• Langue : Français
• Discipline : Terre, enveloppes fluides
• Identifiant : 2023ULILR061
• Type de thèse : Doctorat
• Date de soutenance : 20/12/2023

Résumé en langue originale

Le rayonnement solaire incident en surface, principale source d'énergie pour la vie sur Terre et pour la ressource photovoltaïque, présente de fortes variabilités spatio-temporelles en raison notamment de l'influence des propriétés de l'atmosphère.L'objectif principal de cette thèse est d'analyser la variabilité récente et l'évolution future de l'environnement solaire en région Hauts-de-France (HdF), caractérisée par une forte influence de conditions nuageuses et des niveaux significatifs de pollution particulaire.Nous utilisons d'abord les mesures coïncidentes continues des propriétés optiques des aérosols et du rayonnement solaire incident à la surface effectuées à Lille entre 2010 et 2022. La mise au point d'une classification des conditions d'ensoleillement en trois catégories (ciel clair, ciel nuageux avec soleil visible ou non) permet d'obtenir des climatologies de l'environnement solaire par type de situations. Par ailleurs, l'utilisation d'une décomposition multivariée basée sur des simulations du transfert radiatif permet d'analyser l'influence de la variabilité des nuages et des aérosols atmosphériques sur celle de l'environnement solaire mesurée à Lille. Le printemps et l'été, deux saisons clefs en termes de ressource solaire, sont marquées par des conditions moins nuageuses et des concentrations en aérosols élevées. Au printemps, l'effet des aérosols est maximum, avec une réduction du flux global incident de l'ordre de -9 W/m² en moyenne (-23 W/m², en l'absence de nuages dans la direction du Soleil). Les aérosols modifient considérablement la partition entre le flux direct et diffus, augmentant la proportion de diffus d'un facteur 2 en moyenne en ciel clair. A Lille, notre analyse met également en évidence une tendance sur la période d'étude à l'augmentation des flux global et direct (de l'ordre de +4 W/m²/an) pour ces deux saisons, en lien notamment avec une diminution de la fréquence des conditions nuageuses.Afin d'étendre spatialement l'étude menée à Lille à l'ensemble de la région HdF et ses environs, nous utilisons les simulations climatiques du modèle régional ALADIN-Climat incluant le schéma d'aérosol TACTIC. L'analyse d'un premier jeu de simulations en mode HINDCAST sur la période 2010-2020 montre des scores de comparaisons satisfaisants avec les mesures de flux et d'aérosols effectuées sur plusieurs sites de notre zone d'étude. Cette approche met également en évidence un maximum d'ensoleillement et de flux global au printemps et en été, en particulier sur le sud de la région d'étude, la Manche et la Mer du Nord, ainsi que des niveaux particulièrement élevés d'aérosols sur le Bénélux et la région HdF. De plus, la tendance récente à l'augmentation du flux global mesurée à Lille en lien avec la diminution de la fréquence des conditions nuageuses, est confirmée par ALADIN-Climat sur une large part de la région.Enfin, nous analysons, à l'aide de trois jeux supplémentaires de simulations d'ALADIN-Climat en mode climatique, l'évolution future possible, au printemps et en été, de l'environnement solaire aux horizons 2050 et 2100, par rapport à la période 2005-2014, pour deux scénarios climatiques CMIP6 contrastés. Pour le scénario SSP1-1.9 relativement optimiste, ALADIN-Climat projette une augmentation du flux global au printemps et en été en 2100, en particulier sur l'Angleterre et l'est de la zone d'étude, en lien avec une diminution coïncidente de la fraction nuageuse et des aérosols. Pour le scénario SSP3-7.0 plus pessimiste, ALADIN-Climat simule au contraire une diminution significative du flux global sur l'ensemble de la zone pour les deux saisons, en lien avec une augmentation des aérosols et de la vapeur d'eau. En été, ALADIN-Climat simule une diminution de la couverture nuageuse qui compense, plus en 2050 qu'en 2100, ces premiers effets. Au printemps, les simulations projettent au contraire une augmentation de la couverture nuageuse, qui accentue la diminution du flux global dès 2050.

Résumé traduit

The solar radiation incident at the surface, primary source of energy for life on Earth and for photovoltaic resources, exhibits strong spatiotemporal variabilities, mainly due to the influence of atmospheric properties.The main objective of this thesis is to analyze the recent variability and future evolution of the solar environment in the Hauts-de-France region (HdF), which is characterized by a strong influence of cloudy conditions and significant levels of particulate pollution.We first use continuous coincident measurements of aerosol optical properties and incident solar radiation at the surface conducted in Lille between 2010 and 2022. The development of a classification of sunshine conditions into three categories (clear sky, cloudy sky with visible or non-visible sun) allows us to obtain solar environment climatologies for the different situations. Furthermore, the use of a multivariate decomposition based on radiative transfer simulations allows us to analyze the influence of cloud and atmospheric aerosol variability on the measured solar environment in Lille. Spring and summer, two key seasons in terms of solar resource, are marked by less cloudy conditions and high aerosol concentrations. In spring, the aerosol direct radiative effect is maximum, with an average reduction of the incident global irradiance of about -9 W/m² (-23 W/m² in the absence of clouds in the direction of the Sun). Aerosols significantly alter the partition between direct and diffuse solar radiation, increasing the proportion of diffuse irradiance by a factor of 2 on average under clear skies. In Lille, our analysis also highlights a trend over the study period of increasing global and direct solar flux (approximately +4 W/m²/year) for these two seasons, in connection with a decrease in the frequency of cloudy conditions.To spatially extend the study conducted in Lille to the entire HdF region and its surroundings, we use climate simulations from the ALADIN-Climat regional model, which includes the TACTIC aerosol scheme. Analysis of a first set of HINDCAST simulations for the period 2010-2020 shows satisfactory comparisons with flux and aerosol measurements from several sites in our study area. This approach also highlights maximum sunshine and global flux in spring and summer, especially in the southern part of the study region, the English Channel, and the North Sea, as well as particularly high levels of aerosols over the Benelux and the HdF region. Furthermore, the recent increasing trend of the global irradiance measured in Lille due to the decrease in the frequency of cloudy conditions is confirmed by ALADIN-Climat over a large part of the region. Finally, using three additional sets of ALADIN-Climat simulations in climate mode, we analyze the possible future evolution, in spring and summer, of the solar environment in 2050 and 2100 compared to the period 2005-2014 for two contrasting CMIP6 climate scenarios. For the relatively optimistic SSP1-1.9 scenario, ALADIN-Climat projects an increase in global flux in spring and summer in 2100, especially over England and the eastern part of the study area, in connection with a coincident decrease in cloud cover and aerosols. For the more pessimistic SSP3-7.0 scenario, ALADIN-Climat simulates, on the contrary, a significant decrease in global flux across the entire region for both seasons, in connection with an increase in aerosols and water vapor. In summer, ALADIN-Climat simulates a decrease in cloud cover that compensates for these initial effects, more so in 2050 than in 2100. In spring, the simulations project an increase in cloud cover, which amplifies the decrease in global flux as early as 2050.