Quelle est la précision des données d'irradiation SolarAnywhere® ? Elles sont suffisamment précises pour identifier une erreur d'étalonnage non détectée dans l'une des stations de vérité au sol les plus fiables du pays.
La figure 1 présente l'irradiance normale directe (DNI) et l'irradiance horizontale globale (GHI) mesurées à la station de Station SURFRAD de Fort Peck, Montana et du satellite SolarAnywhere GHI lors de journées claires comparables en 2013 et 2015 (31 juillet 2013 et 31 juillet 2015). Le DNI mesuré (graphique de gauche) est presque identique pour les deux années. Le GHI de SolarAnywhere (graphique de droite) est presque identique pour les deux années. Le GHI mesuré (graphique du milieu), cependant, ne l'est pas. Le GHI mesuré en 2015 est nettement inférieur au GHI mesuré en 2013.
Il n'y a pas de cause physique directe pour expliquer pourquoi l'observation du GHI de 2015 serait plus faible alors que le DNI reste constant. Nous avons conclu qu'il y avait une erreur d'étalonnage du GHI à la station SURFRAD. L'opérateur du site SURFRAD a par la suite a étayé cette conclusion.
Enquête déclenchée par l'utilisateur de SolarAnywhere
C'est un utilisateur de SolarAnywhere qui a déclenché l'enquête sur cette question. L'utilisateur comparait les données de SolarAnywhere à celles de la station de vérification au sol de Fort Peck. Fort Peck fait partie des 7 stations Réseau SURFRAD exploitées par la NOAA aux États-Unis. Elle fait partie du Baseline Surface Radiation Network (BSRN). Fort Peck est une source fiable de données d'irradiance vérifiées au sol. Les modèles de ressources solaires tels que SolarAnywhere utilisent ces données à des fins de comparaison.
L'utilisateur de SolarAnywhere a remarqué des divergences inexpliquées entre les deux ensembles de données. L'utilisateur a signalé que la variabilité d'une année sur l'autre ne correspondait pas toujours bien aux observations au sol de Fort Peck. La figure 2 compare le GHI annuel mesuré au GHI de SolarAnywhere. Les données de SolarAnywhere sont nettement supérieures aux mesures au sol en 2015.
Enquête complémentaire sur l'erreur d'étalonnage
Le résultat de 2015 a légèrement dépassé la marge d'erreur publiée du modèle non accordé. Notre première hypothèse était qu'il s'agissait d'un niveau d'incertitude acceptable. Cependant, l'un des atouts des données satellitaires est leur capacité à fournir une ressource d'évaluation à long terme qui tient compte avec précision de la variabilité d'une année sur l'autre. Ceci est bénéfique pour les développeurs et les planificateurs. Nous avons décidé d'approfondir cette question.
Un examen plus approfondi des données horaires a révélé la nature sous-jacente de la différence de tendance observée. La figure 3 compare le GHI de SolarAnywhere aux mesures SURFRAD de Fort Peck en 2013 et 2015.
Le biais plus élevé de SolarAnywhere en 2015 est visible à travers les événements de conditions de ciel clair ; c'est-à-dire les points densément concentrés près de la ligne 1-1 pendant les conditions d'irradiation plus élevées. Il existe un alignement étroit entre les points de ciel clair détectés par les données au sol et celles de SolarAnywhere en 2013. Les données SolarAnywhere sont systématiquement supérieures aux mesures au sol en 2015.
Il n'y a pas de différences significatives dans les entrées de turbidité du modèle satellitaire (c'est-à-dire l'AOD et l'eau précipitable) qui sous-tendent les calculs de ciel clair entre les deux années. La différence de la figure 3 doit provenir des observations au sol.
La figure 4 compare les événements de ciel clair GHI mesurés en 2013 et 2015. Chaque point du diagramme de dispersion correspond aux conditions dans lesquelles SolarAnywhere GHI était supérieur à 92 % des conditions de ciel clair (c'est-à-dire Kt*> 0,92) au cours des deux années pour le même jour civil et la même heure. L'échantillon de points coïncidents indique une diminution moyenne de ~ 3,4 % du GHI observé dans des conditions de ciel clair entre 2013 et 2015.
Source de l'erreur
Quelle est la raison de cette diminution des données au sol en 2015 ? Était-elle due à une turbidité plus élevée en 2015 résultant d'une saison de feux intense dans l'ouest des États-Unis ? Ou était-elle due à un changement de calibration des instruments ? La première hypothèse montrerait que le modèle satellitaire a des limites car il n'est pas assez précis pour s'adapter à des conditions de turbidité changeantes. La seconde suggérerait que SolarAnywhere peut identifier les problèmes de calibration.
Nous avons examiné le DNI mesuré indépendamment à la station de Fort Peck pour répondre à cette question. L'examen du DNI amplifiera toute diminution du GHI si la cause en est une turbidité plus élevée. Nous avons répété la procédure de la figure 4 pour le DNI, en sélectionnant les points de coïncidence calendrier/heure du jour au-dessus d'un seuil de ciel clair pour les deux années. La figure 5 présente les résultats.
Les résultats montrent qu'il n'y a pas de changement appréciable dans les événements DNI de ciel clair à Fort Peck entre 2013 et 2015. Il est physiquement impossible d'avoir une réduction du GHI par ciel clair sans une réduction simultanée et plus importante du DNI par ciel clair. Nous pouvons seulement conclure que l'étalonnage de 2015 de l'instrument SURFRAD GHI était plus faible en 2015 qu'en 2013.
L'exemple décrit dans la figure 1 ci-dessus illustre et confirme cette conclusion. De plus, nous avons utilisé l'éclairement énergétique diffus et le DNI mesurés indépendamment pour calculer le GHI. Nous avons constaté que le GHI mesuré indirectement via l'irradiance diffuse et le DNI était presque identique pour les deux années. Ceci confirme la thèse d'une erreur de calibration du GHI.
Confirmation par la NOAA
Nous avons confirmé ce résultat par une enquête auprès de la NOAA. Le personnel change les instruments SURFRAD chaque année en septembre. Il y a effectivement eu des problèmes de décalage d'étalonnage avec le capteur GHI qui ont couvert une grande partie de 2015. La NOAA est en train de corriger ce problème. Heureusement, cela n'affectera pas les études d'évaluation du modèle climatique BSRN puisqu'elles sont basées sur la méthode privilégiée de mesure indirecte du GHI à partir du DNI et du diffus.
Ligne de fond
Nous tirons trois conclusions de ce travail. Premièrement, SolarAnywhere est une source fiable de données relatives aux ressources solaires à long terme. Elle est suffisamment précise pour identifier les problèmes de calibration de l'un des ensembles de données de vérification de l'irradiance les plus fiables du pays.
Deuxièmement, la qualité du réglage des données satellitaires dépend des instruments utilisés pour le réglage. L'utilisateur doit confirmer que l'étalonnage et la maintenance sont corrects avant de procéder à l'ajustement des données.
Troisièmement, cet exercice confirme qu'il est plus sûr d'utiliser le DNI et le diffus pour calculer le GHI pour les applications de vérification au sol si ces deux composantes sont disponibles, mesurées indépendamment et étalonnées et maintenues de manière fiable. Ceci est en accord avec Organisation météorologique mondiale et d'autres recommandations.