48 La Météorologie 8 e série - n 2 - juin 1993 IRRADIATIONS JOURNALIERES EXTRAITES AU JOUR LE JOUR D'IMAGES WEFAX METEOROLOGIE SPATIALE Claude Delorme Energie-Climat, Université d'avignon 33, rue Louis Pasteur - 84000 Avignon et Stéphane Mével Météo-France, SETIM, Centre Radiométrique, Carpentras RESUME ABSTR ACT Des images WEFAX, du canal visible du satellite METEOSAT, sont reçues régulièrement à la station radiométrique de Carpentras. Les irradiations journalières estimées à partir du traitement de ces images pendant six mois sont comparées aux mesures, en flux global sur un plan horizontal, effectuées dans une vingtaine de stations de Météo-France. Les résultats de cette comparaison sont discutés méthodiquement. Il apparaît que l'incertitude de la méthode est très acceptable pour une quinzaine de stations, les écarts importants entre valeurs estimées et mesurées étant rares et explicables. Par contre, pour d'autres stations, ces écarts se révèlent trop nombreux pendant ces six mois de test. Les causes d'incertitude inhérentes à la méthode sont analysées et confrontées aux situations locales pour proposer quelques interprétations de ces difficultés. WEFAX images from METEOSAT are daily received and processed at Carpentras to get solar radiation on the ground in Europe. The estimated daily global irradiations during six months are compared with figures measured at 21 stations of Météo-France. The results are analyzed and discussed. INTRODUCTION * PDUS : Primary Data User Station Des professionnels des systèmes énergétiques solaires ont commencé, depuis quelques années, à effectuer un suivi le plus précis possible des systèmes en fonctionnement. Ils obtiennent donc toute une série de mesures, régulièrement, au cours de chaque journée (températures, débits, puissances, appoint...). Il est possible d'accéder sur Minitel à des bilans journaliers, hebdomadaires ou mensuels. La mesure du rayonnement n'est effectuée que sur des sites importants. Plutôt que de généraliser l'installation de pyranomètres, l'agence Française pour la Maîtrise de l'energie (AFME), devenue Agence de l'environnement et de la Maîtrise de l'energie (ADEME), nous a demandé d'étudier la possibilité d'utiliser quotidiennement les images du satellite Météosat pour estimer presque instantanément l'irradiation en un site quelconque. La faisabilité de l'estimation du rayonnement disponible à partir de divers types d'images de Météosat est acquise. C'est bien entendu avec des images transmises en mode numérique et reçues sur une antenne dite PDUS (*) que la précision est la meilleure. Ainsi, à Lannion, un traitement régulier est effectué sur de telles images selon la méthode décrite par Brisson et al. (1991). Parmi les images archivées par l'agence Spatiale Européenne à Darmstadt, les seules pratiquement accessibles à un bureau d'études sont celles nommées B2. Ces images ont le mérite d'être disponibles sur plusieurs années consécutives mais elles présentent l'inconvénient d'avoir une faible résolution dans l'espace et dans le temps; les images du globe entier de 416 x 416 valeurs ne sont disponibles que toutes les trois heures alors que le satellite émet des images de 2500 x 2500 valeurs toutes les demi-heures (certaines à pleine résolution sont de 5000 x 5000 valeurs).
La Météorologie 8 série - n 2 - juin 1993 49 Les seules i m a g e s d i s p o n i b l e s en t e m p s réel, p o u r un prix relativement m o d e s t e, sont encore actuellement les images W E F A X qui, p o u r l ' E u r o p e, offrent la m ê m e résolution spatiale et la m ê m e fréquence que les i m a g e s reçues avec le dispositif P D U S. Ces images W E F A X. transmises en a n a l o g i q u e depuis le centre opérationnel de l ' A g e n c e Spatiale E u r o p é e n n e à D a r m s t a d t, sont destinées à la visualisation. C e p e n d a n t divers travaux, tels que ceux de Diabate et al. (1989) et ceux de Delorme et al. (1992,) ont déjà m o n t r é que l'estimation des irradiations à partir de ces images était possible. Le suivi des installations solaires se faisant par télé-contrôle via le m ê m e satellite Météosat. il était intéressant de savoir si éventuellement un dispositif unique était capable de recevoir à la fois les m e s u r e s et les images W E F A X. Dans ce cas. le traitement des images p o u r extraire les irradiations pouvait se faire c o m m e nous le décrivons ici, sur le lieu m ê m e où sont collectées toutes les informations. Le p r e m i e r objectif était de connaître, a p p r o x i m a t i v e m e n t m a i s le plus r a p i d e m e n t possible, l'irradiation journalière reçue par une installation solaire é l o i g n é e d ' u n e station r a d i o m é t r i q u e. 11 s'agissait de savoir si, c h a q u e jour, la productivité de cette installation était c o n f o r m e ou non aux prévisions. L ' A F M E a d o n c installé, dans le cadre d ' u n projet W E F I J. en octobre 1989. au Centre R a d i o m é t r i q u e de Carpentras. L ' a n t e n n e parabolique (2 m) et le récepteur sont toujours en f o n c t i o n n e m e n t mais le dispositif d ' e n r e g i s t r e m e n t des images a été très nettement a m é l i o r é en juin 1991 Quelques définitions par l'installation d ' u n micro-ordinateur - pixel :plus petit élément de l'image, qui correspond ici à une surface au sol de de type PC doté d ' u n e carte P C S A T d e la l'ordre de 12 k m ² ; société U K W. Les portions d ' i m a g e s sélectionnées sont stockées s u r d e s disques - brillance : valeur numérique perçue par le satellite, de 0 à 255, attribuée à optiques et traitées sur un autre m i c r o chaque pixel à l'instant de la prise de vue; elle est fonction de la position du soleil ordinateur. et de celle du satellite par rapport à l'élément de sol visé et des conditions atmosphériques locales; Des résultats préliminaires sur des images (4 par j o u r s e u l e m e n t ) du - coefficient de réflexion : valeur attribuée à chaque pixel lors d'une étape de la printemps de 1990 ont été présentés en méthode; ce coefficient est caractéristique de l'élément de surface intercepté n o v e m b r e 1990 à un colloque de T é l é d é par le cône de visée du satellite (sol, nuage ou portion de sol à travers une tection à T o u l o u s e puis en détail dans la couche nuageuse); il dépend des conditions locales de l'atmosphère et du sol; revue Solar Energy en 1992 ( D e l o r m e et tandis que l'albedo est la part du rayonnement incident qui est réfléchi sur tout al., 1992). le spectre, le coefficient de réflexion est lié à la réponse spectrale du capteur (dit un dispositif de réception d'images W E F A X visible) du satellite; pour la plupart des sols en Europe le coefficient de réflexion est voisin de 0,06; - image de référence / chacun des pixels a la valeur du coefficient de réflexion par ciel clair; - fraction d'éclairement : rapport de l'éclairement estimé sur un pixel au sol à celui calculé, par ciel clair, au même instant (exprimé en % ) ; - fraction d'irradiation journalière : rapport de l'irradiation estimée sur un pixel au sol à celle calculée par ciel clair tout au long de la journée (exprimé en %). Nous analysons ici des résultats obtenus au cours des mois d ' o c t o b r e 1991 à m a r s 1992, avec le n o u v e a u dispositif qui nous permet de traiter c h a q u e jour au m o i n s sept images c o n s é c u t i v e s de l ' E u r o p e. Pour avoir la fréquence la plus élevée possible, nous enregistrons les i m a g e s de l ' E u r o p e (C02 et C03) respectivement à l'ouest et à l'est du m é r i dien origine. Les irradiations journalières extraites des images C 0 3 ont été c o m p a r é e s aux irradiations m e s u r é e s sur 21 stations de M é t é o - F r a n c e situées à l'est du méridien origine. METHODOLOGIE Définitions Hypothèses A v a n t de présenter succinctement les étapes de la m é t h o d o l o g i e G I S T E L que nous avons établie, à partir d ' i m a g e s archivées ( D e l o r m e et G r o s. 1987). et sur laquelle nous c o n t i n u o n s de travailler, nous d o n n o n s q u e l q u e s définitions dans l'encadré ci-dessus. La m é t h o d o l o g i e repose sur quelques hypothèses simplificatrices : - la brillance o b s e r v é e pour un pixel q u e l c o n q u e est la s o m m e de deux c o m p o s a n t e s : l ' u n e, a t m o s p h é r i q u e (diffusion Rayleigh), est s u p p o s é e constante; l'autre, dite de base, est due à la réflexion de la surface interceptée par le c ô n e de visée du satellite; - la c o m p o s a n t e de base est le produit de quatre facteurs: un coefficient d ' é t a l o n n a g e du détecteur, le coefficient de réflexion de la base, l'éclairement global
50 La Météorologie 8 e série - n 2 - juin 1993 sur cette base et un facteur de transmission du rayonnement réfléchi entre la base et le satellite: - la réflectivité de la mer calme étant négligée devant celle d'un sol, la brillance observée, par ciel clair, sur les pixels marins est approximativement la composante atmosphérique: - le coefficient de réflexion d'un sol par ciel clair, en Europe, est supposé constant en première approximation; il faut éventuellement tenir compte de variations saisonnières ou accidentelles; - une couche nuageuse est dite opaque si son coefficient de réflexion est supérieur à un seuil égal à 0,3; dans ce cas la fraction d'éclairement au sol est supposée égale à 20%; - hors d'un sol enneigé, un coefficient de réflexion compris entre celui du sol par ciel clair et la valeur-seuil (0,3) correspond à une fraction d'éclairement au sol variant linéairement entre 100 et 20%. Etapes successives Chacune des sept images C03 (800 x 800 pixels) subit d'abord, après visualisation, un traitement géométrique : - découpe pour obtenir un format de 480 x 680 pixels (soit une zone dont les limites sont environ 35 à 52 degrés en latitude Nord et 0 à 20 degrés en longitude Est), - élimination d'un pixel sur deux et d'une ligne sur deux; les repères fixes et contours des côtes ajoutés à Darmstadt sont aussi éliminés. Les images réduites ainsi obtenues subissent alors un traitement informatique basé sur un modèle physique. Au cours de ce traitement, pixel par pixel, chacune des images de brillances donne successivement deux images instantanées : - une image des coefficients de réflexion observés, - une image des fractions d'éclairement par rapport à un ciel clair, chacune résultant de la comparaison du coefficient de réflexion observé à celui de l'image de référence. Enfin, pour chaque journée : - une image des fractions d'irradiation journalière est obtenue par une sommation pondérée des fractions d'éclairement des images instantanées. Il est alors facile d'extraire, soit la valeur attribuée au pixel le plus proche du site choisi, soit une «imagette» d'une centaine de pixels autour du site, pour tenir compte des hétérogénéités éventuelles dans l'environnement. RESULTATS GLOBAUX Les résultats concernent 156 journées entre le 1er octobre 1991 et le 31 mars 1992. Il y a en effet une trentaine de jours pour lesquels le nombre d'images enregistrées était strictement inférieur à sept; nous les avons éliminés de nos comparaisons. Le nombre de couples d'irradiations mesurées-estimées est cependant inférieur au produit 156 x 21 puisque pour certaines stations les mesures de quelques journées, parmi les 156, sont manquantes. France, 21 stations, 3226 points Figure 1 - Comparaison des fractions d'irradiation journalière estimées et mesurées : octobre 1991 à mars 1992 Pour ne comparer que des fractions d'irradiation journalière, nous avons normalisé les mesures par rapport à une irradiation globale calculée pour chaque station avec le modèle de ciel clair préconisé par l'omm (1981), en supposant un l'acteur de trouble de Linke égal à4. Ce choix explique que, dans de nombreux cas, la fraction d'irradiation mesurée soit supérieure à 100. La figure 1 représente la comparaison brute de tous les couples : fraction d'irradiation mesurée en abscisse et fraction d'irradiation estimée en ordonnée. Le coefficient de corrélation calculé pour tous ces points est égal à 0,84.
La Météorologie 8 e série - n 2 - juin 1993 51 RESULTATS DETAILLES Une comparaison plus fine a été faite pour chaque station, pour chaque mois. Cette étude minutieuse montre que pour certaines stations le groupement des points autour de la bissectrice est très satisfaisant, le coefficient de corrélation étant supérieur à 0,90 quel que soit le mois. Pour quelques stations au contraire, les nuages de points sont toujours très dispersés. Nous avons alors tenté de classer, provisoirement en fonction de nos résultats présents, les 21 stations selon un ordre d'incertitude croissant. Nous avons mis en évidence quatre catégories, en utilisant les critères suivants: - cr, coefficient de corrélation pour les six mois, - nj, nombre de jours pour lesquels la valeur absolue de l'écart entre les fractions d'irradiation mesurée et estimée est supérieure à 25, - ea, écart algébrique moyen (sur les fractions d'irradiation) mesure - estimation, - eq, écart quadratique moyen. France, 14 stations, 2148 points Figure 2 - Idem figure 1 pour 14 stations (catégories 1 et 2) Catégorie 1 Nous trouvons dans cette catégorie les neuf stations suivantes : St-Quentin, Trappes, Reims, Dijon, Mâcon, Agen, Carpentras, Marignane et Perpignan, avec 0,91 < cr < 0,95; - 3,1 <ea<2;eq< 10 et nj < 6. Catégorie 2 Les cinq stations : Nancy, Auxerre, Millau, Nice et Ajaccio, avec 0,83 < cr < 0,94; -4 < ea < 7,5; eq < 13 et nj < 20. Catégorie 3 Les quatre stations : Clermont-Ferrand, Montpellier, Strasbourg et Carcassonne, avec 0,71 < cr < 0,81 ; -13 < ea < 0,7; 13<eq< 18 et 24<nj<35. Catégorie 4 Les trois autres stations : Limoges, Paris et Embrun pour lesquelles la comparaison des irradiations mesurées et calculées présente des anomalies : - pour Limoges, un coefficient de corrélation égal à 0,93 mais dont les 29 écarts importants relevés sont tous positifs; - pour Paris, cr = 0,45; ea = -10; eq = 26; nj = 47; - pour Embrun, cr - 0,65; ea = 19; eq = 24; nj = 92. La figure 2 représente la comparaison mesure-estimation, pour les six mois, pour les stations des catégories 1 et 2, tandis que la figure 3 donne le détail pour chacune des stations suivantes : St-Quentin, Trappes, Carpentras et Ajaccio. Figure 3 - Idem figure 1 pour les stations de St-Quentin, Trappes, Carpentras et Ajaccio Cette dernière figure, ainsi que la dispersion géographique des stations de la catégorie 1, montrent que la validité de notre méthode, en France, est indépendante de la latitude. INCERTITUDES Afin de mieux interpréter les écarts importants observés entre mesure et estimation, surtout dans le cas des stations des catégories 3 et 4, nous avons essayé de classer les causes d'incertitude inhérentes à la méthodologie. 1 - Par ciel clair, les images traitées ici ne permettent pas de déterminer le facteur de trouble de Linke. C'est pourquoi on peut observer sur toutes les figures
52 La Météorologie 8 e série - n 2 - juin 1993 présentées des points dont l'estimation en ordonnée est égale à 100 mais dont la mesure en abscisse peut varier de 80 à 120. 2 - Par ciel complètement couvert, nous avons affaire actuellement à la même incertitude que lorsqu'on estime une irradiation journalière à partir d'une durée d'insolation nulle. Ayant choisi une fraction d'éclairement égale à 20% quand le coefficient de réflexion de la couche nuageuse est supérieur à un seuil, nous observons des points dont l'ordonnée est 20 mais dont l'abscisse peut varier de 5 à 30 ou plus! D'un point de vue énergétique, cette erreur est moins gênante. 3 - Dans le cas d'une nébulosité variable, la suite des informations satellitaires instantanées, donc discontinues avec un pas d'une demi-heure, ne correspond pas toujours à l'irradiation intégrée en continu par l'appareillage de mesure. L'effet d'un passage nuageux peut ainsi ne pas être le même sur les images et sur le pyranomètre. 4 - La position géographique particulière de telle station peut aussi être la source d'une erreur systématique. Dans tous nos travaux, avec ces images WEFAX ou antérieurement avec des images archivées B2, nous avons observé des écarts importants pour Embrun. En général notre estimation est pessimiste, nous détectons des nuages ou de la neige sur les sommets environnants alors que le fond de vallée est très ensoleillé. 5 - Dans les régions enneigées, une autre cause d'erreur apparaît puisque les images de Météosat sont insuffisantes pour distinguer une masse nuageuse d'une surface enneigée. 6 - Enfin, il se peut que les mesures auxquelles nous nous référons ne soient pas exactes pour une cause quelconque. Les conditions d'incertitude 1, 2 et 3 correspondent à des situations météorologiques assez bien définies, respectivement : ciel clair, ciel couvert et nébulosité variable qui doivent sans doute caractériser l'image autour de la station. Nous avons donc essayé de classer les imagettes de 13 x 13 pixels autour des stations pour avoir une idée de la fréquence de chacune de ces situations. ENVIRONNEMENT DES STATIONS Rappelons que les valeurs attribuées aux pixels de l'image journalière des fractions d'irradiation, s'échelonnent entre 20 et 100. Chaque imagette de 13 x 13 pixels, à laquelle correspond une mesure effectuée à la station, est classée dans l'une des quatre catégories suivantes : 1 - ciel clair dans la région : la valeur minimale, parmi les 169 de F imagette, est supérieure à 79. 2 - ciel couvert dans la région : la valeur maximale est inférieure à 41, 3 - ciel hétérogène : la différence entre les valeurs maximale et minimale est supérieure à 50, 4 - nébulosité moyenne : imagette faiblement hétérogène. Sur les 3226 imagettes ainsi classées sur notre échantillon de 156 journées, nous avons trouvé la répartition suivante : 22% en (1), 12% en (2), 25% en (3) et 41% en (4). Le classement des imagettes, actuellement assez grossier, devrait être affiné en les soumettant à un filtrage pour mettre en évidence des gradients. ENVIRONNEMENT ET ECARTS IMPORTANTS Pour les 3226 cas (mesure et imagette) nous avons examiné attentivement ceux pour lesquels l'écart entre l'irradiation mesurée et celle estimée est important, c 'est-à-dire selon notre critère, supérieur, en valeur absolue, à 25. Nous avons trouvé que 52% de ces écarts correspondent à une imagette de la catégorie 3, alors que 35% correspondent à la catégorie 4. Ainsi près de 90% des écarts importants entre estimation et mesure sont associés à des hétérogénéités de l'irradiation journalière dans la région entourant la station. Les autres sont surtout associés à la catégorie 1, c'est-à-dire au ciel clair; nous pensons que, au moins pour une station ou deux, une partie de ces écarts peuvent être dus à une erreur (de type 6) sur la mesure.
La Météorologie 8 e série - n 2 - juin 1993 53 Après ce premier dépouillement de nos résultats, nous allons comparer pour chacune des stations l'imagette 13 x 13 pixels à une autre plus restreinte, 5x5, toujours centrée sur le pixel le plus proche de la station. Mais nous avons déjà remarqué que la fréquence d'écarts importants, pour la catégorie d'imagettes 3, dépendait de la situation géographique de la station. Autrement dit, pour de nombreuses stations, la probabilité de faire une estimation fortement erronnée de l'irradiation journalière en considérant la valeur centrale d'une imagette (13 x 13 pixels) hétérogène, est nettement inférieure à 50%. CONCLUSION La méthode relativement simple que nous utilisons pour traiter, chaque jour, régulièrement, les images WEFAX de Météosat, permet d'obtenir en fin de journée une estimation réaliste de l'irradiation journalière (rayonnement global sur un plan horizontal) pour tous les pixels de l'image traitée. La comparaison de nos estimations avec les mesures effectuées dans 21 stations de Météo-France montre que la méthode est valable pour des applications énergétiques. La précision obtenue est suffisante pour le suivi quotidien du fonctionnement des installations solaires dépourvues de pyranomètres. Cependant l'utilisation de cette méthode dans des régions montagneuses, avec des risques d'enneigement, est plus délicate. Des améliorations sont en cours. L'interprétation des écarts importants entre les fractions d'irradiation mesurées et estimées se poursuit sur une nouvelle série de journées pour, notamment, déceler des causes systématiques et accidentelles. Nous avions montré (Ben Djemaa et Delorme, 1992) la possibilité, à partir de nos images, de déterminer non seulement l'irradiation journalière, mais aussi l'évolution du rayonnement sur le site au cours de la journée. Avec, actuellement, les cinq ou sept images par jour, la précision sur le profil de la journée solaire s'améliore et nous sommes en train de résoudre la question du stockage de toutes les informations au moindre coût. BIBLIOGRAPHIE Ben Djemaa A. et Delorme C, 1992, Détermination quotidienne, en tous les points d'une région, de l'évolution de l'éclairement solaire utilisable à partir d'images de Météosat,J., Phy.s. 111 France 2, 847-858. Brisson A., Le Borgne P. and Marsouin A., 1991, Restitution of surface radiative fluxes from METEOSAT data and weather forecasting model outputs, IGARSS 91, Helsinski, 3-6 juin. Delorme C. et Gros N., 1987, A propos de GISTEL ; discussion sur les méthodes d'estimation du Gisement Solaire à l'aide des images numériques de METEOSAT, Veille Climatique Satellitaire, 18, 24-30. Delorme C, Gallo A. and Olivieri J., 1992, Quick use of WEFAX images from METEOSAT to détermine daily solar radiation in France. Solar Energy, 49, 191-197. Diabate L., Moussu G. and Wald L., 1989, Description of an operational tool for determining global solar radiation at ground using geostationary satellite images, Solar Energy, 42, 201-207. OMM. 1981, Meteorological aspects of the utilization of solar radiation as an energy source, WMO Tcchnical Note. 172, 57-85.