Le rayonnement à ondes courtes est une énergie radiante produite par le soleil avec des longueurs d’onde allant de l’infrarouge à l’ultraviolet en passant par le visible. Le rayonnement à ondes courtes est donc exclusivement associé aux heures de jour pour un endroit particulier de la surface de la Terre. L’énergie arrive au sommet de l’atmosphère terrestre avec un flux (Watts par mètre carré) qui varie très peu au cours de l’année et entre les années. Par conséquent, ce flux est généralement considéré comme une constante pour les simulations hydrologiques. Une partie du rayonnement entrant est réfléchie par le sommet de l’atmosphère et une autre partie est réfléchie par les nuages. Une partie du rayonnement entrant est absorbée par l’atmosphère et une autre partie est absorbée par les nuages. L’albédo est la fraction du rayonnement de courte longueur d’onde arrivant à la surface terrestre qui est renvoyée dans l’atmosphère. Le rayonnement de courte longueur d’onde qui n’est pas réfléchi ou absorbé au-dessus de la surface terrestre, et qui n’est pas réfléchi par la surface terrestre, est disponible pour entraîner les processus hydrologiques tels que l’évapotranspiration et la fonte du manteau neigeux.
La méthode de rayonnement de courte longueur d’onde incluse dans le modèle météorologique n’est nécessaire que lorsque des méthodes de bilan énergétique sont utilisées pour l’évapotranspiration ou la fonte des neiges. Les options disponibles couvrent une gamme de détails allant du simple au complexe. Des méthodes simples spécifiées sont également disponibles pour l’entrée d’une jauge ou d’une grille de séries temporelles. Chaque option produit le rayonnement net de courte longueur d’onde arrivant à la surface terrestre où il peut être réfléchi ou absorbé. Plus de détails sur chaque méthode sont fournis dans les sections suivantes.
La méthode Bristow Campbell (Bristow et Campbell, 1984) utilise une approche conceptuelle pour estimer le rayonnement de courte longueur d’onde à la surface terrestre. Pendant la journée, tout nuage présent dans l’atmosphère bloque une partie du rayonnement solaire entrant, ce qui réduit le réchauffement solaire et entraîne une température plus basse. Inversement, l’absence de nuages permet à une plus grande partie du rayonnement solaire de traverser l’atmosphère, ce qui permet un réchauffement plus important et des températures de l’air généralement plus élevées. En théorie, l’amplitude thermique quotidienne devrait être faible les jours nuageux et importante les jours non nuageux. Cette corrélation entre la plage de température et le rayonnement solaire entrant est exploitée comme un moyen simple de calculer le rayonnement de courte longueur d’onde en utilisant uniquement la température de l’air.
La méthode Bristow Campbell comprend un éditeur de composants avec des données de paramètres pour chaque sous-bassin du modèle météorologique. L’explorateur de bassin versant permet d’accéder à l’éditeur de composantes d’ondes courtes à l’aide d’une image de rayonnement solaire (figure 1).
Une jauge de température de l’air doit être sélectionnée dans les variables atmosphériques pour chaque sous-bassin.
Figure 1. Un modèle météorologique utilisant la méthode de rayonnement à ondes courtes de Bristow Campbell avec un éditeur de composants pour chaque sous-bassin individuel.
L’éditeur de composants pour chaque sous-bassin dans le modèle météorologique est utilisé pour entrer les données des paramètres (Figure 2). La transmittance représente les caractéristiques maximales du ciel clair sur le bassin versant. La valeur par défaut de la transmittance est de 0,70. L’exposant contrôle le moment où la température maximale est atteinte et peut varier d’un environnement humide à un environnement aride. La valeur par défaut de l’exposant est 2,4.
La plage de température moyenne mensuelle doit être saisie. Cette valeur est la différence entre la température moyenne mensuelle élevée et la température moyenne mensuelle basse.
Figure 2. Saisie des données relatives à l’atmosphère et à la température d’un sous-bassin à l’aide de la méthode de rayonnement à ondes courtes de Bristow Campbell.
FAO56
La méthode FAO56 met en œuvre l’algorithme détaillé par Allen, Pereira, Raes et Smith (1998). L’algorithme calcule la déclinaison solaire et l’angle solaire pour chaque intervalle de temps de la simulation, en utilisant les coordonnées du sous-bassin, le jour julien de l’année et l’heure au milieu de l’intervalle. Les valeurs solaires sont utilisées pour calculer le rayonnement extra-terrestre pour chaque sous-bassin. Les heures totales de lumière du jour sont calculées sur la base du jour julien et comparées au nombre d’heures réelles d’ensoleillement. Le rayonnement de courte longueur d’onde arrivant à la surface du sol est ensuite calculé en utilisant la relation la plus courante comptabilisant la réduction des heures d’ensoleillement due à la couverture nuageuse.
L’Explorateur de bassins versants permet d’accéder aux éditeurs de la composante de courte longueur d’onde en utilisant une image du rayonnement solaire (Figure 3). La méthode FAO56 comprend un éditeur de composantes avec des données de paramètres pour tous les sous-bassins du modèle météorologique (Figure 4). Un éditeur de composantes est également inclus pour chaque sous-bassin (Figure 5).
Figure 3. Un modèle météorologique utilisant la méthode de rayonnement à ondes courtes FAO56 avec un éditeur de composants pour chaque sous-bassin individuel.
Un éditeur de composants pour tous les sous-bassins du modèle météorologique comprend le méridien central du fuseau horaire (Figure 4). Il n’y a actuellement aucune spécification pour le fuseau horaire, donc le méridien doit être spécifié manuellement. Le méridien central est généralement la longitude au centre du fuseau horaire local. Les méridiens à l’ouest de la longitude zéro doivent être spécifiés comme négatifs tandis que les méridiens à l’est de la longitude zéro doivent être spécifiés comme positifs. Le méridien peut être spécifié en degrés décimaux ou en degrés, minutes et secondes selon les paramètres du programme.
Figure 4. Entrée de la longitude du méridien central du fuseau horaire local.
L’éditeur de composantes pour chaque sous-bassin du modèle météorologique est utilisé pour entrer les données de paramètres nécessaires pour tenir compte des différences de couverture nuageuse dans le bassin versant (figure 5). La couverture nuageuse est considérée à travers une série temporelle d’heures d’ensoleillement. Les heures d’ensoleillement sont définies comme le nombre d’heures décimales par heure pleine où le rayonnement d’ondes courtes dépasse 120 watts par mètre carré (OMM, 2008).
Figure 5. Sélection d’une jauge de série temporelle pour les heures d’ensoleillement.
Hargreaves maillé
La méthode Hargreaves maillé est la même que la méthode Hargreaves régulière (décrite dans une section ultérieure), sauf que les équations de Hargreaves sont appliquées à chaque cellule de la grille en utilisant des conditions limites distinctes au lieu de valeurs moyennes de surface sur l’ensemble du sous-bassin.
La méthode des ondes courtes de Hargreaves sur grille comprend un éditeur de composantes avec des données de paramètres pour tous les sous-bassins du modèle météorologique. L’explorateur de bassin versant permet d’accéder à l’éditeur de composantes d’ondes courtes à l’aide d’une image du rayonnement solaire (figure 6).
Figure 6. Un modèle météorologique utilisant la méthode de Hargreaves grillée pour les ondes courtes avec un éditeur de composantes pour tous les sous-bassins.
L’éditeur de composantes exige qu’un gridset de température soit sélectionné pour tous les sous-bassins (Figure 7). Le gridset actuel est affiché dans la liste de sélection. S’il y a de nombreux jeux de grilles différents disponibles, vous pouvez choisir un jeu de grilles dans le sélecteur auquel on accède avec le bouton de grille à côté de la liste de sélection.
L’éditeur de composants nécessite le méridien central du fuseau horaire. Si le modèle de bassin s’étend sur plusieurs fuseaux horaires, alors saisissez le méridien central du fuseau horaire contenant la majeure partie de la zone de drainage du modèle de bassin. Le méridien central est la longitude au centre du fuseau horaire local. Les méridiens à l’ouest de la longitude zéro doivent être spécifiés comme négatifs tandis que les méridiens à l’est de la longitude zéro doivent être spécifiés comme positifs. Le méridien peut être spécifié en degrés décimaux ou en degrés, minutes et secondes selon les paramètres du programme.
L’éditeur de composants nécessite un coefficient d’ondes courtes de Hargreaves. Le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves par défaut est de 0,17 par racine carrée de degrés Celsius ; cela équivaut à 0,1267 par racine carrée de degrés Fahrenheit. Le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves par défaut de 0,17 par racine carrée de degré Celsius est implicite dans la formulation de l’évapotranspiration potentielle de Hargreaves et Samani (1985). Le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves peut être ajusté par l’utilisateur.
Figure 7. Éditeur de composants pour la méthode d’ondes courtes de Hargreaves grillée.
Ondes courtes grillées
La méthode d’ondes courtes grillée est conçue pour fonctionner avec la transformée grillée ModClark. Cependant, elle peut également être utilisée avec d’autres méthodes de transformation de moyenne de surface. L’utilisation la plus courante de la méthode consiste à utiliser les estimations du rayonnement de courte longueur d’onde sur grille produites par un modèle externe, par exemple, un modèle atmosphérique dynamique. Si elle est utilisée avec une méthode de transformation autre que ModClark, une moyenne pondérée en fonction de la superficie des cellules de la grille dans le sous-bassin est utilisée pour calculer la série chronologique du rayonnement de courte longueur d’onde pour chaque sous-bassin.
La méthode de rayonnement de courte longueur d’onde sur grille comprend un éditeur de composants avec des données de paramètres pour tous les sous-bassins du modèle météorologique. L’explorateur de bassin versant permet d’accéder à l’éditeur de composantes d’ondes courtes à l’aide d’une image du rayonnement solaire (figure 6).
Figure 6. Un modèle météorologique utilisant la méthode des ondes courtes grillées avec un éditeur de composantes pour tous les sous-bassins du modèle météorologique.
Un éditeur de composantes pour tous les sous-bassins du modèle météorologique comprend la sélection de la source de données (Figure 7). Un jeu de grilles de rayonnement doit être sélectionné pour tous les sous-bassins. Les jeux de grilles actuels sont affichés dans la liste de sélection. S’il y a beaucoup de grilles différentes disponibles, vous pouvez choisir une grille dans le sélecteur accessible par le bouton de la grille à côté de la liste de sélection. Le sélecteur affiche la description de chaque jeu de grille, ce qui facilite la sélection du bon jeu de grille.
Figure 7. Spécification de la source de données de rayonnement d’ondes courtes pour la méthode d’ondes courtes par grille.
Hargreaves
La méthode d’ondes courtes de Hargreaves met en œuvre l’algorithme de rayonnement d’ondes courtes décrit par Hargreaves et Samani (1982). La méthode calcule la déclinaison solaire et l’angle solaire pour chaque intervalle de temps de la simulation, en utilisant les coordonnées du sous-bassin, le jour julien de l’année et l’heure au milieu de l’intervalle de calcul. Les valeurs solaires sont utilisées pour calculer le rayonnement extra-terrestre pour chaque sous-bassin. L’intervalle de température quotidienne, la température maximale quotidienne moins la température minimale quotidienne, fonctionne comme une approximation de la couverture nuageuse. Le rayonnement à ondes courtes arrivant à la surface du sol est calculé en fonction du rayonnement extra-terrestre et de la plage de température quotidienne.
La méthode des ondes courtes de Hargreaves est paramétrée pour tous les sous-bassins du modèle de bassin. Sélectionnez le nœud d’ondes courtes de Hargreaves dans l’explorateur de bassin (Figure 8) pour accéder à l’éditeur de composants d’ondes courtes de Hargreaves (Figure 9). Une jauge de température de l’air doit être sélectionnée dans les variables atmosphériques pour chaque sous-bassin. La jauge de température doit avoir des mesures infra-quotidiennes afin que les températures minimales et maximales quotidiennes puissent être analysées. L’éditeur de composants des variables atmosphériques des sous-bassins est accessible en cliquant sur un nœud de sous-bassins dans Watershed Explorer.
Figure 8. Un modèle météorologique utilisant la méthode de rayonnement à ondes courtes de Hargreaves avec un éditeur de composants pour le bassin.
L’éditeur de composants à ondes courtes de Hargreaves est illustré à la figure 9. L’utilisateur doit saisir le méridien central du fuseau horaire et le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves. Si le modèle de bassin s’étend sur plusieurs fuseaux horaires, saisir le méridien central du fuseau horaire contenant la majeure partie de la zone de drainage du modèle de bassin. Le méridien central est la longitude au centre du fuseau horaire local. Les méridiens à l’ouest de la longitude zéro doivent être spécifiés comme négatifs tandis que les méridiens à l’est de la longitude zéro doivent être spécifiés comme positifs. Le méridien peut être spécifié en degrés décimaux ou en degrés, minutes et secondes selon les paramètres du programme. Le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves par défaut est de 0,17 par racine carrée de degré Celsius ; cela équivaut à 0,1267 par racine carrée de degré Fahrenheit. Le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves par défaut de 0,17 par racine carrée de degré Celsius est implicite dans la formulation de l’évapotranspiration potentielle de Hargreaves et Samani (1985). Le coefficient d’ondes courtes de Hargreaves peut être ajusté par l’utilisateur.
Figure 9. Entrée de la longitude du méridien central du fuseau horaire local (US Pacific dans ce cas) et du coefficient de rayonnement d’ondes courtes de Hargreaves.
Pyranographe spécifique
Un pyranomètre est un instrument qui peut mesurer le rayonnement solaire entrant d’ondes courtes. Ils ne font pas partie des stations d’observation météorologique de base, mais peuvent être inclus dans les stations de premier ordre. Cette méthode peut être utilisée pour importer des valeurs observées à partir d’un pyranomètre ou pour importer des estimations produites par un modèle externe. C’est le choix recommandé pour une utilisation avec la méthode d’évapotranspiration Priestley Taylor, où un rayonnement effectif est utilisé qui inclut à la fois le rayonnement à ondes courtes et à ondes longues.
La méthode pyranographe spécifiée comprend un éditeur de composants avec des données de paramètres pour tous les sous-bassins du modèle météorologique. L’explorateur de bassin versant permet d’accéder aux éditeurs de composantes d’ondes courtes à l’aide d’une image de rayonnement solaire (Figure 10).
L’éditeur de composantes pour tous les sous-bassins du modèle météorologique comprend la jauge de série temporelle de rayonnement d’ondes courtes pour chaque sous-bassin (Figure 11). Une jauge de rayonnement solaire doit être sélectionnée pour un sous-bassin. Les jauges actuelles sont affichées dans la liste de sélection.
Figure 10. Un modèle météorologique utilisant la méthode pyranographe à ondes courtes spécifiée avec un éditeur de composants pour tous les sous-bassins.
Figure 11. Spécification de la jauge de série temporelle de rayonnement d’ondes courtes pour chaque sous-bassin.
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