Assessment of solar surface radiation using new Earth observation capabilities
Exploitation des nouvelles capacités d'observation de la Terre pour évaluer le rayonnement solaire incident au sol
Résumé
The surface solar irradiance (SSI) is seldom measured and several methods have been developed for its assessment from images taken by geostationary or polar-orbiting satellites. In current methods, so-called inverse, the signal received by the satellite is inverted to derive the radiation on the ground. It is felt that as a whole, limits of such methods are presently reached in terms of accuracy. Consequently, a new paradigm is studied based on a direct modelling of propagation of solar radiation through the atmosphere. In this thesis, we design a new method -called Heliosat-4- based on the radiative transfer model libRadtran; it benefits from advanced products derived from recent earth observation missions. For this purpose, we - establish by the means of a sensivity analysis, the necessary inputs of any method based on radiative transfer model, - establish that SSI for a cloudy atmosphere can be considered as equal to the product of the SSI obtained under clear-sky and a function of the cloud extinction and ground albedo contribution, - implement approximations of radiative transfer equation, for clear and cloudy atmosphere, allowing rapid calculations. Heliosat-4 is free from empirical parameters, easy to implement and deliver simultaneously direct, diffuse components and spectral distribution of irradiance. These characteristics, while necessary for various applications, are rarely provided. The first results of the validation of the new method with ground measurements are encouraging: observed performances are similar to those of current methods.
Peu de stations au sol mesurent l'éclairement et des méthodes ont été développées pour l'évaluer à partir d'images prises par des satellites géostationnaires ou en orbite polaire. Dans les méthodes actuelles, dites inverses, le signal perçu par le satellite est inversé pour dériver le rayonnement au sol. Il est estimé de manière générale que les limites des méthodes inverses sont certainement atteintes en terme de précision. En conséquence, une nouvelle voie, basée sur la modélisation directe de la propagation du rayonnement solaire dans l'atmosphère, est explorée. Dans cette thèse, nous concevons une nouvelle méthode -dite Heliosat-4- basée sur le code de transfert radiatif libRadtran et tirant profit des produits de meilleure qualité, extraits des nouvelles capacités d'observation de la terre. Dans cet objectif, nous avons - par une analyse de sensibilité, établi les entrées nécessaires pour toute méthode basée sur un code de transfert radiatif, - établi que l'éclairement au sol pour une atmosphère nuageuse peut être considéré comme égal au produit de l'éclairement obtenu par ciel-clair et d'une fonction de l'extinction due aux nuages et de la contribution de la réflectance du sol, - mis en œuvre des approximations de l'équation de transfert radiatif pour des atmosphères claire ou nuageuse, permettant des calculs rapides. Heliosat-4 est affranchi des paramètres empiriques, facile à implémenter et fournit simultanément les composantes directe, diffuse et la distribution spectrale de l'éclairement. Ces caractéristiques, bien que nécessaires pour différentes applications, sont rarement fournies. Les premiers résultats de la validation de cette nouvelle méthode avec les mesures sol sont prometteurs : les performances observées sont proches de celles des méthodes actuelles.
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