Le rayonnement solaire incident (lSR) (direct et diffus) et le rayonnement atmosphérique de longue longueur d'onde (DLR) sont les paramètres qui déterminent le bilan de la radiation à la surface (SRB) et jouent un rôle très important dans l'échange d'énergie entre la Terre et l'atmosphère. La représentation exacte de ces composantes dans les modèles climatiques est donc cruciale. Dans ce travail, nous évaluons les composantes de l'ISR, du DLR et de la couverture nuageuse des trois modèles suivants: 1. le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC), 2. la version régionale du Modèle Global Environnemental à Multi-échelle (GEM-LAM) et 3. le modèle atmosphérique du centre Rossby (RCA3) sur un domaine couvrant l'Amérique du Nord. Premièrement, les trois modèles sont comparés avec les observations de surface fournies par le réseau SURFRAD afin d'identifier les conditions dans lesquelles ils ne performent pas correctement. Puisque ces observations ne fournissent pas une couverture spatiale adéquate, trois bases de données différentes sont comparées à trois bases de données disponibles sur l'ensemble du territoire. Les substituts aux observations que nous évaluons sont: les ré-analyses ERA40 de ECMWF couvrant 40 années, les ré-analyses régionales d'Amérique de Nord (NARR) et les composantes du SRB provenant du Projet International de Climatologie Satellitaire des Nuages (ISCCP). La base de donnée la plus représentative est utilisée comme substitut aux observations afin de la comparer avec le SRB simulé par les modèles sur tout le domaine d'Amérique du Nord. Les comparaisons entre les modèles et les observations montrent que les biais les plus importants sont présents pour des conditions atmosphériques froides et sèches ce qui nous indique soit une mauvaise représentation de l'émission de la vapeur d'eau pour des conditions atmosphériques sèches, soit un biais négatif dû aux omissions des contributions des gaz traceurs dans le DLR pour les conditions de ciel clair. Les biais du ISR constatés dans cette étude viennent surtout de la mauvaise représentation des nuages dans les modèles qui ne sont pas assez opaques pour le rayonnement solaire incident. La comparaison avec six sites d'observations différents a confirmé qu'ERA40 est le meilleur substitut aux observations pour les composantes ISR et DLR sur l'Amérique du Nord. La comparaison des modèles avec ERA40 sur toute l'Amérique du Nord apporte des conclusions similaires à celles obtenues lors de la comparaison des modèles directement avec les sites d'observations. Ces résultats confirment que les biais trouvés dans cette étude proviennent de l'imperfections des modèles ce qui influence les composantes du SRB pour les différents régimes climatiques d'Amérique du Nord. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Rayonnement, Modèles régionaux du climat, Ré-analyses, Forçage radiatif des nuages.

Thèse doctorat : Lasers, molécules, rayonnements atmosphériques : Lille 1 : 2003. / Articles publiés en anglais reproduits en annexe. N° d'ordre (Lille 1) : 3416. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 175-186.

Thèse de doctorat : Lasers, Molécules, Rayonnement atmosphérique : Lille 1 : 2003 ; 3358. / Articles en anglais en annexe. Résumé en français et en anglais. Bibliogr. p. 243-247.

Les mesures de l'éclairement solaire direct reçu au sol en incidence normale (DNI) par des pyrhéliomètres ou instruments équivalents incluent l'éclairement provenant de l'angle solide du disque solaire (DNIS) et celui provenant d'une région angulaire circumsolaire plus large, appelé éclairement circumsolaire (CSNI). Les instruments ont des demi-angles d'ouverture équivalents variant entre 2,5° et 5°, soit un ordre de grandeur plus grand que le demi-angle du disque solaire. Quant aux demi-angles des systèmes de production d'énergie concentrant les rayons solaires, ils sont plus grands que le demi-angle du disque solaire, et plus petits que ceux des instruments. Par consequent, le CSNI doit être connu pour une estimation précise du DNI. Cette thèse contribue à la connaissance et à la modélisation des éclairements direct et circumsolaire en milieu désertique par conditions de ciel clair. Après avoir déterminé les propiétés optiques des aérosols les plus influentes, le modèle numérique de transfert radiatif libRadtran a été utilisé pour modéliser le CSNI et le DNIS. Un modèle paramétrique simplifié et très rapide a été développé qui reproduit les résultats de libRadtran. Il estime le ratio circumsolaire (CSR), soit le rapport entre le CSNI et la somme du CSNI et du DNIS, à partir de mesures standards du DNI et de l'éclairement diffus. A partir du DNI mesuré et de CSR modélisé, le CSNI et le DNIS peuvent être estimés pour tout demi-angle entre 0,4° et 5°. Le modèle a été validé pour deux stations de mesure, dans les Emirats Arabes Unis et en Algérie. / Routine measurements of the broadband direct normal irradiance (DNI), i.e. beam irradiance at normal incidence, by means of pyrheliometers or equivalent pyranometric systems include the irradiance originating from within the extent of the solar disc (DNIS) and that from a larger circumsolar region, called the circumsolar normal irradiance (CSNI). Such instruments have equivalent aperture half-angles between 2.5° and 5° which are one order of magnitude greater than the angular radius of the solar disc. The equivalent aperture half-angles of the concentrated solar powered systems are greater than the angular radius of the solar disc, but smaller than that of the measuring systems. Therefore, information on the CSNI should be provided for an improved assessment of the DNI. The objective of this PhD thesis is to contribute to an improved assessment of the beam and circumsolar radiation under cloud-free conditions in a desert environment. After selecting the aerosol optical properties of significance, the radiative transfer model libRadtran was used to model the CSNI and DNIS. A fast and simple parametric model which mimics the libRadtran values is proposed. This model uses standard measurements of the DNI and the diffuse horizontal irradiance as inputs to estimate the circumsolar ratio (CSR) for any aperture half-angle between 0.4° and 5°. The CSR is the ratio of the CSNI to the sum of the CSNI and the DNIS. Knowing the CSR and having the measured DNI, the CSNI and the DNIS can be computed.

L'étude vise à faire une climatologie de l'ensoleillement au Québec. Pour ce faire, des données d'ensoleillement direct cumulées, dans le cadre du programme de surveillance du climat du ministère du Développement durable, de l'Environnement et des Parcs (MDDEP), ont été validées. Une mise à jour de la méthodologie fut élaborée pour une nouvelle climatologie de l'ensoleillement. Suite à la validation de la banque de données, différentes corrections ont été effectuées afin de pouvoir en faire une utilisation adéquate pour le projet. Une modélisation de la radiation, avec le modèle d'Angstrôm, fut réalisée. Cette modélisation à permit de cartographier, en autre, la radiation au Québec méridional. Une fois la radiation calculée, cette dernière fut vérifiée à l'aide de mesures directes de la radiation ce qui a donné un coefficient de corrélation supérieur à 98%. Les analyses des différentes cartes créées lors de cette étude permettent une distinction à plusieurs niveaux de la climatologie de l'ensoleillement. Les structures d'ensoleillement évoluent de façon différente durant l'année. Lors des périodes hivernales, une structure principalement parallèle à l'axe du fleuve St-Laurent prédomine. Tandis que pour les autres mois (mai à août), une structure de l'ensoleillement plutôt latitudinal prédomine. De plus, on remarque que durant la période hivernale, il y a une plus grande complexité dans les structures d'ensoleillement que dans la période estivale.

Cette recherche étudie la conception architecturale dans le but de déterminer comment l’utilisation des outils informatiques peut aider les architectes à intégrer les composantes solaires dans leurs projets. Elle a été réalisée dans le cadre de la Task 41 : Solar Energy and Architecture de l'International Energy Agency (IEA) dont les deux objectifs sont de soutenir le développement d’une architecture solaire de haute qualité et contribuer à l’amélioration des compétences des architectes dans ce domaine. De plus, cette recherche vise à décrire et comprendre les facteurs architecturaux qui influencent le développement d’une architecture solaire de qualité, en ce qui a trait à la pratique de l’architecture, aux principes fondamentaux de l’architecture solaire et à l’attitude des concepteurs. Afin de répondre à ces objectifs, la recherche utilise deux méthodes distinctes et complémentaires : un inventaire des outils informatiques pour l’architecture ainsi qu’une enquête internet auprès des concepteurs. La première partie de ce mémoire présente l’inventaire de 56 outils informatiques (CAAO, logiciels de visualisation et de simulation) utilisés par les architectes. Les résultats de l’analyse de cet inventaire révèlent les limites des outils solaires précis pour les premières étapes de conception, la spécialisation systémique des logiciels disponibles, l’absence de résultats numériques clairs pouvant appuyer la prise de décision en début de conception, un manque d'informations claires à propos du calcul du comportement de la lumière lors de la génération des images de synthèse, et les limites de la visualisation des systèmes solaires actifs. La deuxième partie de ce mémoire prend la forme d’une analyse complémentaire des données recueillies par une enquête internationale réalisée auprès de 350 professionnels du secteur du bâtiment. Les résultats démontrent que les répondants s’efforcent de concevoir des bâtiments solaires en utilisant surtout les principes solaires passifs (gains solaires thermiques et éclairage naturel) au meilleur de leurs connaissances. Malgré tout, l’enquête révèle certains obstacles liés aux outils informatiques et à leur utilisation, tels que leur complexité, l’investissement nécessaire en termes d’apprentissage et la faible intégration au processus normal de conception. Finalement, l’ensemble des résultats obtenus a permis de relever neuf actions potentielles pour poursuivre l’adaptation de la pratique actuelle de l’architecture vers une architecture solaire de qualité et la diffusion des connaissances relatives à l’architecture solaire. / This research focuses on architectural design in order to determine how the use of software can help architects integrate solar energy components in their projects. This research was conducted as part of International Energy Agency (IEA) Task 41: Solar Energy and Architecture which pursued the following objectives: to support the development of a high quality solar architecture and to improve architects’ skills in this field. The third objective consisted of describing and understanding the factors that influence the architectural development of high quality solar buildings, in terms of architectural practice, solar architecture principles and architects’ attitude relative to solar design. To achieve these objectives, the research was carried out using into two distinct and complementary methods: an inventory of software used by architects and an online survey among buildings practitioners. The first part of the research presents results of a state-of-the-art review of 56 computer tools (CAAD, visualisation and simulation software) used by architects. The results reveal a lack of advanced solar tools for early design phase (EDP) work, systemic specialization of available software, a lack of clear numerical feedback yielding intelligent decisions at EDP, a lack of clear information about the validity of rendering algorithm, and a lack of tools for the architectural integration of active solar systems. The second part of the research presents an additional analysis of data collected by an international survey among 350 building practitioners. The results show that respondents develop solar buildings mainly by using passive solar principles (passive solar gain and daylighting) according to the best of their knowledge. The survey also revealed some barriers related to computer tools and their use, such as complexity, high learning curve and poor integration into the normal design process. Finally, the overall results identify nine potential actions to adapt the current architectural practice to a high quality solar design and dissemination of knowledge on solar architecture.

L’énergie solaire disponible sur la terre constitue une ressource naturelle abondante et renouvelable. Toutefois, l’utilisation de cette énergie demeure, à ce jour, relativement peu répandue dans la pratique courante de l’architecture. Afin de contrer cette tendance, l’Agence Internationale de l’énergie (AIE) a mis sur pied la Tâche 41 "Énergie solaire et Architecture", dont le but principal est d’encourager et d’accélérer le développement d’une architecture solaire de haute qualité à l’échelle internationale. Réalisée dans le cadre de la Tâche 41 de l’AIE, cette recherche a pour objectif d’analyser des projets d’architecture choisis pour leur utilisation de l’énergie solaire, afin d’élargir les horizons des créateurs du domaine de la construction et, de manière plus générale, des citoyens concernés par leur environnement bâti. En marge de cet objectif, la recherche vise à présenter des méthodes et des outils d’exploitation du solaire pour les phases initiales du processus de conception de projets par les architectes.

Le processus de la photosynthèse nécessite l'énergie de la lumière solaire et, dans l’océan, se déroule essentiellement dans la couche euphotique. Outre les autres variables (à savoir la chlorophylle a et les paramètres photosynthétiques), une connaissance appropriée du champ lumineux en termes de rayonnement incident disponible sur la photosynthèse (PAR) à un emplacement, une profondeur et une heure et une date donnés, est requise par les modèles d'écosystème marin. Le travail inclus dans cette thèse examine comment des angles de zénith solaires plus grands et différentes conditions nuageuses caractéristiques des régions de haute latitude, en particulier dans l'Arctique, peuvent affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface et dans la colonne d’eau. L’accent est également mis sur les variations du champs lumineux à haute fréquence liées à la nébulosité sur les estimations de la productivité primaire. Les PAR de surface estimés à partir de différents modèles ont été comparés à des mesures en série chronologique in situ à haute fréquence de données de PAR d'une bouée située en mer Méditerranée. Nous avons examiné comment les incertitudes dues aux angles de zénith solaires plus grands, en conditions nuageuses variables, pouvaient affecter la précision des estimations de l'éclairement de surface. La méthode de classement objectif a été utilisée pour identifier les meilleures méthodes. Le produit PAR de la NASA-Ocean Biology Processing Group (OBPG) a montré les meilleures performances globales, tandis que les PAR basées sur la méthode de la table de conversion (LUT) ont présenté les meilleures performances en termes de différence carrée moyenne, de biais sous ciel clair et également par temps couvert. D'autres méthodes basées sur des formulations empiriques ont montré la troisième meilleure performance par temps clair, tandis que par temps nuageux, elles présentaient de plus grandes incertitudes. Trois méthodes testées par faible ensoleillement ont montré des incertitudes allant jusqu'à 50% dans toutes les conditions du ciel. Les performances du modèle dépendent des propriétés et des produits de nuage... / The process of photosynthesis requires the energy from sunlight and takes place essentially in the euphotic layer of the oceans. In addition to other variables (i.e., chlorophyll a and photosynthetic parameters) a suitable knowledge of light field in terms of photosynthetically available radiation (PAR) at any given location, depth and time is an important input parameter required by marine ecosystem models. The work included in this thesis examines how larger solar zenith angles, different cloud conditions that are characteristic features of high latitude regions, especially in Arctic, might affect the accuracy of surface irradiance estimates. Further, main focus was on the effects of high frequency variations in the light field on primary production. Surface PAR estimated from different models were compared with high frequency in situ time series measurements of PAR a buoy located in Mediterranean Sea. It was examined how uncertainties due to larger solar zenith angles under varying cloud conditions might affect the accuracy of surface irradiance. Objective ranking method was used to identify the best methods. Methods tested under low sun elevations exhibited uncertainties as large as 50% under all sky conditions. Model performances were dependent on cloud properties and products. Accuracy of a semianalytical model for coefficient of vertical diffuse attenuation of surface irradiance (kd!) based on optical properties inherent to the water itself (absorption and scattering), and solar zenith angle was examined under larger solar zenith angels and cloud conditions. Extensive radiative transfer simulations were performed to quantify the uncertainties due to large solar zenith angles and clouds on the estimates of diffuse attenuation coefficient. The uncertainties under both these conditions are due to the variability in the proportions of direct and diffuse parts of the total irradiance reaching the surface and in the water column. Also, an improved model parameterization proposed to estimate !"# under large solar zenith angels and cloud conditions was evaluated with Arctic in situ data exhibited good performances...

A l'heure actuelle les énergies fossiles traditionnelles (pétrole, charbon...) commencent à s'épuiser, ce qui pousse l'humanité à chercher d'autres sources d'énergie pour subvenir à ses besoins. La nature recèle beaucoup de sources d'énergie inépuisables et non polluantes comme l'énergie solaire, la biomasse et l'énergie éolienne. La disponibilité de l'énergie solaire, sa gratuité et son renouvellement encouragent sa collecte et son exploitation. L'énergie solaire peut être collectée pour diverses utilisations comme la réalisation d'une réaction chimique endothermique ou la production de l'électricité. La production de l'électricité solaire est opérée soit par des procédés photovoltaïques, soit par des procédés thermodynamiques. Ceux ci ont un rendement déjà intéressants, mais sont actuellement limités par la température des cycles à vapeur. Pour améliorer l'efficacité énergétique de ces procédés, une des solutions est de chauffer un gaz à très hautes températures en entrée d'une turbine à gaz. Le travail présenté dans ce mémoire décrit un procédé de collecte d'énergie solaire concentrée basé sur un lit fluidisé à changement de section. La collecte de l'énergie solaire se fait directement au travers d'une fenêtre transparente en quartz. La conception de notre récepteur solaire est basée sur deux études. La première consiste à tester plusieurs colonnes transparentes à froid de géométries et de dimensions différentes pour optimiser la distribution des particules lors de la fluidisation. Elle nous a permis de choisir les dimensions et la géométrie du récepteur solaire. En parallèle, nous avons réalisé un premier récepteur avec éclairement artificiel par des lampes infrarouges, au laboratoire RAPSODEE de l'Ecole des Mines d'Albi. Il nous a permis de vérifier la faisabilité du procédé et d'avoir les premiers résultats de la fluidisation à chaud. Le récepteur solaire a été ensuite testé au four solaire de 4,6 m du PROMES-CNRS à Odeillo. Durant notre travail nous avons étudié expérimentalement et numériquement les transferts thermiques dans le lit fluidisé et l'influence des divers paramètres physiques sur l'efficacité du récepteur. Un modèle mathématique des transferts radiatifs basé sur la méthode de Monte Carlo en 1 D a été réalisé. Ce modèle permet de déterminer la distribution des densités de flux thermiques dans les différentes couches du lit fluidisé ainsi que les pertes radiatives. Nous concluons sur la pertinence de nos choix dans ce travail et sur les perspectives.

Le "climat" à l'intérieur d'une serre dépend de son aération. Le processus d'aération est complexe, il participe à l'essentiel des échanges de chaleur et de masse avec l'extérieur, et sa maîtrise permet donc de contrôler les paramètres physiques tels que la température, l'humidité, ou les concentrations de gaz comme le CO2 par exemple. Ce contrôle est essentiel pour maintenir les plantes dans des conditions métaboliques favorables (respiration, photosynthèse, transpiration) et dans un état sanitaire satisfaisant.<br />La ventilation naturelle est le système le plus économique pour réguler le microclimat interne de la serre. Néanmoins, elle n'offre qu'un contrôle limité sur l'écoulement d'air dans la serre et reste difficile à maîtriser.<br />Cette étude contribue à l'analyse et à la modélisation des phénomènes mis en jeu dans l'aération naturelle des serres en verre, de grande portée, habituellement utilisées en culture ornementale (plantes en pots), sous climat tempéré, tel qu'en Anjou. Deux approches complémentaires incluant expérimentation in situ et modélisation mathématique du climat distribué sont mises en œuvre.<br />Des campagnes de mesures ont été menées à l'intérieur d'une serre de production et dans son environnement immédiat sous conditions réelles de culture ornementale. Des données météorologiques : température de l'air, vitesse et direction du vent, rayonnement solaire et atmosphérique, ont été collectées. L'ensemble de ces mesures constitue un jeu de données conséquent destiné à fournir les entrées du modèle numérique. Parallèlement à ces mesures, nous avons systématiquement procédé à des mesures du taux de renouvellement d'air qui ont été utilisées pour valider le modèle.<br />Un modèle numérique a été mis en œuvre. Il s'appuie sur un code de mécanique des fluides numérique (Computational Fluid Dynamics). Ce code permet de prédire les champs de vitesses et de températures à l'intérieur de la serre après résolution numérique des équations de base qui régissent les mouvements d'air (équations de Navier-Stokes couplées à l'équation de l'énergie) dans le domaine de calcul considéré. La turbulence, dont l'effet est loin d'être négligeable sous serre, a été modélisée à l'aide d'une fermeture de type k-e. Le taux d'aération a pu être déduit ensuite par résolution d'une équation de transport d'un gaz traceur virtuel. Un module radiatif a été ajouté dans le modèle numérique afin de prendre en compte le rayonnement d'origine solaire et atmosphérique. Ce module résout l'équation des Transferts Radiatifs qui est couplée à l'équation de l'énergie.<br />Ce modèle « complet » a pu être vérifié et validé pour différentes conditions climatiques. Il a été ensuite utilisé pour analyser l'impact de la configuration des ouvrants sur le climat et sur les flux de chaleur au niveau de la toiture de la serre. Cette analyse a porté non seulement sur la ventilation mais aussi sur l'homogénéité de la distribution des vitesses et des températures dans la serre et notamment au niveau des cultures.<br />Enfin, des indicateurs d'efficacité de l'aération de la serre sous climat estival ont pu être dégagés pour différentes configurations d'aération (ouverture) et différentes conditions climatiques.