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Mesure les flux radiatifs telluriques et solaires

Lille
M'Bour

Cet équipement permet la mesure des flux radiatifs tellurique (LW) ainsi que le flux radiatifs solaires (SW) direct et diffus. Ces mesures sont effectuées en continu depuis février 2007. Elles sont acquises en temps quasi-réel avec affichage sur le site web du LOA.

  • La mesure du flux radiatif tellurique (LW) est effectuée à l’aide d’un pyrgéomètre Kipp & Zonen de type CGR4. Le CGR4 est composé d’un détecteur plan horizontal muni d’un système optique afin d’intégrer le rayonnement descendant sur tout le demi-espace dans une bande passante spectrale couvrant le domaine 4,5 à 42 µm (Figure 1a).
  • La mesure du flux solaire direct (SWD) sous incidence normale est effectuée à l’aide d’un pyrhéliomètre Kipp & Zonen de type CH1 dont la bande passante spectrale couvre le domaine 0,3 à 3,7 µm (Figure 1b).
  • La mesure du flux solaire diffus (SW) est effectuée à l’aide d’un pyranomètre Kipp & Zonen de type CMP22. Le CMP22 est composé d’un détecteur plan horizontal muni d’un système optique afin d’intégrer le rayonnement descendant sur tout le demi-espace dans une bande passante spectrale identique au CH1. Le flux diffus est obtenu grâce à un "shadower" qui occulte le rayonnement solaire direct sur le pyranomètre.

L’ensemble est monté sur un suiveur solaire ("sun tracker") qui permet en permanence, à la fois au pyrhéliomètre de viser le soleil et au "shadower" d’occulter le rayonnement solaire direct.


Figure 1 : a : Bande passante spectrale du CGR4
b : Bande passante spectrale du CMP22 et du CH1

Les sources d’incertitude de mesure sont de différentes nature :

1. Réponse en cosinus du CMP22
La valeur théorique de la tension de sortie pour un éclairement sous incidence θ est :
est la tension de sortie pour un éclairement sous incidence normale.
Or, la tension de sortie réelle mesurée pour l’angle d’incidence θ est différent. Soit sa valeur.
L’écart relatif (nommé réponse en cosinus) est reporté dans le Tableau ci-dessous (il dépend également de l’azimut) :

Angle d’incidence Sud Est Nord Ouest
40° 0.59 0.58 0.45 0.18
60° 0.98
70° 1.29 1.26 1.24 1.22
80° 2.26
Tableau 1 : Erreur relative de réponse en cosinus suivant l’azimut.

2. Horizontalité du CMP22 et visée correcte du soleil du CH1
Un réglage correct de ces deux paramètres est essentiel pour la qualité de la mesure.

3. Variation de la sensibilité des instruments avec la température des capteurs

4. Évolution temporelle des sensibilités

  • Spyrge (CGR4) : < - 0.4% /an
  • Spyrhe (CH1) : < - 0.3%/an
  • Spyran CMP22 : < ± 0.25%/an

5. Précision des mesures

Toutes les précautions citées étant prises en compte, on obtient les incertitudes suivantes :

CMP22 : ∼ 5 Wm-2

CH1 : ∼ 1 Wm-2

CGR4 : ∼ 5 Wm-2

  • 1. Flux radiatif tellurique (LW) exprimé en Wm-2.

    Il est donné par la relation : . Dans cette relation :
    Tb est la température (Kelvins) du boitier du pyrgéomètre,
    σ est la constante de Stefan-Boltzmann (Wm-2K-4),
    Upyrge est la tension de sortie de l’instrument (µV),
    Spyrge est la sensibilité du capteur (µV/Wm-2).
  • 2. Flux radiatif solaire direct (SWD) sous incidence normale exprimé en Wm-2.

    Il est donné par la relation : , où :
    Upyrge est la tension de sortie de l’instrument (µV),
    Spyrge est la sensibilité du capteur (µV/Wm-2).
  • 3. Flux radiatif solaire diffus (SW) exprimé en Wm-2.

    Il est donné par la relation : , où :
    Upyrge est la tension de sortie de l’instrument (µV),
    Spyrge est la sensibilité du capteur (µV/Wm-2).
  • 4. Flux radiatif solaire global (Wm-2) est déduit des points (2) et (3) :

    , où :

    l’angle solaire zénithal θs est obtenu d’après la latitude et la longitude du lieu, le numéro du jour dans l’année et l’heure T. U.
Exemples de détermination de propriétés radiatives et optiques intégrées dans les domaines SW et LW
1. Cas Ciel 'clair' (24/08/2016)
Visualisation lidar de l’atmosphère

H. T. U.
Flux descendants LW global et SW direct, diffus et global

2. Cas d’un banc de cirrus (06/05/2016)
Visualisation lidar de l’atmosphère

H. T. U.
Flux descendants LW global et SW direct, diffus et global


3. Cas d’une couche d’aérosols (17/03/2016)
Visualisation lidar de l’atmosphère

H. T. U.
Flux descendants LW global et SW direct, diffus et global


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Le Laboratoire d'Optique Atmosphérique est une Unité Mixte de Recherche du CNRS et de l'Université de Lille - Sciences et Technologies, spécialisée dans l'étude des nuages, des aérosols, de leurs précurseurs et de leurs impacts environnementaux (climat, pollution).

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