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Classification des sites d’observation
d’organismes partenaires
Arnaud.mequignon@meteo.fr
ENM/IMO
27septembre 2012
2
Source ENM/IMO et Grégoire Cayez
3
Sommaire
1. Généralités
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
3. Description de la classification environnementale• Température/Humidité• Précipitations • Vent• Rayonnement
4. Travaux pratiques :• Méthode de relevés de masques• Détermination de la classe du site
4
1. Généralités
Météorologie : connaissance de l’état physique de l’atmosphère
Définitions
Modèles prévision numérique : équations thermodynamiques et mécanique des fluides => prévision, recherche
5
1. Généralités
Mesures de base nécessaires aux modèles (sol et altitude) : vent, pression, température et humidité
Besoin en mesures additionnelles :Prévision locale, climatologie, suivi situations en temps réel …
⇒ Échanges de données avec des partenaires
⇒ Diversité des besoins et contraintes
⇒ Besoin de mise en place de méthodes homogènes de travail
Besoins en observations
6
1. Généralités
Météo-France a pour mission de surveiller l’atmosphère, l’océan superficiel et le manteau neigeux, d’en prévoir les évolutions et de diffuser les informations correspondantes.
Il met en œuvre un système d’observation, de traitements des données, de prévision, d’archivage et de diffusion lui permettant d’accomplir ses missions.
=> assurer la gestion et la maintenance du réseau d’observation météorologique, avec pour objectif d’en garantir la qualité métrologique
Missions de Météo-France
7
1. Généralités
Définitions
• Un point de mesure : lieu géographique d’implantation d’un instrument destiné à mesurer un paramètre d’état atmosphérique ou observer un phénomène caractéristique du temps sensible.
• Un poste de mesure : ensemble cohérent de points de mesures instrumentés + centrale d’acquisition installés sur un site.
• Le site est la « configuration du lieu et du terrain où s’élève un poste de mesures, et la manière dont il est situé du point de vue de son utilisation »(cf. Le Robert)
8
Chaîne de mesureGrandeurs à mesurer
sonde
capteur capteur capteur
conditionneur conditionneur conditionneur
multiplexage
transmission
Stockage base de données
Utilisateur Observateur
Prévisionniste
Instruments parc, piste …
Station automatique
1. Généralités
9
Réseau de mesure
Concentration des données
Données des capteurs Site 1
SA 1
Données des capteurs Site n
SA n
Données des capteurs Site 5
SA 5
Données des capteurs Site 4
SA 4
Données des capteurs Site 3
SA 3
Données des capteurs Site 2
SA 2
Diffusion des données
Stockage des données
1. Généralités
10
La métrologie à Météo-France
Laboratoire de Métrologie Direction des Systèmes d’Observation Météo France ( DSO/LM)
� fonctionne selon système qualité (norme ISO 17025),
� accrédité par l’organisme COFRAC,
�étalonnages : conformes norme X 07-015 (métrologie), dans les domaines de la température, de la pression et de l’humidité pour les instruments du réseau.
1. Généralités
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Diversité d’échelles spatio-temporelles des phénomènes météorologiques
� Échelle moyenne (synoptique) Circulation générale des masses d’air sur plusieurs centaines de km, pendant plusieurs heures, voire plusieurs jours.=> réseaux nationaux et internationaux
� Petite échelle (Méso-échelle)Quelques km ou dizaine de km, quelques heures.=> réseaux régionaux et départementaux (particularité géographiques locales).
� Micro-échelleQuelques centaines de m, pendant quelques minutes (ex: turbulence).
1. Généralités
Notion d’échelle et de réseau d’observation
12
1. Généralités
Notion d’échelle et de réseau d’observation
MOIS
JOUR
HEURE
MINUTE
SECONDE
ANNEE
TOURBILLONSTURBULENTS
( C.L.A. )
1 10 10 m
TOURBILLONSDE
RAFALESPOUSSIERE
2
CUF
TORNADES
NUAGESD'ONDE
VENTSREGIONAUX
BRISES
MICRO-ECHELLE
ECHELLE
AEROLOGIQUE
MESO-ECHELLE
ECHELLEPLANETAIRE
CIRCULATIONATMOSPHERIQUE
ONDESLONGUES
PERTURBATIONS
ECHELLESYNOPTIQUE
10 3 10 4 10 5 10 6 10 7
13
Normalisation des appareillages et des procédures (OMM) :=> limiter l’influence de l’environnent de mesure=> comparer les mesures dans le temps et l’espace
Mesures assimilées dans modèles de prévision numéri que.=> Suivi du déplacement et prévision d’évolution du phénomène.
1. Généralités
Échelle moyenne - Mesures synoptiques de référence
14
Note 35 :Qualité requise pour les données fournies par les postes du réseau Radome : alimentation des bases de données opérationnelles et institutionnelles de Météo-France (surveillance, alerte ou prévision).
données quotidiennes / horaires± 5 % / ± 10 %Rayonnement
précipitations liquides / solides± 5 % / ± 10 %Précipitation
vitesse / direction± 10 % / ± 10°Vent
sur toute la gamme d’humidité (5 à 100 %) et de température (-20 °C à 40 °C)
± 6 %Humidité
± 0,1 °C sonde ± 0,1 °C acquisition ± 0,4 °C abri (extrêmes en particulier)
± 0,5 °CTempérature
CommentaireErreurs toléréesParamètre
1. Généralités
15
Sommaire
1. Généralités
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
3. Description des classifications• Température/Humidité• Précipitations • Vent• Rayonnement
4. Travaux pratiques :• Méthode de relevés de masques• Détermination de la classe du site
16
• représentativité du site : erreurs de mesures dues à l’environnement du site souvent supérieures aux erreurs instrumentales � => Note 35 « Classification environnementale d’un site »
• instruments et méthodes de mesure : caractéristiques intrinsèques des systèmes
• opérations de maintenance (dont étalonnage) nécessaires au maintien en conditions nominales de fonctionnement.⇒ Note 37 « Classification de performance maintenue », Météo-France 2010
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
Qualité finale des mesures liée à :
17
⇒ représentativité à petite échelle (influence de l’environnement proche).
⇒ classe 1 : normes de l’OMM, 5: inacceptable . Chaque point de mesure d’un site (lieu d’implantation de l’instrument) possède sa propre classification.
⇒ classification d’un site : ensemble des classes aff ectées aux différentes mesures (souvent de niveau différent).
⇒ La classification est revue périodiquement : l’environnement évolue.
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
Classification d’un site de mesure
18
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
Classe A : Recommandations OMM ou incertitude actuellement atteignable, lorsqu’elle est supérieure. Recommandations OMM tirées de l’édition 7 du guide CIMO (WMO n°8). Maintenance et étalonnage organisés pour maintenir cette incertitude sur le terrain et dans le temps.
Classe B : Plus réaliste que l’OMM. Spécifications avec bon rapport « qualité/prix »plus abordables en pratique. Maintenance et étalonnage organisés pour maintenir cette incertitude sur le terrain et dans le temps.
Classe C : Spécifications et/ou méthodes étalonnage, contrôle et maintenance plus lâches que pour la classe B . Une maintenance et l’étalonnage sont organisés .
Classe D : Spécifications plus lâches que pour la classe C ou maintenance et étalonnage non organisés .
Classe E : Inconnu.
Classification pour performances maintenuesQualité et maintenance - étalonnage
19
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
Classification pour performances maintenues
E
D
C
B
A
1 2 3 4 5
Rêve ?
Correct
Encore utilisable
Est-ce réellement utilisable ?
Il y a encore de l’espoir
20
Sommaire
1. Généralités
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
3. Description des classifications• Température/Humidité• Précipitations • Vent• Rayonnement
4. Travaux pratiques :• Méthode de relevés de masques• Détermination de la classe du site
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Abris Stevenson à persiennes
Abris à coupelles (ventilation naturelle)
Abris à ventilation forcée
3. Description des classifications
Température – HumiditéCapteurs en équilibre avec l’air ambiant
22
⇒ abri protège capteurs du rayonnement :
� tellurique : plancher abris .� solaire
– Matériau réfléchissant ou surface blanche– Plusieurs réflexions avant que rayons atteignent capteur .
⇒ Capteur ventilé = capteur en équilibre avec l’air
� Ventilation naturelle : efficace si vent > 1m/s. Vitesse vent intérieur abri réduite par facteur 3 à 10 / extérieur.
� Ventilation forcée ( 2,5 à 10 m/s).
Capteurs en équilibre avec l’air ambiant
60³ (Extérieur)(Intérieur)
5,5 cm
Ventilationnaturelle
Vent horizontalVent horizontal
3. Description des classifications
Température – Humidité
23
3. Description des classifications
TempératureLe thermomètre à mercure
24
variation de la résistance
0
50
100
150
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
températures
rési
stan
ces
R(T)
84,27
123,44
y = 0,3914x + 99,979
3. Description des classifications
TempératureLes thermorésistances : la Pt100
25
Classe B :
Classe A :
Classe 1/3 A :
( )θθ .005,03,0 +±≤∆
( )θθ .002,015,0 +±≤∆
( )θθ .002,015,03
1 +±≤∆
Erreur inférieure à 0,6°C
Erreur inférieure à 0,27°C
Erreur inférieure à 0,09°C
A Météo-France on utilise la classe 1/3A
3. Description des classifications
TempératureClasses de précision des Pt100
26
Sur l’ensemble de la chaîne (gamme –40°C à +60°C) :
• incertitude liée à la sonde u²sonde => 1/3A, +/-0,09°C max (pour 60°C),
• incertitude liée à l’acquisition u²Acq => +/-0,1°C
• incertitude liée à la conversion analogique/numérique u²résol => codage sur 1024
On a donc : u²totale = u²sonde + u²Acq + u²résol
L’incertitude totale garantie de la chaîne de mesure : +/-0,15°C
Incertitude sur la chaîne de mesure de T
3. Description des classifications
Température
27
psychromètrecrécelle
psychromètrefixe
Tw
TMousseline
imbibée d’eau
réserve en eaudistillée
double écranmétallique
Les psychromètres
3. Description des classifications
Humidité
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Électrode supérieure
Film polymère
Isolant électrique
Électrodes inférieures
Substrat
Les sondes capacitives
3. Description des classifications
Humidité
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capuchon et filtre protecteur
conditionneur-transmetteur(électronique de mesure)
- génération de la fréquence d’oscillation- linéarisation du signal et conversion
en courant 4-20mA (35DE) ou tension 0-1V (45D)- compensation en température
Les sondes capacitives
3. Description des classifications
Humidité
30
Temps de réponse rapide
Possibilité de forte dérive du capteur : étalonnage annuel
Temps de désaturation pouvant s’étendre jusqu’à 3 heures in situ
Influence de l’abri sur la mesure de l’humidité ambiante
Incertitude de ± 6% (erreur d’étalonnage, justesse du capteur, dérive, influence de la température, réversibilité, abri, système d’acquisition…) => une sonde peut indiquer 95 % d’humidité en présence de brouillard
Les sondes capacitives
3. Description des classifications
Humidité
31
Recommandations OMM
environnement de l’abri : - la mesure représentative de l’air libre dans un périmètre aussi
étendu que possible autour de la station d’observation. - Terrain plat, exposé normalement au soleil et au vent, pas trop
proche d’arbres, de bâtiments ou d’obstacles. Pas de surfaces bétonnées trop proches.
Hauteur de mesure et mesure représentative- hauteur de 1,25 à 2 m au-dessus du sol.
(hauteur sonde ou bouche d’aspiration)
Les abris météorologiques : Environnement et hauteur de mesure
3. Description des classifications
Température – Humidité
3. Description des classifications
32
• Terrain avec un dénivelé inférieur à19°
• Sol recouvert d’herbe dont la hauteur est inférieure à 10 cm
• Capteur à plus de 100 m de zone gênante (bâtiments, aires bétonnées, parking,étendues d’eau)
• Pas d’ombre portée pour une hauteur du soleil supérieur à 3°
S : surface des sources de chaleur
Classe 1
Température – HumiditéClassification des sites de mesure
3. Description des classifications
33
• Terrain d’un dénivelé inférieur à 19°• Sol recouvert d’herbe dont la hauteur est inférieur à 25 cm• Capteur entre 30 et 100 m de zone gênante (bâtiments, aires bétonnées, parking,étendues d’eau)• Pas d’ombre portée pour une hauteur du soleil supérieur à 5° S : surface des sources
de chaleur
Classe 2
Température – HumiditéClassification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
34
erreur de 1°C ?
Sol recouvert d’herbe dont la hauteur est inférieur à 25 cm
Capteur entre10 et 30 m dezone gênante (bâtiments,aires bétonnées, parking, étendues d’eau)
Pas d’ombre portée pour une hauteur du soleil supérieur à 5° S : surface des sources
de chaleur
Classe 3
Température – HumiditéClassification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
35
erreur de 2°C ou plus?
Capteur à moins de 10 m d’une zone gênante (bâtiments, aires bétonnées, parking, étendues d’eau)
Ombre portée pour une hauteur du soleil supérieur à 5°
Classe 4
Température – HumiditéClassification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
36
erreur de 5°C ou plus?
Capteur au milieu d’une zone gênante (bâtiments, aires bétonnées, parking, étendues d’eau)
S : surface des sources de chaleur
Classe 5
Température – HumiditéClassification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
37
Mesure : Incertitude globale de mesure de 0,2 °C
Sonde de température avec une incertitude < 0,05 °C, en conditions de laboratoire, sur la gamme de mesure.
Incertitude du système d’acquisition < 0,02 °C.
Abri ventilé artificiellement de haute performance.
Maintenance : Étalonnage annuel en laboratoire de la sonde de température.
Température Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe A
38
Mesure : Incertitude globale de mesure de 0,5 °C
Sonde de température avec une incertitude < 0,25 °C (correspond à la classe A de la norme IEC 751).
Incertitude de l’acquisition < 0.1 °C.
Abri avec des caractéristiques connues et une sur-estimation de Tx(maximum quotidien) < 0,15°C dans 95% des cas.
Maintenance : Étalonnage en laboratoire de la sonde de température tous les 5 ans .
Température Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe B
39
Mesure : Incertitude globale de mesure de 1 °C
Sonde de température avec une incertitude < 0,4 °C, dont la conception permet une bonne stabilité dans le temps (e.g. sonde au Platine).
Incertitude de l’acquisition < 0.2 °C.
Abri avec des caractéristiques connues et une sur-estimation de Tx(maximum quotidien) < 0,3°C dans 95% des cas.
Maintenance : non spécifié .
Température Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe C
40
Mesure : Incertitude globale de mesure > 1 °C
Incertitudes de la sonde de température ou du système d’acquisition plus grandes que pour la classe C.
Abri inconnu ou jugé non « acceptable » (par exemple, sur-estimation de Tx> 0,7°C dans 5% des cas).
Maintenance : non spécifié .
Température Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe D
41
Performance et maintenance inconnues
Température Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe E
42
Mesure : Incertitude de mesure de 3%
Performance vérifiée sur la gamme d’humidité relative et de température typiques de l’emplacement des stations de mesure.
Incertitude du système d’acquisition < 0,2 %.
Maintenance : Étalonnage tous les 6 mois , dans un laboratoire accrédité .
HumiditéClassification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe A
43
Mesure : Incertitude de mesure de 6% , sur la gamme de température typique de la station (e.g. –20°C .. +40°C en France métropolitaine).
Incertitude du système d’acquisition < 1 %.
Maintenance : Étalonnage annuel , dans un laboratoire accrédité .
HumiditéClassification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe B
44
Mesure : Incertitude de mesure de 10% , sur la gamme de température typique de la station (e.g. –20°C .. +40°C en France métropolitaine).
Incertitude du système d’acquisition < 1 %.
Maintenance : Étalonnage bisannuel .
HumiditéClassification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe C
45
Mesure : Incertitude de mesure > 10% , sur la gamme de température typique de la station (e.g. –20°C .. +40°C en France métropolitaine).
Ou
Maintenance : Étalonnage inexistant .
HumiditéClassification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe D
46
Performance et maintenance inconnues
HumiditéClassification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe E
47
Les précipitations sont les produits solides ou liquides résultant de la condensation de la vapeur d’eau qui tombent des nuages ou qui passent directement de l’air au sol sur lequel ils se déposent.
Elles comprennent la pluie , la grêle , la neige , le grésil , la bruine , le givre , la rosée , la gelée blanche et les précipitations de brouillard .
Précipitations Définitions OMM
3. Description des classifications
48
L’unité de mesure : (OMM)
La quantité de précipitation atteignant le sol est représentée en termes de profondeurverticale d’eau qu’elle aurait si elle couvrait une projection horizontale de la surface du sol. On la mesure en millimètre , avec une résolution recommandée de 0,2 mm .
Les chutes de neige sont également représentées par l’épaisseur de la neige fraîche couvrant une surface horizontale unie, donnée en cm avec une résolution de 0,2 cm.
Précipitations Définitions OMM
3. Description des classifications
49
Nombreux hydrométéoressolides précipitants : grêle, neige, grésil ;solides de dépôt : givre, gelée blanche ; liquides précipitants : pluie, bruine, précipitations de brouillard ;liquides de dépôt : rosée.
Conditions de mesures très différentes pour une seule grandeur de sortie attendue : lame d’eau au sol
Choix de l’appareil de mesure : compromis à faire prenant en compte la fréquence d’occurrence de chacun de ces paramètres au lieu de mesure.
Précipitations Contraintes de mesures
3. Description des classifications
50
Contrainte à la mesure : gamme d’intensité des précipitations,Contrainte lors de l’exploitation des résultats : étendue spatiale des précipitations
Convectives
Stratiformes
Intenses sur une zone réduite
Plus faibles sur une large zone
Précipitations 2 types de pluies
3. Description des classifications
51
Précis-mécanique
Degréane R01 3060
Précipitations Pluviomètres
3. Description des classifications
52
Mesure ponctuelle.=> peut être spatialisée par interpolation,Choix des points de mesure :
Une erreur à la mesure ponctuelle est ensuite amplif iée et propagée lors de la spatialisation, il est donc indispensable de la minimiser avec des choix adaptés de sites de mesure et de capteurs.
– Grille régulière : risque conditions mesures inadéquat (ex : haut colline),– Lieux facilement accessibles à l’observateur (observation manuelle) => « déserts » d’observations,– Définition de l’environnement de mesure pour classer la qualité des sites (solution retenue projet RADOME).
Précipitations Pluviomètres
3. Description des classifications
53
Mesures avec RADAR de précipitation :regroupement des images en mosaïque
Précipitations Les RADAR
3. Description des classifications
54
Détection de particules solides ou liquides par ondes électromagnétiques .
Système émetteur envoie des impulsions électromagnétiques de forte puissance et de courte durée Pémission=106 W.
Obstacle réfléchissent ces ondes dans toutes les directions
Système récepteur intercepte le signal rétrodiffusé Pdétectable=10-9 W.
Analyse de ce signal : localiser et de caractériser la cible.
λλλλσσσσ
r
Précipitations Les RADAR – Principe de fonctionnement
3. Description des classifications
55
Une surface (traversée par les précipitations)
S
Un collecteur : rassembler quantité
précipitante
Un système de mesure : compter la hauteur d’eau
HAUTEUR de précipitationS
Vh =
Précipitations Le pluviomètre – Principe de fonctionnement
3. Description des classifications
56
Cône de section 1000 ou 400 cm2
augets basculants(mesure du volume d'eau)
résistance chauffante(fonte de la neige)
évacuation avec crépine (protection contre les insectes)
crépine
Précipitations Le pluviomètre – Principe de fonctionnement augets basculeurs
3. Description des classifications
57
déflecteur
AB
butoir contacteur électrique
mercure butée réglable
Précipitations Le pluviomètre – Principe de fonctionnement augets basculeurs
3. Description des classifications
58
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0 50 100 150 200
Intensité en mm/h
Déf
icit
en %
Précis-Mécanique SocrimaDegréane pesée
Pertes en fonction de l’intensité => effet surremplissage aux fortes intensités.
Précipitations Le pluviomètre – Évaluation de l’erreur de surremplissage
3. Description des classifications3. Description des classifications
59
diamètre réel de la bague
diamètre efficace de captation
VENT
Trajectoire des gouttes
Précipitations Le pluviomètre – Cause d’erreurs : LE VENT
3. Description des classifications3. Description des classifications
60
Mc Cready - 1960 - pluvio cylindrique bague de 2000 cm2)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Vitesse du vent (km/h)
Déf
icit
(%
)
pluieneige
Précipitations Le pluviomètre – Cause d’erreurs : LE VENT
3. Description des classifications3. Description des classifications
61
≤ 19°
d ≥ 2h
h
Site ≤ 26,5°≥≥≥≥ 10°
ObstacleSite
19°
Classe 1
Classe 2 (erreur 5%?)
Précipitations Classification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
62
Classe 3 (erreur 10 à 20%?)
Classe 4 (erreur >20%?)
> 30°
h
d < h
Site > 45°
Site
≤ 30°
h
d ≥ h
Site ≤ 45°
Site
Précipitations Classification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
63
Classe 5 (erreur >50%?)
Site ≤ 14°
Précipitations Classification des sites de mesure
3. Description des classifications3. Description des classifications
64
Mesure : Incertitude de mesure de 5% ou 0,1 mm (incertitude atteignable).
Résolution de mesure ≤≤≤≤ 0,1 mm
Si existantes, les erreurs liées à l’intensité des précipitations sont corrigées.
Utilisation d’un brise-vent .
Maintenance : Contrôle quotidien du cône de captation pour les pluviomètres en utilisant un.
Si pluviomètre à augets, étalonnage tous les 6 mois .
Précipitations Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe A
65
Mesure : Incertitude de mesure de 5% ou 0,2 mm .
Résolution de mesure ≤≤≤≤ 0,2 mm
Si existantes, les erreurs liées à l’intensité des précipitations sont corrigées ou au moins connues.
Maintenance :
Pour les sites avec personnel, contrôle hebdomadaire du cône de captationpour les pluviomètres en utilisant un.
Pour les sites isolés sans personnel, contrôle au moins semestriel du cônede captation pour les pluviomètres en utilisant un.
Si pluviomètre à augets, étalonnage semestriel .
Précipitations Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe B
66
Mesure : Incertitude de mesure de 10% ou 0,5 mm .
Erreur en fonction de l’intensité inconnue.
Maintenance : Si pluviomètre à augets, étalonnage avec une période ≤≤≤≤ 18 mois .
Une maintenance préventive est définie et appliquée.
Précipitations Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe C
67
Incertitude de mesure > 10%
ou
pas de méthode de contrôle et de réglage définie
ou
pas de maintenance régulière organisée .
Précipitations Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe D
68
Performance et maintenance inconnues.
Précipitations Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe E
69
Le vent en surface
3. Description des classifications
70
T=10 mn
Échelle infra-synoptique
T=2 mn
Échelle aérologique
déplacement de la particule(vent moyen)
Valeur moyenne :
• lisse les extrêmes.
• beaucoup moins variable dans le temps mais aussi dans l’espace.
Temps pour la moyenne => représentativité spatiale et temporelle du phénomène
Le vent en surface
3. Description des classifications
71
Le vent en surface Mesure et acquisition
3. Description des classifications
72
1t
dvu =+
A B
dVent (vitesse v)
Onde sonore(vitesse u) A B
dVent (vitesse v)
Onde sonore(vitesse u)
2t
dvu =−
(u = 344 m.s-1 à 20 C°)
A récepteur, B émetteur :A émetteur, B récepteur :
+=
21
11
2 tt
du
−=
21
11
2 tt
dv
403
2uTson =
Le vent en surface Anémomètres ultrasoniques
3. Description des classifications
73
o 1-Do 2-Do 3-Do Cartésien et polaireo Sortie liaison série RS-232o Meilleurs résultats en-dessous de 40 m.s-1
o Résolution de 0,01 m .s-1
o Fréq. d’échantillonnage de 10 à 20 Hz
Utilisés sur station BATOS
Le vent en surface Anémomètres ultrasoniques
3. Description des classifications
74
OMM => capteurs à 10m au dessus du sol sur un terrain dégagé .
OMM : vent de surface = vent qui soufflerait à une hauteur de 10m sur un site de longueur de rugosité égale à 0,03 m . => vent de référence : conditions exactes de mesure connues.
La classification des sites de mesure du vent est double :
• Détermination des obstacles pouvant perturber la mesure.
• Détermination des classes de rugosité du terrain environnant.
Terrain dégagé : surface où obstacles (hauteur h) situés à distance d = 10h
Le vent en surface Critères d’installation
3. Description des classifications
75
Davenport - 1960 et Wirienga - 1980d = distance à l’obstacle, h = hauteur de l’obstacle
C la s s ed e
te r ra in
D e s c r ip t io n d ute r ra in
z 0 e nm è tre s
1 m e r o u v e r te , « fe tc h » > 5 k m 0 ,0 0 0 2
2 te r ra in s b o u rb e u x p la ts , n e ig e ;p a s d e v é g é ta t io n , p a s d ’o b s ta c le
0 ,0 0 5
3 te r ra in p la t o u v e r t ; h e rb e , ra re so b s ta c le s iso lé s
0 ,0 3
4 c u l tu re s b a sse s ; la rg e s o b s ta c le so c c a s io n n e ls : d /h > 2 0
0 ,1 0
5 c u ltu re s é le v é e s ; o b sta c le sd isp e rsé s 1 5 < d /h < 2 0
0 ,2 5
6 te r re s c lô tu ré e s , b u isso n s ,o b s ta c le s n o m b re u x : d /h ≈≈≈≈ 1 0
0 ,5
7 c o u v e r tu re ré g u l iè re p a r d e la rg e so b s ta c le s (fa u b o u rg s , fo rê ts)
(1 ,0 )
8 c e n tre d ’u n e v i l le a v e c d e sb â tim e n ts d e d if fé re n te s h a u te u rs
? ?
Le vent en surface Longueurs de rugosité
3. Description des classifications
76
≥ 10°
Obstacle large
≥ 15 largeurs
largeur
Obstacle mince
55m 100m
5,50 m2 m
20m
siteh
d≥ 10h (site ≤5,7°)
5,50 m100 m
on néglige h< 2m sur un rayon de 100m
Classe 1
Le vent en surface Classification sites : obstacles
3. Description des classifications
77
≥ 10°
Obstacle large
≥ 15 largeurs
largeur
Obstacle mince
100m
3 m30m
siteh
d≥ 10h (site ≤5,7°)
on néglige h< 3m sur un rayon de 100m
Classe 2 (erreur 10% ?)
Le vent en surface Classification sites : obstacles
3. Description des classifications
78≥ 10 largeurs
largeur
≥ 10°
Obstacle large
siteh
d≥ 5h (site ≤11.3°)
on néglige h< 4m sur un rayon de 50m
50m
10 m4 m
20m
Classe 3 (erreur 20% ?)
Le vent en surface Classification sites : obstacles
3. Description des classifications
79
h ≤ 10 m
≥ 60°
Obstacle large
siteh
d≥ 2.5h (site ≤21.8°)
on néglige h< 6m sur un rayon de 40m
62.5m
25 m
6 m15m 40m
16 m
Obstacles Classe 4 (erreur 30% ?)
Le vent en surface Classification sites : obstacles
3. Description des classifications
80
siteh
d≥ 2.5h (site ≤21.8°)
on néglige h< 8m sur un rayon de 25m
62.5m
25 m
8 m
25m
10 m
Obstacles Classe 5 (erreur >40% ?)
Le vent en surface Classification sites : obstacles
3. Description des classifications
81
Mesure :Vitesse du vent : incertitude de 10% (ou 0,5 m/s).
Seuil de démarrage ≤≤≤≤ 0,5 m/s
Direction du vent : incertitude de 5 °.
Paramètres vent calculés conformément aux recommandations OMM : échantillonnage à 4 Hz, rafales sur 3 secondes .
Maintenance : Contrôle annuel des roulements , pour les anémomètres tournants.
Étalonnage annuel .
Vent Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe A
82
Mesure :Vitesse du vent : incertitude de 10% (ou 0,5 m/s).
Seuil de démarrage ≤≤≤≤ 1 m/s
Direction du vent : incertitude de 10 °.
Paramètres vent calculés conformément aux recommandations OMM, avec les tolérances suivantes : échantillonnage minimum de 1 Hz, rafales sur une période ≤≤≤≤ 3 secondes.
Maintenance : Contrôle annuel des roulements , pour les anémomètres tournants
Vent Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe B
83
Mesure :Vitesse du vent : incertitude de 15% (ou 0,5 m/s).
Seuil de démarrage ≤≤≤≤ 2 m/s
Direction du vent : incertitude de 20 °.
Maintenance : Contrôle bisannuel des roulements de l’état mécanique des capteurs et remise en état si nécessaire.
Vent Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe C
84
Vitesse du vent : incertitude > 15% (ou 1 m/s).
Seuil de démarrage > 2 m/s
Direction du vent : incertitude > 20 °.
Ou
Pas de maintenance organisée.
Vent Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe D
85
Performance et maintenance inconnues.
Vent Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe E
86
Rayonnement global
Rayonnement diffus
Rayonnement direct
Le rayonnement en surface
3. Description des classifications
87
G’ = Da’+ I’.sin γ
(normale)
γ
(sol)(sol)
DirectDirect
II’’Diffus de Diffus de
l'atmosphl'atmosph èèrere
DaDa’’
Diffus du solDiffus du sol
DsDs’’
GlobalGlobal
GG’’
en W/m2
Le rayonnement en surface
3. Description des classifications
88
14 thermocouples => 28 lamelles de Manganine-Constantan :potentiel thermoélectrique 36,1 mV/°C
Tc = soudures chaudesTf = soudures froides
support en laiton
3. Description des classificationsLe rayonnement en surface Thermopile de Moll
89
n thermocouples en étoile: V = n.k.(Tc -Tf )
Thermopile du CM11 : 96 thermocouples (PtPd/AuPd) imprimés sur support céramique en filmes couche épaisse.
» potentiel thermoélectrique : 33,4 m V/°C
Tf = soudures froidesTc = soudures chaudes V
3. Description des classifications
Le rayonnement en surfaceThermopile en étoile
90
Héliographe à fibre optique
Héliographe Campbell(ancien)
3. Description des classifications
Le rayonnement en surfaceMesure durée d’insolation : les héliographes
91
Classe 1
2° 5°
5° 7°
Pas d’ombre portée
Pas d’ombre portée
Pas d’obstacle >= 5°pour éviter le rayonnement réfléchiet masquer le diffus
Pas d’obstacle >= 7°pour éviter le rayonnement réfléchiet masquer le diffusClasse 2
3. Description des classifications
92
Obstacle sur moins de 30%de la course de l’astre solaire
< 30% du temps
Obstacle sur au moins 30%de la course de l’astre solaire
>= 30% du temps
7° 10°
Classe 3
Classe 4 Classe 4
3. Description des classifications
93
Mesure : Pyranomètre de classe 1 (ISO).
Incertitude de 5% en cumuls quotidiens.
Capteur ventilé .
Maintenance : Étalonnage bisannuel
Entretien régulier (au moins hebdomadaire ou quotidien en cas de dépôt de litho-météore)
Rayonnement Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe A
94
Mesure : Pyranomètre de classe 1 (ISO).
Incertitude de 5% en cumuls quotidiens.
Capteur non ventilé .
Maintenance : Étalonnage bisannuel
Pour les sites avec personnel, entretien régulier (hebdomadaire).
Pour les sites isolés sans personnel, entretien semestriel.
Rayonnement Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe B
95
Mesure : Pyranomètre de classe 2 (ISO).
Capteur non ventilé .
Maintenance : Étalonnage tous les 5 ans .
Pas de nettoyage régulier.
Rayonnement Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe C
96
Incertitude > 10% pour les cumuls quotidiens
Ou
Capteur n’utilisant pas une thermopile
Ou
Pas de maintenance organisée.
Rayonnement Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe D
97
Performance et maintenance inconnues.
Rayonnement Classification de performance maintenue
3. Description des classifications3. Description des classifications
Classe E
98
� Qualité finale de la mesure liée à :
� instruments et méthodes de mesures
� maintenance et étalonnage
� représentativité du site ⇒ adapter implantation capteurs au besoin propre (zone
représentative)
� Classifier les paramètres d’un site au sens Météo (échelle synoptique, note 35) pour échanges de données.
� Un paramètre de classe 4 n’est pas forcément une mauvaise mesure, il peut être bien adapté à son utilisation.
� Information utile aux météorologistes.
� Suivre les évolution de site, éviter les ruptures de séries de données : améliorer la classe d’un site peut entraîner une rupture dans la série de données …
⇒ Importance de garder en mémoire l’historique des changements
Synthèse
99
Sommaire
1. Généralités
2. Facteurs influant sur la qualité d’une mesure
3. Description des classifications• Température/Humidité• Précipitations • Vent• Rayonnement
4. Travaux pratiques :• Méthode de relevés de masques• Détermination de la classe du site
100
Application du mode opératoire :
METHODES SIMPLIFIEES DE CLASSIFICATION D’UN SITE
Note 35 : relevé des angles de site, distances et hauteurs obstacles
⇒ Jumelles équipées de télémètre laser et compas magnétique + logiciels (≈10K€)
⇒ méthode simplifiée : cadre technique moins contraignant
4. Travaux pratiques
� Méthode de relevé de masque
� Détermination de la classe du site
101
Suivre la procédure du document AIDE A LA CLASSIFICATION D’UN SITE.
Utiliser les diagrammes de sites pour y reporter les obstacles pour chaque paramètre (précipitations, vent).
Classer différents sites pour chacun des paramètres.
4. Travaux pratiques
Méthode simplifiée : application mesure précipitations et températures
102
Masques solaires : http://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=fr
103
Masques solaires : http://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=fr
104
Masque d’horizon : température
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