonnement. Dans ce but, nous avons évalué le rayonnement direct pour tous les sites AgroMétéo au moyen du modèle de séparation du rayonnement de Skartveit et Olseth [1998], puis appliqué le modèle de transposition de Perez [1987] pour obtenir le rayonnement sur divers plans inclinés.

Pour la comparaison entre différents sites, nous avons utilisé les mesures de Battelle comme référence. Il s’agit d’un site semi-urbain, d’horizon assez bien dégagé. La station est située sur un immeuble de 7 étages et subit quelque peu l’influence de l’immeuble en ce qui concerne la température et l’humidité. Pour les stations AgroMétéo, elles sont toutes situées au niveau du sol, en général sur un terrain herbeux.

Nous avons en premier lieu vérifié la calibration du senseur de rayonnement global en traçant les valeurs horaires par ciel clair du site à tester en fonction des valeurs du site de Battelle pour les rayonnements global et direct. Les valeurs devraient se situer sur la diagonale 1:1 du graphique, l’écart par rapport à la pente unité est également indiqué. Le même graphique est tracé pour les valeurs horaires maximales de chaque jour. Une illustration est donnée sur la Figure 15 pour le site de la Prairie.

Dans un deuxième temps, nous avons vérifié la cohérence des composantes du rayonnement mesuré ou calculé selon les critères énoncés à la section 2.2.3. Pour les sites de la plateforme AgroMétéo, le rayonnement direct est calculé au moyen du modèle de Skartveit. Il en résulte un artefact visible sur les graphiques pour des conditions très peu troubles et des valeurs élevées d’indice de clarté (en bas à droite du graphique de fraction diffuse et en haut à droite du graphique d’indice de clarté direct). Cet effet est la conséquence de la méthode de sélection des valeurs de ciel clair évaluées par modèle. La Figure 16 illustre cet effet pour le site d’Anières.

Figure 15 Rayonnement global horizontal par ciel clair du site de la Prairie en fonction de celui du site de Battel (à gauche). Valeurs horaires maximales du jour pour le rayonnement direct (à droite)

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En ce qui concerne les valeurs de rayonnement annuelles, la comparaison est difficile à effectuer directement. En effet, les senseurs ne sont pas tous les mêmes, ont été calibrés dans des conditions clairs, et la linéarité de leur réponse par rapport à notre senseur de Battelle n’est pas toujours vérifiée. Par ailleurs, les horizons ne sont pas non plus comparables. Néanmoins, les sites de Commugny et de La Plaine se distinguent par un déficit d’environ 8% du rayonnement global perçu sur un plan perpendiculaire aux rayons du soleil en raison de leur horizon proche plus élevé.

4.2 Température et humidité relative

Un des buts du projet réside en l’étude comparative des températures et de l’humidité relative.

La station située sur le site de Battelle étant la station principale elle sert de référence pour la comparaison, et tous les sites seront exprimés en fonction de celle-ci.

4.2.1 Comparaison des températures

La comparaison des sites non-AgroMétéo montre que le site de Cointrin (rural) présente des températures minimales inférieures d’environ 1.4°C par rapport à celles de Battelle (semi-urbain).

A l’opposé et conformément à notre attente, le site urbain de la Prairie présente des températures minimales plus élevées d’environ 1.1°C par rapport au site de Battelle. Ces effets sont illustrés sur la Figure 17 pour ces deux sites. Par contre, les températures maximales présentent des valeurs assez similaires pour les trois sites. Si l’on se réfère à la température moyenne journalière, aucun effet particulier ne peut être mis en évidence.

Ces tendances sont confirmées par l’analyse des fréquences cumulées de température pour ces deux sites. En effet, sur la Figure 18, on constate que les courbes des températures maximales sont très proches l’une de l’autre, alors que les courbes de fréquence des températures moyennes

Figure 16 Fraction diffuse et indice de clarté direct en fonction de l’indice de clarté global pour le site AgroMétéo d’Anières.

Figure 17 Comparaison des températures extrêmes sur le site de Cointrin (à gauche, ISM) et de la Prairie (à droite, hépia)

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et minimales sont systématiquement décalées, positivement pour le site de la Prairie par rapport au site de Battelle, et négativement pour le site rural de Cointrin.

Pour les autres sites, deux tendances principales sont mises en évidence: les sites d’Anières, de Bernex et de Dardagny présentent des valeurs minimales d’environ 1°C plus basses que le site de Battelle. Pour les sites de Commugny, Lullier, Lully, Peissy, Satigny et Soral, le déficit est de l’ordre de 1.7°C. Ces deux valeurs moyennes de déficit de températures minimales sont illustrés sur la Figure 19 par des traitillés respectivement vert et rouge, entourés de plus et moins un écart standard, les valeurs de tous les sites sont données dans la table II.

Table II Ecarts moyens de température entre le site de référence de Battelle et les autres sites

La petite différence visible entre le site de Bernex UniGe et celui de Bernex AgroMétéo peut être attribuée à la situation des sondes de mesure: sur herbe pour la station AgroMétéo, et sur le toit d’un bâtiment pour le site de l’université. Ces effets sont illustrés sur la Figure 20 pour le site de Bernex à gauche et celui de La Plaine à droite.

En ce qui concerne le site de La Plaine on constate un déficit de 2,6°C sur les températures minimales journalières. Ce site se situe dans un «lac d’air froid» au bord de l’Allondon, au pied d’une petite colline, ce qui explique ce déficit.

Figure 18 Comparaison des fréquences cumulées des températures extrêmes et moyennes pour le site de Cointrin (à gauche, ISM) et de la Prairie (à droite, hépia)

Figure 19 Ecarts moyens de température entre le site de référence de Battelle et les autres sites

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4.2.2 Comparaison de l’humidité

En ce qui concerne la quantité de vapeur d’eau contenue dans l’atmosphère, les résultats sont plus difficiles à interpréter. En effet, celle-ci est mesurée par le biais de l’humidité relative, paramètre assez difficile à mesurer de façon exacte. Par ailleurs, on a pu constater lors des calibrations sur site des valeurs saturées, des effets non-linéaires dus aux différences de température ainsi qu’une forte dispersion par rapport au site de Battelle pour la plupart des sondes. Néanmoins, les valeurs mesurées sur les sites AgroMétéo sont toutes comprises dans la marge de précision des sondes d’humidité relative, soient quelques pourcents d’écarts avec le site de Battelle.

De gros écarts apparaissent pour les mesures du site de la Prairie dus à une sonde mal calibrée.

Celle-ci a été changée dans le courant de 2015. Les valeurs mesurées avant 2015 sont donc à utiliser avec précautions.La Figure 21 Illustre cette erreur de calibration pour une comparaison avec le site de Battelle en 2013 avant- et en 2016, après le changement de la sonde.

Figure 20 Comparaison des températures extrêmes et moyennes pour le site de Bernex et le site de La Plaine

Figure 21 Comparaison des mesure de la vapeur d’eau condensable avant et après le changement de la sonde sur le site de la Prairie.

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5. Accès aux données

Pour tous les sites AgroMétéo, nous avons recalé les valeurs horaires sur l’heure civile d’hiver, corrigé le rayonnement global horizontal par rapport à notre étalon de référence, évalué par modèle les rayonnements direct et diffus, les rayonnements globaux incidents sur les 4 plan verticaux, sur un plan orienté au sud et incliné à 45°, sur les trois plans est, sud et ouest inclinés à 35°, ainsi que sur un plan maintenu perpendiculairement aux rayon du soleil. Nous avons ensuite agrégé ces données en valeurs journalière, mensuelle et annuelles. Toutes ces données sont en libre accès sur notre site, moyennant une citation du projet AgroMétéo (cf. Figure 22).

6. Conclusions

Sur les 13 sites d’AgroMétéo de la région genevoises, nous avons éliminé de notre étude le site de Troinex en raison d’un horizon proche trop important, et les sites de Tannay et de Meinier en raison d’un horizon proche légèrement trop élevé et d’un accès difficile. Pour les 10 sites restants, l’accès à des données complètes depuis 2010 est possible pour 8 sites, alors que les années 2014 et 2015 manquent pour le site de Lully, et les années 2013 à 2015 pour le site de Soral.

Pour tous les sites, nous avons mis en évidence un léger décalage du temps dans la banque de données, décalage que nous avons corrigé dans les données mises à disposition sur notre site.

La calibration des senseurs de rayonnement, de température et d’humidité relative a été vérifiée par rapport à nos étalons secondaires. Il en est résulté des écarts et des dérives de calibration pour la mesure du rayonnement que nous avons adaptés dans les banques de données mises à disposition, alors que les valeurs des sondes de température et d’humidité ont été confirmées.

Excepté pour les site de Commugny et de La Plaine, les rayonnements sont comparables sur tous les sites. Le déficit rencontré sur ces deux sites est imputable à un horizon proche moins dégagé.

En ce qui concerne les températures, les valeurs maximales sont relativement similaires sur toute la région genevoise, alors que pour les températures minimales, plusieurs tendances sont mises en évidence par cette étude:

Figure 22 Accès aux données AgroMétéo sur notre site internet

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- le site urbain de la Prairie présente des valeurs minimales plus chaudes d’environ 1.2°C que notre référence de Battelle,

- les sites d’Anières, des Bernex et de Dardagny sont généralement plus frais d’environ 1°C en valeurs minimales,

- les sites de Commugny, Lullier, Lully, Satigny et Soral présentent des minima proches des valeurs mesurées sur le site rural de Cointrin par MétéoSuisse,

- enfin le site de La Plaine situé dans un lac d’air froid proche de l’Allondon est plus froid d’environ 2.6°C par rapport à notre site de référence de Battelle en valeurs minimales.

La quantité d’eau précipitable est similaire pour tous les sites. En effet, celle-ci est représentative de la colonne d’eau atmosphérique et sa variation spatiale est relativement faible.

6. Remerciements

Ce travail a été effectué grâce au financement des Services Industriels de Genève sous forme d’un partenariat avec l’Université de Genève dans le cadre du projet DataRen.

Les données originales AgroMétéo ont été téléchargées sous forme horaire à partir du site de la confédération www.agrometeo.ch, les données de Cointrin à partir du site idaweb de MeteoSuisse.

7. Référence

P. Ineichen (2008) A broadband simplified version of the Solis clear sky model, Solar Energy 82, pp 758–762

P. Ineichen (2013) Solar radiation resource in Geneva : measurements, modeling, data quality control, format and accessibility.

(http://archive-ouverte.unige.ch/unige:29599)

Perez R., Seals R., Ineichen P., Stewart R., Menicucci D. (1987) A new simplified version of the Perez diffuse irradiancemodelfor tilted surfaces. Solar Energy, Vol. 39, N°3, pp221-231.

A. Skartveit, J.A. Olseth, M.E. Tuft (1998) An hourly diffuse fraction model with correction for va- riability and surface albedo, Solar Energy Vol. 63, No. 3, pp. 173–183

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Calibration des stations AgroMétéo de la région genevoise

Annexe I

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Calibration de la température T_a

Calibration de l’humidité relative HR Calibration du rayonnement global G_h

Vue du site

Horizon de la station AgroMétéo avec l’horizon géogra- phique lointain, l’horizon proche ainsi que les trajectoires apparentes du soleil au cours de l’année.

Soral

Situation:

latitude: 46,22°

longitude: 6.04°

altitude: 443m

Remarques:

ð l’horizon est bien dégagé,

ð Gh calibré sur les valeurs maximales, sur-estimation des valeurs moyennes, ð aucune calibration effectuée sur site.

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Evolution des mesures de la station AgroMétéo comparée à celles du site de Battelle Indice de clarté K_t en fonction de la hauteur du soleil, avant et après correction Conditions météorologiques durant la période de calibration

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Analyse des données des stations AgroMétéo de la région genevoise

Annexe II

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Légendes

Figure A1a Rayonnement global horaire du site étudié en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A1b Valeur horaire maximale journalière du rayonnement global en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A2a Rayonnement direct horaire du site étudié en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A2b Valeur horaire maximale journalière du rayonnement direct en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A3a Fraction diffuse en fonction de l’indice de clarté global pour le site de Battelle (bleu) et celui du site étudié (vert)

Figure A3b Indice de clarté direct en fonction de l’indice de clarté global pour le site de Battelle (bleu) et celui du site étudié (vert)

Figure A4a Rayonnement global en fonction du jour de l’année pour des conditions claires Figure A5 Température ambiante horaire du site étudié en fonction de celle du site de Battelle Figure A6 Valeur moyenne journalière de la température ambiante du site étudié en fonction de

celle du site de Battelle

Figure A7 Fréquence d’occurrence cumulée des maxima, moyenne et minima journaliers de la température horaire

Figure A8 Valeurs horaires minimales et maximales de la température ambiante du site étudié en fonction de celles du site de Battelle

Figure A9 Colonne d’eau précipitable horaire du site étudié en fonction de celle du site de Bat- telle

Figure A10 Moyennes journalières de la colonne d’eau précipitable du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

Figure A10 Humidité relative en moyennes horaires du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

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Figure A1a Rayonnement global horaire du site étudié en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A2a Rayonnement direct horaire du site étudié en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A3a Fraction diffuse en fonction de l’indice de clarté global pour le site de Battelle (bleu) et celui du site étudié (vert)

Figure A4a Rayonnement global en fonction du jour de l’année pour des conditions claires

Figure A1b Valeur horaire maximale journalière du rayonnement global en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A2b Valeur horaire maximale journalière du rayonnement direct en fonction de celui du site de Battelle pour des conditions clairs

Figure A3b Indice de clarté direct en fonction de l’indice de clarté global pour le site de Battelle (bleu) et celui du site étudié (vert)

Figure A4b Rayonnement direct en fonction du jour de l’année pour des conditions claires

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Figure A5 Température ambiante horaire du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

Figure A7 Fréquence d’occurrence cumulée des maxima, moyenne et minima journaliers de la température horaire

Figure A9 Colonne d’eau précipitable horaire du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

Figure A6 Valeur moyenne journalière de la température ambiante du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

Figure A8 Valeurs horaires minimales et maximales de la température ambiante du site étudié en fonction de celles du site de Battelle

Figure A10 Moyennes journalières de la colonne d’eau précipi- table du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

Figure A10 Humidité relative en moyennes horaires du site étudié en fonction de celle du site de Battelle

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