L’îlot de chaleur

Pour comprendre l'importance de l'effet « d'îlot de chaleur urbain (ICU) » dans la mesure de la température de la terre, il est nécessaire de savoir comment sont effectuées lesdites mesures...

Mesurer la température de l’air

Mesurer la température de l’air depuis l’invention du thermomètre est facile. Il suffit de regarder l’aiguille sur un cadran ou le niveau de liquide dans le tube de verre face aux graduations sous-jacentes et de les reporter sur un papier. 🙂

La précision de lecture (graduation, défaut de parallaxe, myopie de l'opérateur) et celle du calibrage de l’instrument vont déterminer l'incertitude de la mesure. Les erreurs d’écriture vont rajouter d’autres incertitudes aléatoires. Mais qu’en est-il de la justesse de la mesure et comment être sûr qu’elle représente bien la température de l’air ?

Exemple d'écran Stevenson utilisé par Météo-France

L'écran Stevenson

C’est à partir de la deuxième moitié du XIXe siècle que les thermomètres vont être placés dans un abri ou écran « Stevenson » de façon à ce que la température mesurée soit effectuée à peu près dans les mêmes conditions partout. L’Organisation Météorologique Internationale est crée en 1873. En 1951, elle deviendra l’ Organisation Météorologique Mondiale (WMO), une agence de l’ONU.

Lors de la mesure de la température, les thermomètres doivent être protégés des rayonnements solaire et de ceux en provenance du sol. l’abri ne doit pas avoir une trop grande masse calorique et doit être ventilé pour que l'air de l'intérieur représente bien l'atmosphère extérieure. La ventilation latérale est assurée par des persiennes et chaque abri a une cheminée qui évacue l'air par convection. Pour limiter l'absorption de rayonnement solaire, l'abri météorologique est peint en blanc.

Ecran Stevenson - coupe

L’abri météorologique doit être installé dans un lieu sans obstacle, couvert d'un sol naturel représentatif de la région pour être en classe 1 ou 2 au normes WMO. Il doit respecter une certaine distance par rapport aux sources de chaleur/froid parasites et doit avoir un entretien et contrôle régulier.

WMO Station classe 1
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/wmo_guide-des-instruments_fr.pdf

Mais l’air qui circule dans l’abri entre en contact pendant un temps fini avec la paroi extérieure et sa température peut en être modifiée. Ce phénomène devient important lorsque le vent est faible et que la température de la paroi extérieure de l’abri est très différente de celle de l’air ambiant. La température de l’air à l’intérieur d’un abri tend à être supérieure à la température réelle de l’atmosphère par fort ensoleillement et temps calme (+ 2,5 °C), et à  être légèrement inférieure les nuits où le ciel est clair et le temps calme (– 0,5 °C). D’autres erreurs peuvent se produire à cause du refroidissement dû à l’évaporation à partir d’un abri mouillé après la pluie (WMO).

Jusqu’au début des années 1980, il y avait deux thermomètres pour mesurer la température, un thermomètre à minima à alcool et un thermomètre à maxima au mercure (graduations de 0,5 °C, quelques rares à 0,2 °C). L’opérateur relevait la température minimum et la température maximum chaque jour. S’il n’y avait qu’un seul relevé par jour, il devait être effectué le matin, à la même heure locale toute l’année et en dehors des minimums (en général au levé du soleil) et maximums (vers 15 heures au soleil).

La mesure de la température s'effectue maintenant avec une sonde thermométrique normalisée à résistance de platine (norme EIT1990). La gamme de mesure de la température de l'air en France est de - 30 à + 50 °C et l'incertitude de mesure max est toujours de 0,5 °C, incertitude garantie par Météo-France !

Avec les turbulences thermiques, la température de l’air varie en permanence d’un à deux degrés en l’espace de quelques secondes. Les thermomètres à alcool ou à mercure ont un coefficient d’inertie assez important si bien qu’ils lissent les fluctuations rapides de même que la ventilation plus ou moins forte. Les sondes thermométriques ont une inertie très faible ce qui impose de prendre la moyenne de plusieurs relevés pour obtenir une valeur représentative.

Hokitika Aero minimum-maximum anomalies - Modification non "ajustée" du système de mesure de la température

Tout changement de système de mesure n’est pas anodin car il occasionne une rupture dans les séries de températures. Je ne connais pas la cause pour l’aérodrome d’Hokitika qui n’a pas « ajusté » ses mesures mais l’exemple est frappant ! La méthode de calcul WMO de la moyenne de la température journalière est la demi-somme des températures min et max. Une modification de la lecture des maximum et minimum induit une modification de la moyenne journalière qui se répercute sur la moyenne mensuelle et annuelle.

La précision de la mesure

Avec tous les détails donnés ci-dessus, vous voyez que la précision de la mesure est « garantie » à ± 0,5 °C quel que soit le système utilisé et surtout que la correspondance avec la température réelle en fonction du vent et de l’humidité de l’air peut très largement  dépasser les ± 1 °C même quand l’abri météo est aux normes 1 ou 2 du WMO. Quelle est la vraie température quand les instruments n’ont pas été régulièrement étalonnés ou quand l'implantation de l’abri ne respecte pas les normes comme ci-dessous ?

Qualité des stations USHCN - Université d'Arizona
http://surfacestations.org/Fall_etal_2011/fall_etal_media_resource_may08.pdf

Il y a tellement de stations météos qui ne respectent pas les normes du WMO que des vilains climato-contestataires ont remis en question la validité des calculs sur l’évolution de la température de la Terre depuis 1850, le début de l’ère industrielle. Les modèles d’ajustement automatiques mis en place par le GISS (NOAA) et le Met Office pour compenser « les inhomogénéités » des mesures sont encore plus suspects car ils ne « refroidissent » que les températures du passé trop chaudes (par exemple celles des années 40) et pas les autres et toujours dans le bon sens de la doctrine officielle. Mais ceci est une autre histoire…

Statistiques de qualité des stations USHCN d'après le standard de qualité du WMO
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2010JD015146

Au USA, le NOAA a mis en place au début des années 2000, le « réseau américain de référence sur le climat (USCRN) ». Ces stations utilisent des instruments de « haute qualité » pour mesurer la température, etc. Le but du programme USCRN est de fournir une série continue d'observations climatiques non contestable.

Le réseau américain de référence sur le climat

Pour mesurer la température, ces nouvelles stations automatiques réparties sur le territoire des USA n’utilisent plus d’abri Stevenson mais un système de triple sondes à air aspiré. Ce système est réputé plus juste grâce à sa ventilation forcée, bien que dans de rares circonstances, cela occasionne des mesures erronées. Météo-France utilise très rarement la ventilation forcée, car cela nécessite une source d’énergie… et c’est trop cher !

Station USCRN type
https://www1.ncdc.noaa.gov/pub/data/uscrn/documentation/site/photos/stationsbystate_hires.pdf

Quelques stations sont doublées voire triplées pour assurer une totale disponibilité des mesures H24 J7/7 (site de lancement NASA) ce qui évite la perte de données pendant les entretiens des stations par exemple. À la suite de la lecture d’une publication scientifique récente ventant les mérites de ces nouvelles stations et d’une critique lue sur le « vilain site » 😉 d'Anthony Watts, tel un Saint Thomas paranoïde, j’ai décidé de vérifier par moi-même cette critique éhontée sur la qualité des mesures de températures des deux sites USCRN appariés de l’Université de Rhode Island…

Les deux stations USCRN de l'Université de Rhode Island
Université de Rhode Island (Plains Road Site) - Station RI Kingston I NW
Université de Rhode Island (Peckham Farm Site) Station USCRN RI Kingston I W

Et miracle de Big-Brother, grâce à Skynet Google, notamment Google Earth Pro, j’ai pu remonter le temps et regarder si depuis la création de ces deux stations, il y avait eu des changements dans l’environnement de celles-ci. Les photos issues de Google Earth sont à haute définition, cliquez dessus pour plus de détails.

Et là re-miracle, l’un des sites, « Peckham Farm Site » situé au milieu de champs n’a eu comme changements que les saisonniers, ceux de la culture et du labourage des champs. Par contre pour « Plains Road Site », ce n’est pas la même histoire !

Université de Rhode Island (Peckham Farm Site) W - Photo Google Earth 04/2001, avant l'installation de la station USCRN
Université de Rhode Island (Peckham Farm Site) W - Photo Google Earth 03/2003
Université de Rhode Island (Peckham Farm Site) W - Photo Google Earth 08/2016

Comme vous pouvez le constater sur la série de photos suivantes, si le site de Plains Road respectait à peu près les normes du WMO au début de sa création (qualité 2) en 2001, ce n’est plus le cas aujourd’hui ! Et c’est là tout l’intérêt de ce double site : il est possible de comparer l’effet des modifications environnementales sur le mesure de température et surtout les variations entre deux sites situés à 1,4 km l’un de l’autre et quasiment à la même altitude (± 3 m).

Quand le GISS et le Met Office affirme que l’on peut extrapoler la température moyenne de la Terre à partir de quelques sites répartis sur la surface du globe dont très peu au niveau des océans qui représentent pourtant 71 % de la superficie totale de la terre, et très peu également en Afrique, en Arctique et en Antarctique, il a comme un Schmilblick ! Mais revenons aux stations…

Université de Rhode Island (Plains Road Site) NW - Photo Google Earth 04/2001, avant l'installation de la station USCRN

Plains Road Site, le 04/04/2001 avant l'installation de la station USCRN. les champs sont ouverts autour du futur site mais il y a une serre proche et un petit bâtiment au sud.

Université de Rhode Island (Plains Road Site) NW - Photo Google Earth 04/2003

04/2003. Le capteur de température est à 50 m d'un chemin de terre, à 40 m de la serre, à 80 m du petit bâtiment et de son petit parking goudronné et à 130 m d’une route. Il y un un grand parking à 200 m à l'est à la place des champs ouverts.

Université de Rhode Island (Plains Road Site) NW - Photo Google Earth 07/2007

07/2007 le parking a été étendu à moins de 170 m de la station.

Université de Rhode Island (Plains Road Site) NW - Photo Google Earth 04/2012

04/2012 Trois nouvelles serres ont été installées à moins de 20 m des capteurs de température !

Université de Rhode Island (Plains Road Site) NW - Photo Google Earth 09/2014

09/2014. Une nouvelle route a été construite à 60 m et une extension supplémentaire du parking se situe maintenant à 90 m de la station. La première serre isolée a été enlevée pour faire place à la route, mais les trois autres restent et il y a un nouveau bâtiment à 50 m et deux nouvelles serres (40 et 70 m). Un nouveau chemin de terre apparaît à 5 m des capteurs de température.

Université de Rhode Island (Plains Road Site) NW - Photo Google Earth 08/2016

08/2016 Pas de changement apparents.

Les mesures de températures des 2 sites

Les deux principaux critères d'implantation des stations USCRN sont la représentativité spatiale du climat régional et la stabilité temporelle. Les sites ne doivent pas avoir de changement majeur lié à humain. Peckham Farm répond assez bien à ces deux critères, malgré les différentes cultures saisonnières autour du site qui sont liées aux activités humaines. Plains Road échoue totalement sur le deuxième point.

Sur le site du NCDC (NOAA) il est possible de télécharger les données mesurées sur les différentes station du réseau USCRN. J’ai donc compilé les datas des stations de Kingston W (Peckham Farm Site) et Kingston NW (Plains Road Site) de l’Université de Rhode Island. Source des datasets contrôlées de qualité 🙂

Il est possible d'avoir pour chaque site, la moyenne de la température des 5 minutes (à partir de 2009), des heures, jours et mois depuis le début. Les capteurs de température co-localisés font des mesures indépendantes toutes les 10 secondes qui sont utilisées pour donner la moyenne.

Les moyennes sont données au 0,1 °C près mais je n'ai pas trouvé sur la page, la précision des capteurs. L'incertitude d'une moyenne est égale à la moyenne des incertitudes. Si la précision des capteurs est garantie à ± 0,5 °C, une moyenne fournie au 1/10eme ne sera pas plus précise pour autant. Par exemple 12,6 °C pour une moyenne indique que la température est comprise entre 12,1 °C et 13,1 °C !

Les trois capteurs distant d'un mètre ne mesurent pas simultanément le même volume d'air aspiré qui peut varier d’un à deux degrés en l’espace de quelques secondes à cause des turbulences thermiques. Ce serait à mon avis très limite d'oser calculer l'écart type afin de justifier d'une réduction de l'incertitude des moyennes de température données par ces trois capteurs.

Comme il est précisé sur la page  du NCDC-NOAA, les données ont subit un contrôle de qualité ! « Les données calculées sont montrées seulement si une quantité suffisante de données source réussit ses tests de contrôle de qualité; sinon, ces valeurs sont définies sur une valeur manquante ». Nous sommes donc rassuré. J'en ai fait de même dans mes calculs de moyennes de saisons et annuelles. Si une donnée manquait, je n'ai pas effectué les calculs...

Écart des températures mensuelles maximum, minimum et moyenne entre Kingston NW et W

J'ai tout simplement commencé à soustraire les moyennes mensuelles du site W (Peckham Farm) de celles du site NW (Plains Road). Et là surprise !

Il est évident que les données antérieures à janvier 2006 sont à la ramasse. En regardant  de plus près les données journalières de 2005, le soupcon de capteurs défaillants est totalement justifié. La question qui se pose c'est : il est où est le contrôle de qualité ?

Malgré le "contrôle qualité", les données des capteurs défaillants sont toujours là !
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRND0103-2005-RI_Kingston.ods

Pendant l'année 2005, il a de nombreux écarts de 3 à 4 °C et le standard est de l'ordre de 2 °C. C'est quand se produisent des écarts de 10 °C que le NCDC réagit, mais il n’efface pas toutes les mesures aberrantes. On voit qu'à partir de décembre, les écarts sont inférieurs à 1 °C, ce qui semble plus normal pour deux sites hors ville situés à 1,4 km l'un de l'autre et mesuré avec des supers capteurs !

Maintenant, il est intéressant de savoir si il y a des différences de mesure en fonction des saisons et surtout si cela a un impact sur la qualité de la mesure de la tendance climatique actuelle d'augmentation de la température terrestre.

Moyenne Hiver - Kingston NW et Kingston W
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRNM0102-RI_Kingston.ods

Sur ce premier graphique de la moyenne des hivers (décembre de l'année précédente - janvier - février), si on exclue 2006 et antérieur (décembre est 2005) on voit que progressivement le décalage de 0,1 °C s’accroît progressivement en fonction des travaux sur Plains Road jusqu'à 0,3 °C aujourd'hui.

Moyenne Printemps - Kingston NW et Kingston W
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRNM0102-RI_Kingston.ods

Au printemps, l'effet du « bétonnage » semble plus efficace à partir de 2013 (ajout de 3 serres) et encore plus à partir de la construction de la route à 60 m en 2014 (0,3 °C à 0,4 °C).

Moyenne Été - Kingston NW et Kingston W
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRNM0102-RI_Kingston.ods

En été, l'effet « îlot de chaleur urbain » qui pointait son nez au printemps apparaît dans toute sa splendeur, avec 0,5 °C d'écart !

Moyenne Automne - Kingston NW et Kingston W
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRNM0102-RI_Kingston.ods

A l'arrivé de l'automne, « l'îlot de chaleur urbain » est toujours actif, avec 0,4 °C d'augmentation de température à cause de l'urbanisation humaine de cette zone de campagne.

Moyennes Annuelles - Kingston-NW et Kingston W
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRNM0102-RI_Kingston.ods

Quand on regarde les moyennes annuelles, nous voyons que les courbes sont bien corrélées à partir de 2009, ce qui suppose que les capteurs sont enfin bien réglés, mais surtout nous voyons la dérive progressive à la hausse de la température mesurée sur le site de Plains Road qui a subit une forte baisse de qualité selon les critères du WMO.

Nous avons ici un exemple de l'incapacité du NCDC-NOAA de maintenir les normes de qualité de données et de stabilité temporelle pour ces deux sites. Mais cet échec est un merveilleux laboratoire qui va nous permettre de mesurer l'effet « l'îlot de chaleur urbain » de cet exemple sur le taux d'accroissement de la température !

Moyennes Annuelles 2006-2017 Kingston NW et Kingston W
https://www.apocalypse.60n.eu/wp-content/uploads/2018/04/CRNM0102-RI_Kingston.ods

Et toc ! Si vous avez eu le courage d'aller jusqu'au bout de cet article vous pouvez constater que la taux d'augmentation de la température est 3,3 fois plus élevé ces 11 dernière années sur le site bétonné et goudronné de Plains Road que dans les champs ouverts de Peckham Farm !

Et là nous sommes avec des stations dotées de triple capteurs et sensées être parfaites ! Imaginer toutes ces stations qui, il y a 150 ans, étaient à la campagne et qui sont maintenant en pleine zone urbaine... La population mondiale a été multipliée par six depuis le début de l’ère industrielle, cela en fait du béton et du goudron !

Ce dernier petit graphique pour la fin et c'est une sacrée surprise ! Ce graphique montre la différence de température entre Plains Road et Peckham Farm, les températures de Peckham Farm, par saisons sur la période 2006-2018, étant soustraites de celles Plains Road. Le chiffre de l'année correspond à l'Hiver, les gradations intermédiaires entre deux années à printemps-été-automne.

Variation de l'effet îlot de chaleur en fonction des saisons
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La première chose qui saute aux yeux, c'est que l'effet îlot de chaleur agit sur les températures minimum, le moins en hiver, de 0 à 0,5 °C, un peu plus au printemps et à l'automne mais le maximum en été, de 0,6 à 1 °C en plus ! Les températures minimum de Plains Road sont en accroissement notable depuis 2006.

L'analyse des températures maximum amène une autre surprise ! Celles de Plains Road, le site bétonné, sont très rarement plus élevées que celle de Peckham Farm et si c'est le cas, faiblement,  de 0,1 à 0,2 °C au printemps et à l'automne. Il n'y a pas d'effet d'îlot de chaleur sur les températures maximum l'été, au contraire !
Voir mon article précédent sur les événements extrêmes.

L'été depuis 2006, les températures maximum de Peckham Farm vont être supérieures de celles de Plains Road de 0 à 0,6 °C suivant les années sauf en 2017. Mon hypothèse, c'est que les variations de l'évapotranspiration et de l'albédo du couvert végétal autour des capteurs de températures de Peckham Farm sont dépendantes de ce qui est cultivé. Il n’empêche que ce n'est pas anodin non-plus et que TOUTES les activités humaines à coté des capteurs ont un impact important sur la mesure de températures !

Dans son troisième rapport (2001), le GIEC explique que l'effet îlot de chaleur urbain ne peut excéder 0,05 °C au niveau mondial ! Ce n'est pas ce que l'on peut constater avec les supers stations météo nouvelle génération USCRN de l'Université de Rhodes Island en l'espace de 11 ans ! 🙂

En guise de conclusion

Quelle est la part dans les 0,8 °C « mesurés » d'augmentation de la température de la Terre depuis 100 ans qui provient :

♦  de la variation naturelle du climat, celle qui provoque les cycles de glaciations et les déglaciations par exemple ?

♦  de celle, artificielle, provoquée par « l'îlot de chaleur urbain (ICU) » et des capteurs ou thermomètres mal positionnés, au minimum trois fois plus importante que la variation naturelle et qui touche plus de 90 % des mesures ?

♦  de celle, artificielle, provoquée par « les ajustements » pifométriques à sens unique des modèles mathématiques du NOAA et du Met Office ?

♦  et pour finir de celle, hypothétique mais néanmoins prônée « certaine à 97 % » par le GIEC, de l'effet du CO2 anthropique ?

Qui peut parler d'année la plus chaude de tout les temps - à 0,02 °C près - quand la précision des mesures de température n'est garantie qu'à ± 0,5 °C et que celle de la correspondance avec la réalité des température est de ± 1 °C dans le meilleurs des cas (hors tripatouillage des données historiques) ?

Merci d'être arrivé jusqu'ici 🙂