Méthodologie

L'Atlas est basé sur un ensemble de domaines méso-échelle quadrilatères nommés « tuiles ». La juxtaposition de ces tuiles, au nombre de 65 et présentant un recouvrement partiel mutuel, forme une représentation du potentiel éolien du Canada. Sur chaque tuile, le climat est caractérisé par un vaste ensemble de conditions illustrant plus de 200 états atmosphériques possibles. La modélisation climatique consiste alors à obtenir une solution spatiale de l'écoulement – donc du vent – pour chacun de ces états. Les résultats sont ensuite post-traités en fonction des vents dominants de chaque région selon un modèle statistique, afin d'obtenir une vitesse du vent moyenne pondérée.

La méthode statistique-dynamique d'étude des phénomènes de sous-échelle (Frey-Buness et al., 1995) est appliquée pour créer l'atlas éolien. Cette méthode consiste à générer de l'information atmosphérique de plus petite échelle spatiale en utilisant des modèles de la dynamique des fluides et des statistiques sur les données atmosphériques de plus grande échelle. Elle peut être résumée en quatre étapes :

Classification du climat éolien

La représentation tridimensionnelle de l'état atmosphérique (disponible à chaque six heures sur une maille de 2.5°) connue sous le nom des réanalyses NCAR/NCEP (Kalnay et al., 1996) est choisie comme la base de données. Ses éléments sont classifiés (Frank et al., 2001) selon les valeurs de trois paramètres suivants : la direction du vent géostrophique à 0 m d'altitude (16 secteurs égaux), sa vitesse (9 classes de largeur 2 m/s de 0 à 18 m/s et 5 classes de largeur 4 m/s de 18 à 38 m/s - 14 classes au total) et le signe de la différence de la vitesse du vent géostrophique entre 1500 et 0 m (positif ou négatif). On obtient ainsi 432 classes (16x13x2+16 car les vitesses inférieures à 2 m/s sont classifiées uniquement selon leur direction), appelées aussi les états climatiques. Chaque élément de la longue série temporelle (toutes les six heures pendant 43 ans de 1958 jusqu'à 2000) du vent géostrophique à 0 m de la base de données est assigné à un état climatique. Pour chaque point de grille de la base de données, la procédure de classification permet d'établir l'ensemble des états climatiques qui se sont réalisés et leur fréquence durant la période d'analyse. Cette information est indispensable aussi bien pour l'initialisation du modèle que pour le post-traitement statistique de ses résultats.

Simulations à méso-échelle

Les simulations sont effectuées avec le Modèle Compressible Communautaire (MC2) (Benoit et al., 1997), le modèle atmosphérique de pointe utilisé par Environnement et Changement climatique Canada, des universités canadiennes et d'autres centres de recherche à l'étranger. Une résolution de 5 km (vraie à 60° Nord) et une projection polaire stéréographique sont choisies. Un ensemble de 65 domaines, de 175 par 175 points chacun, superposés avec un recouvrement de 40% et qui englobe le territoire du Canada au complet est créé. La résolution verticale est variable et comprend 28 niveaux avec les plus bas niveaux pour le calcul du vent à 50 et 150 m. Les conditions au sol sont moyennées à la résolution du modèle et proviennent, pour l'orographie et l'utilisation du sol, de la base de données de U. S. Geological Survey à la résolution de 900 m. La rugosité est calculée uniquement à partir de l'utilisation du sol. Le centre de chaque domaine est associé avec le plus proche point de grille de la base de données NCAR/NCEP. Grâce à la procédure de classification, ce point est caractérisé par l'ensemble d'états climatiques et leur fréquence. Pour chaque état climatique, une simulation de modèle MC2 est effectuée. Ceci implique l'initialisation du modèle avec les données météorologiques à grande échelle. Le schéma de physique simplifié qui ne prend en considération ni rayonnement, ni condensation, ni cycle journalier, est utilisé pour accélérer la convergence du modèle à l'état d'équilibre. Le pas de temps utilisé est de 120 secondes et une période de neuf heures est requise pour l'adaptation de l'écoulement initial aux propriétés géophysiques de la surface.

Post-traitement statistique

Pour chaque domaine et pour un niveau choisi, l'ensemble des résultats du modèle est combiné, chacun avec son poids égal à la fréquence qui caractérise l'état climatique simulé. L'Atlas saisonnier est construit en appliquant des poids issus d'une climatologie saisonnière à chacun des états climatiques simulés pour l'atlas annuel.

On obtient ainsi une représentation bidimensionnelle du potentiel éolien du domaine. Les images de la vitesse moyenne (EU) et de la puissance éolienne moyenne (E1) sont disponibles dans la section des cartes de l'atlas pour les trois niveaux 30, 50 et 80 m. Le niveau 50 m est aussi caractérisé en tout point par la fréquence d'occurrence de 12 secteurs de vitesse - sous la forme d'une rose de vents - et par la fréquence d'occurrence de 27 classes de vitesse - sous la forme d'un histogramme. Toutes les variables qui caractérisent le potentiel éolien sont disponibles dans les fichiers standard de RPN.

Les variables EU et E1 sont également disponibles dans les fichiers MID/MIF dont le format est compatible avec de nombreux logiciels de traitement des images et les systèmes d'information géographique (SIG). Ces deux types de fichiers sont disponibles dans la partie téléchargements de ce site.

Modélisation à micro-échelle

Le post-traitement statistique génère des données, disponibles dans les fichiers standard de RPN, nécessaires pour effectuer les simulations à micro-échelle avec les modèles tels que MS-Micro d'Environnement et Changement climatique Canada (Walmsley et al., 1986) ou WAsP du Laboratoire Riso au Danemark (Troen and Petersen, 1989). La connaissance de la distribution de fréquence de la vitesse moyenne du vent par secteur et par classe (la variable UHR) est essentielle pour la modélisation à micro-échelle. Elle permet de calculer une table des fréquences à deux dimensions pour la vitesse moyenne en fonction du module et de la direction du vent. Les autres résultats du post-traitement statistique peuvent être aussi utilisés au besoin. Par contre, la description des propriétés de la surface à haute résolution, aussi requise pour la modélisation à micro-échelle, n'est pas disponible ici.

Bibliographie

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