Wswin et Vantage Pro 2 : calcul de l'ensoleillement (suite)
Posté : 05 mars 2008, 20:31
Bonsoir,
On a discuté récemment ( http://www.rieux-marne.net/phpbb2/viewtopic.php?t=354 ) du calcul du temps d'ensoleillement effectué par Wswin, et de certains problèmes rencontrés dans ce calcul avec la Vantage Pro 2.
J'ouvre un nouveau post (un peu long...désolé!) pour revenir sur le sujet après avoir analysé des échantillons de données capturées par les station de Lud29 et Tudgur. L'avantage de ces jeux de données était d'avoir une mesure de radiation solaire durant un jour 100% ensoleillé et dans des conditions où le soleil est visible par la sonde dès le lever et jusqu'au coucher, ce que je n'ai pas chez moi.
Avant de parler de ces données, voici la méthode utilisée par wswin pour le calcul de l'ensoleillement avec la sonde solaire de la Vantage Pro2. Ces calculs dépendent de la latitude et longitude et de l'heure considérée:
a/ Wswin calcule une valeur théorique de radiation solaire (donnée par le tag %sunintens_cur%) qui correspond à la radiation qui serait reçue sur un plan horizontal en absence d'atmosphère terrestre. Cette valeur est égale à la "constante solaire" multipliée par le sinus de l'élévation du soleil.
b/ Wswin calcule une valeur seuil (donnée par le tag %sunstart%), qui va permettre de décider si il y a ensoleillement ou pas. Cette valeur est égale à la valeur théorique (mentionnée en a/) multiplié par un facteur de correction mensuel qui est indiqué dans la fenêtre de paramétrage de la sonde solaire (facteur de correction de 0.388 à 0.394 selon le mois considéré pour la Vantage Pro) . Il est à noter aussi que wswin ne calculera un ensoleillement que si l'élévation du soleil est plus grande que 0.83°
Compte tenu de cette méthode utilisée par wswin avec la Vantage Pro, l'ajustement du calcul de l'ensoleillement peut se faire sur trois paramètres : en modifiant les coefficients mensuels pour rapprocher ou éloigner la valeur seuil de la valeur max théorique et/ou en modifiant la valeur pour 0% et/ou en appliquant une correction sur la valeur mesurée de radiation solaire.
Revenons aux données de Lud29 et Tudgur du 16 février dernier (pour les données de Lud29, j'ai considéré les données brutes de radiation solaire en soustrayant la correction de +10 W/m2 qui était active lors de ces mesures).
Pour cette journée, le temps total d'ensoleillement maximum(lorsque le soleil a une élévation %ws_sunpos_el% plus grande que 0.83°) était de 594 minutes.
Avec les réglages standard de Wswin, l'ensoleillement calculé par wswin a été de 536 minutes pour Lud29 et de 524 minutes pour Tudgur ! Le soleil étant visible dès le les 2 cas dès le lever et jusqu'au coucher, wswin sous-estime l'ensoleillement de 58 et 70 minutes. (Les valeurs mesurées par Lud29 ont été systématiquement plus hautes (entre 5 et 20 W/m2) que celles mesurées par Tudgur, ce qui explique cette différence)
La sous-estimation observée ici est due à un problème que nous avons déjà discuté dans ce forum :
la courbe de radiation solaire mesurée par la sonde Davis a une forme gaussienne, alors que celle du seuil d'ensoleillement calculée par wswin est une demi-sinusoidale. De ce fait et durant une période de 20 à 30 minutes le matin et le soir, la courbe de radiation mesurée passe en dessous du seuil et donc aucun ensoleillement n'est calculé.
Que faire?
1/ une première approche pourrait être de baisser le seuil (en diminuant le coefficient mensuel) pour que celui-ci repasse en dessous de la courbe de mesure.... Avec un coefficient de 0.295 pour Lud29 et 0.290 pour Tudgur, wswin calculerait effectivement 594 minutes d'ensoleillement dans les 2 cas, mais cette correction serait certainement désastreuse pour des journées moins ou pas ensoleillés : du soleil serait comptabilisé au lever ou coucher même si il n'y en a pas, et la valeur du seuil à son maximum (vers 12-13h) serait abaissé de plus de 60 W/m2, ceci amenant wswin à surestimer l'ensoleillement en cas de ciel voilé ou de passages nuageux. Première approche donc à éviter!
2/la deuxième approche, suggérée par Werner, et déjà appliquée par Lud29, consiste à inclure une correction de mesure pour la sonde en additionnant une valeur fixe à la mesure de radiation solaire. Avec les données du 16 février, et lorsque l'ensoleillement n'était pas compté à cause du point d'inflexion de la courbe, la différence maximum entre la valeur mesurée et le seuil était de 9 W/m2 (Lud29) et 11 W/m2 (Tudgur). Donc avec une correction de +9 pour Lud29 et +11 pour Tudgur, wswin calcul correctement les 594 minutes de soleil. Comme mentionné par Lud29, le désavantage de cette méthode est d'augmenter la "distance" entre les valeurs mesurées et le seuil calculé tout au long de la journée, entraînant potentiellement une surestimation de l'ensoleillement en cas de ciel voilé, comme en 1/
3/ la troisième approche, celle que je vous propose, est d'inclure à l'approche 2 une légère augmentation du seuil. Avec les données de Tudgur par exemple, une correction de sonde à +11 W/m2 et un coefficient mensuel de 0.41 donne un ensoleillement de 594 W/m2, mais l'augmentation de +11 W/m2 est partiellement compensée par l'augmentation du seuil qui atteint +15 W/m2 en son maximum.
Voici maintenant l'impact de ces 3 approches sur les données du 20 février, journée partiellement ensoleillé avec des alternances soleil / nuages. L'ensoleillement maximum (élévation > 0.83) était pour ce jour de 607 minutes, et l'ensoleillement mesuré avec les paramètres standard de wswin était de 173 minutes pour Lud29 et de 306 minutes pour Tudgur.
1b/ Première approche : Un réglage avec un coefficient de de 0.295 pour Lud29 et 0.290 pour Tudgur (voir 1/ ci-dessus) augmente considérablement l'ensoleillement calculé qui passe de 173 à 305 minutes pour Lud29 et de 306 à 418 minutes pour Tudgur !!! Comme je le disais ci-dessus cette première approche est à éviter.
2b/ Deuxième approche : une correction de sonde de +9 W/m2 fait passer l'ensoleillement de 173 à 210 minutes pour Lud29 et une correction de 11 W/m2 fait passer l'ensoleillement de 306 à 343 minutes pour Tudgur. C'est déjà mieux qu'en 1b/
3b/ troisième approche, avec +11 W/m2 de correction et coefficient à 0.410 : l'ensoleillement passe de 173 à 197 minutes pour Lud29 et de 306 à 329 minutes pour Tudgur. Pas parfait mais encore mieux qu'en 2b/.
Wswin calcule aussi parfois une ensoleillement durant quelques minutes juste après le lever du soleil (et/ou juste avant le coucher) même lorsque le temps est nuageux. Pour ce problème spécifique, le réglage d'une valeur à 0% de 10 ou 15 W/m2 est suffisante pour corriger le problème. Attention à ne pas mettre une valeur trop grande comme valeur pour 0%, car dans ce cas on risque sous estimer une période ensoleillée.
Avec l'algorithme implémenté dans wswin , la courbe de la sonde solaire de la Vantage ne "colle" pas bien à celle du seuil calculé et donc par défaut il y aura toujours un problème de sous-estimation de l'ensoleillement peu après le lever et peu avant le coucher du soleil.
En modifiant les paramètres comme discuté ci-dessus, on peut arriver à un compromis qui va "légèrement" sous-estimer l'ensoleillement du lever et coucher du soleil et "légèrement" surestimer l'ensoleillement lors de journées partiellement nuageuses.
Par exemple, avec +11 W/m2 de correction et un coefficient de 0.425 (au lieu de 0 et 0.389 par défaut) , on aura :
- pour la journée ensoleillée du 16 février avec 594 minutes d'ensoleillement possible : 585 minutes au lieu de 536 pour Lud29 et 580 minutes au lieu de 524 pour Tudgur
- pour la journée du 20 février : 187 minutes au lieu de 173 pour Lud29 et 324 au lieu de 306
Ce sera de toutes manière un compromis et on ne pourra pas faire mieux... à moins que Werner affine son algorithme de calcul dans une prochaine version!
Je trouvais aussi intéressant de comparer les valeurs d'ensoleillement mesurées et/ou simulées ci-dessus avec celles obtenues avec la formule "OMM - Vantage" fournie par ChristianP. Voici les résultats de cette analyse :
Lud29 : ensoleillement OMM 16 février = 561 minutes ; 20 février = 165 minutes
Tudgur : ensoleillement OMM 16 février = 560 minutes ; 20 février = 301 minutes
Je sais... c'est dense... mais n'hésitez pas à relire plusieurs fois!
On a discuté récemment ( http://www.rieux-marne.net/phpbb2/viewtopic.php?t=354 ) du calcul du temps d'ensoleillement effectué par Wswin, et de certains problèmes rencontrés dans ce calcul avec la Vantage Pro 2.
J'ouvre un nouveau post (un peu long...désolé!) pour revenir sur le sujet après avoir analysé des échantillons de données capturées par les station de Lud29 et Tudgur. L'avantage de ces jeux de données était d'avoir une mesure de radiation solaire durant un jour 100% ensoleillé et dans des conditions où le soleil est visible par la sonde dès le lever et jusqu'au coucher, ce que je n'ai pas chez moi.
Avant de parler de ces données, voici la méthode utilisée par wswin pour le calcul de l'ensoleillement avec la sonde solaire de la Vantage Pro2. Ces calculs dépendent de la latitude et longitude et de l'heure considérée:
a/ Wswin calcule une valeur théorique de radiation solaire (donnée par le tag %sunintens_cur%) qui correspond à la radiation qui serait reçue sur un plan horizontal en absence d'atmosphère terrestre. Cette valeur est égale à la "constante solaire" multipliée par le sinus de l'élévation du soleil.
b/ Wswin calcule une valeur seuil (donnée par le tag %sunstart%), qui va permettre de décider si il y a ensoleillement ou pas. Cette valeur est égale à la valeur théorique (mentionnée en a/) multiplié par un facteur de correction mensuel qui est indiqué dans la fenêtre de paramétrage de la sonde solaire (facteur de correction de 0.388 à 0.394 selon le mois considéré pour la Vantage Pro) . Il est à noter aussi que wswin ne calculera un ensoleillement que si l'élévation du soleil est plus grande que 0.83°
Compte tenu de cette méthode utilisée par wswin avec la Vantage Pro, l'ajustement du calcul de l'ensoleillement peut se faire sur trois paramètres : en modifiant les coefficients mensuels pour rapprocher ou éloigner la valeur seuil de la valeur max théorique et/ou en modifiant la valeur pour 0% et/ou en appliquant une correction sur la valeur mesurée de radiation solaire.
Revenons aux données de Lud29 et Tudgur du 16 février dernier (pour les données de Lud29, j'ai considéré les données brutes de radiation solaire en soustrayant la correction de +10 W/m2 qui était active lors de ces mesures).
Pour cette journée, le temps total d'ensoleillement maximum(lorsque le soleil a une élévation %ws_sunpos_el% plus grande que 0.83°) était de 594 minutes.
Avec les réglages standard de Wswin, l'ensoleillement calculé par wswin a été de 536 minutes pour Lud29 et de 524 minutes pour Tudgur ! Le soleil étant visible dès le les 2 cas dès le lever et jusqu'au coucher, wswin sous-estime l'ensoleillement de 58 et 70 minutes. (Les valeurs mesurées par Lud29 ont été systématiquement plus hautes (entre 5 et 20 W/m2) que celles mesurées par Tudgur, ce qui explique cette différence)
La sous-estimation observée ici est due à un problème que nous avons déjà discuté dans ce forum :
la courbe de radiation solaire mesurée par la sonde Davis a une forme gaussienne, alors que celle du seuil d'ensoleillement calculée par wswin est une demi-sinusoidale. De ce fait et durant une période de 20 à 30 minutes le matin et le soir, la courbe de radiation mesurée passe en dessous du seuil et donc aucun ensoleillement n'est calculé.
Que faire?
1/ une première approche pourrait être de baisser le seuil (en diminuant le coefficient mensuel) pour que celui-ci repasse en dessous de la courbe de mesure.... Avec un coefficient de 0.295 pour Lud29 et 0.290 pour Tudgur, wswin calculerait effectivement 594 minutes d'ensoleillement dans les 2 cas, mais cette correction serait certainement désastreuse pour des journées moins ou pas ensoleillés : du soleil serait comptabilisé au lever ou coucher même si il n'y en a pas, et la valeur du seuil à son maximum (vers 12-13h) serait abaissé de plus de 60 W/m2, ceci amenant wswin à surestimer l'ensoleillement en cas de ciel voilé ou de passages nuageux. Première approche donc à éviter!
2/la deuxième approche, suggérée par Werner, et déjà appliquée par Lud29, consiste à inclure une correction de mesure pour la sonde en additionnant une valeur fixe à la mesure de radiation solaire. Avec les données du 16 février, et lorsque l'ensoleillement n'était pas compté à cause du point d'inflexion de la courbe, la différence maximum entre la valeur mesurée et le seuil était de 9 W/m2 (Lud29) et 11 W/m2 (Tudgur). Donc avec une correction de +9 pour Lud29 et +11 pour Tudgur, wswin calcul correctement les 594 minutes de soleil. Comme mentionné par Lud29, le désavantage de cette méthode est d'augmenter la "distance" entre les valeurs mesurées et le seuil calculé tout au long de la journée, entraînant potentiellement une surestimation de l'ensoleillement en cas de ciel voilé, comme en 1/
3/ la troisième approche, celle que je vous propose, est d'inclure à l'approche 2 une légère augmentation du seuil. Avec les données de Tudgur par exemple, une correction de sonde à +11 W/m2 et un coefficient mensuel de 0.41 donne un ensoleillement de 594 W/m2, mais l'augmentation de +11 W/m2 est partiellement compensée par l'augmentation du seuil qui atteint +15 W/m2 en son maximum.
Voici maintenant l'impact de ces 3 approches sur les données du 20 février, journée partiellement ensoleillé avec des alternances soleil / nuages. L'ensoleillement maximum (élévation > 0.83) était pour ce jour de 607 minutes, et l'ensoleillement mesuré avec les paramètres standard de wswin était de 173 minutes pour Lud29 et de 306 minutes pour Tudgur.
1b/ Première approche : Un réglage avec un coefficient de de 0.295 pour Lud29 et 0.290 pour Tudgur (voir 1/ ci-dessus) augmente considérablement l'ensoleillement calculé qui passe de 173 à 305 minutes pour Lud29 et de 306 à 418 minutes pour Tudgur !!! Comme je le disais ci-dessus cette première approche est à éviter.
2b/ Deuxième approche : une correction de sonde de +9 W/m2 fait passer l'ensoleillement de 173 à 210 minutes pour Lud29 et une correction de 11 W/m2 fait passer l'ensoleillement de 306 à 343 minutes pour Tudgur. C'est déjà mieux qu'en 1b/
3b/ troisième approche, avec +11 W/m2 de correction et coefficient à 0.410 : l'ensoleillement passe de 173 à 197 minutes pour Lud29 et de 306 à 329 minutes pour Tudgur. Pas parfait mais encore mieux qu'en 2b/.
Wswin calcule aussi parfois une ensoleillement durant quelques minutes juste après le lever du soleil (et/ou juste avant le coucher) même lorsque le temps est nuageux. Pour ce problème spécifique, le réglage d'une valeur à 0% de 10 ou 15 W/m2 est suffisante pour corriger le problème. Attention à ne pas mettre une valeur trop grande comme valeur pour 0%, car dans ce cas on risque sous estimer une période ensoleillée.
Avec l'algorithme implémenté dans wswin , la courbe de la sonde solaire de la Vantage ne "colle" pas bien à celle du seuil calculé et donc par défaut il y aura toujours un problème de sous-estimation de l'ensoleillement peu après le lever et peu avant le coucher du soleil.
En modifiant les paramètres comme discuté ci-dessus, on peut arriver à un compromis qui va "légèrement" sous-estimer l'ensoleillement du lever et coucher du soleil et "légèrement" surestimer l'ensoleillement lors de journées partiellement nuageuses.
Par exemple, avec +11 W/m2 de correction et un coefficient de 0.425 (au lieu de 0 et 0.389 par défaut) , on aura :
- pour la journée ensoleillée du 16 février avec 594 minutes d'ensoleillement possible : 585 minutes au lieu de 536 pour Lud29 et 580 minutes au lieu de 524 pour Tudgur
- pour la journée du 20 février : 187 minutes au lieu de 173 pour Lud29 et 324 au lieu de 306
Ce sera de toutes manière un compromis et on ne pourra pas faire mieux... à moins que Werner affine son algorithme de calcul dans une prochaine version!
Je trouvais aussi intéressant de comparer les valeurs d'ensoleillement mesurées et/ou simulées ci-dessus avec celles obtenues avec la formule "OMM - Vantage" fournie par ChristianP. Voici les résultats de cette analyse :
Lud29 : ensoleillement OMM 16 février = 561 minutes ; 20 février = 165 minutes
Tudgur : ensoleillement OMM 16 février = 560 minutes ; 20 février = 301 minutes
Je sais... c'est dense... mais n'hésitez pas à relire plusieurs fois!