CASPER

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CAlibration et validation SPEctrale du Rayonnement solaire
dans les modèles atmosphériques

Coordinateur Quentin Libois
Correspondants CNRM-GAME Quentin Libois
Équipes CNRM-GAME GMME/PHYNH, GMEI/4M
Site Internet du projet
Type Campagne de mesures
Début 02/18
Durée 3 ans

 Objectifs

L’objectif principal du projet est d’améliorer la simulation du rayonnement solaire dans les modèles atmosphériques, et en particulier dans le modèle Méso-NH. Cela implique de comprendre quels processus expliquent les différences avec les mesures in situ de rayonnement (Kancler et al., 2005), pour mieux raffiner les paramétrisations associées.
Pour répondre à cet objectif, nous souhaitons constituer un jeu de mesures d’irradiance spectrale de grande qualité et continu dans le temps, plus apte à nous éclairer sur les défauts des modèles que des mesures large-bande (Bernhard et al., 1997). Un tel jeu permettra de faire des choix raisonnés de paramétrisations.
Ceci nécessite le développement d’un instrument autonome de mesure d’irradiance spectrale, dont la calibration absolue est un élément essentiel. Ce projet s’inscrit dans une volonté plus large de bâtir un réseau de mesure qui puisse ultimement compléter les réseaux existants en proposant une résolution spectrale plus fine permettant d’étudier les processus radiatifs en détail.
De telles mesures hyperspectrales existent déjà mais sont principalement utilisées pour caractériser l’atmosphère. Des simulations permettent ensuite de quantifier l’impact radiatif de chaque constituant étudié. Ce type de télédétection repose cependant sur des hypothèses fortes, qui ne font qu’accentuer l’incertitude quant à l’impact radiatif effectif de chaque contributeur. En mesurant directement l’effet des ces contributeurs sur l’irradiance solaire on s’intéresse à leur forçage radiatif, évitant ainsi la succession d’hypothèses incertaines. Le rayonnement spectral à la surface permet en quelque sorte d’appréhender la complexité des éléments dont il résulte, sans chercher à caractériser exactement ces éléments. Il est par exemple plus facile de mesurer une irradiance en surface que la structure géométrique et microphysique complexe du nuage dont il résulte.

 Description du projet

La première étape du projet consiste à développer un spectromètre solaire autonome, qui devra être robuste, hermétique, et stable. L’instrument sera installé sur le site de la Météopole à Toulouse, mais il pourrait être déployé temporairement ailleurs afin de ne pas limiter la validation des modèles à un seul site de mesure.
Dans un premier temps, un instrument couvrant la gamme spectrale 200-1100 nm sera mis en place, avec la possibilité de le compléter ultérieurement par un instrument couvrant la gamme 900-2500 nm et basé sur une technologie de détecteur plus onéreuse. La résolution spectrale sera de 1 nm environ, avec là-aussi la possibilité de l’augmenter dans le futur.
Une fois la chaîne optique de l’instrument finalisée, sa calibration absolue se fera en 3 étapes, à commencer par une validation en laboratoire réalisée par le fournisseur du spectromètre à partir d’une lampe de calibration. Une fois installé in situ, un spectromètre calibré de manière absolue (par exemple le SVC HR1024 détenu conjointement par le CNRM et l’IGE) pourra être déployé à ses côtés pour vérifier la calibration. Enfin, des simulations de transfert radiatif pour des conditions atmosphériques bien caractérisées (ciel clair, radiosondage disponible) permettront de valider les mesures effectuées en continu. Si cela s’avère nécessaire, une lampe de calibration sera utilisée pour effectuer des calibrations plus régulièrement que celles effectuées par le fournisseur.
Plusieurs configurations sont envisagées pour l’installation à demeure de l’instrument. L’enceinte contenant le spectromètre et l’ordinateur de contrôle de l’instrument peut être placée directement sous le récepteur de lumière, ou à distance de fibre optique si le collecteur est installé en hauteur (Figure 3). La seconde configuration est plus appropriée si des mesures d’albédo spectral devaient être réalisées à l’avenir. Il est possible d’ajouter un système permettant d’estimer le rayonnement diffus, par exemple basé sur le principe du RSS. Une telle séparation des flux direct et diffus est utile pour étudier par exemple le facteur d’asymétrie des aérosols ou des nuages (Michalsky et al., 2006).

 Livrables ou résultats attendus

Du point de vue technique, le premier résultat attendu est de parvenir à mettre en place un système de mesure autonome de l’irradiance solaire à haute résolution spectrale ( 1 nm), haute résolution temporelle (<1 min) et de grande précision (erreurs <1 %).
Les séries de mesure obtenues permettront de quantifier la variabilité temporelle et spectrale du rayonnement solaire incident, et de l’attribuer à des processus physiques. Des situations particulières (épisode de froid, convection, brume etc. ) pourront être identifiées et étudiées spécifiquement.
Ces observations permettront de raffiner les nombreuses paramétrisations qui interviennent dans le calcul des flux radiatifs des modèles atmosphériques, et éventuellement d’en proposer de nouvelles plus adaptées. Cela inclut les paramètres de diffusion simple des aérosols et des nuages, les relations entre contenu en eau liquide et diamètre effectif des gouttelettes, la prise en compte de gaz absorbants dans le spectre solaire (ozone, dioxyde de carbone) etc. Elles donneront peut-être des informations sur la variabilité de l’irradiance solaire au sommet de l’atmosphère (Thuillier et al., 2003). Ces mesures constitueront par ailleurs une base de données riche pour évaluer la microphysique des modèles, ou leur capacité à bien simuler des événements de brouillard, de pollution, de transport d’aérosol ou d’incursion de vapeur d’eau. Ces données permettront aussi d’étudier les effets radiatifs 3D des nuages (Hogan et al., 2016), en identifiant quelle structure de couvert nuageux conduit aux plus grosses différences entre modèle et observations. Elles serviront également à évaluer les codes radiatifs lorsque le soleil est rasant. En plus de la validation de modèle, ces données serviront à la télédétection de paramètres atmosphériques, ou à la validation satellitaire. Elles seront enfin utilisées pour raffiner le produit de prévision de production photovoltaïque sur lequel travaille actuellement Nicole Lindsay pour son stage de Master 2 au sein de l’équipe Méso-NH.

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