Modèle de prévision de nuits favorables à l’astronomie

par

Pierre Laporte

Observatoire POLARIS

Centre d’Observations Astronomiques des Monts Notre-Dame

Vous voulez planifier vos vacances pour faire de l’observation astronomique? Vous voulez diminuer vos chances d’être frustré par la météo? Vous voulez optimiser les investissements dans tous les appareils dédiés à ce loisir? À court terme, les prévisions météorologiques nous permettent de faire une bonne planification, mais la précision des prédictions diminue lorsque l’on dépasse deux jours de projection. Et bien, voici un modèle de prévision de ciel dégagé la nuit qui vous aidera à planifier à moyen terme vos sessions d’observation astronomique.

La seule modélisation qui existe, à ma connaissance, consiste en deux cartes compilant le nombre de nuits dégagées (Anderson, Jay. 2003. Frequency of Nightime Cloud Cover in Observer’s Handbook 2004) pour l’Amérique du Nord. Les inconvénients de ces cartes sont qu’elles regroupent l’information sur deux mois, avril-mai et juillet-août. De plus, elles n’offrent pas de précisions dans l’espace et dans le temps.

Afin de pallier cette lacune, et pour mon bon plaisir, j’ai développé le présent modèle qui permet une planification à moyen terme. Il offre la possibilité d’ajuster l’échelle de temps à ses besoins et peut être plus précis afin de tenir compte des spécificités locales. Par contre, ce dernier attribut fait qu’il est valable uniquement pour la région entourant la ville de Québec, où il a été développé. La portée de ce modèle est estimée à 150 km autour de la ville de Québec. Toutefois, un modèle similaire pourrait être développé pour d’autres régions.

Développement

Ce modèle a été développé avec des données empiriques provenant de six ans d’observation. Pour ce faire, j’ai déterminé quotidiennement, de novembre 1998 à 2003, l’état du ciel pour l’observation astronomique depuis ma résidence ou mon site d’observation. Lorsqu’il m’était impossible d’effectuer cette évaluation directement, pour des raisons d’absence en dehors de la zone, je me suis basé soit sur des rapports de d’autres astronomes amateurs, soit sur les observations météorologiques publiées que j’avais préalablement mises en corrélation avec mes propres observations.

J’ai utilisé la division de l’année civile en 52 semaines; mes observations ont été regroupées sur une base hebdomadaire et j’ai déterminé la moyenne du nombre de nuits propices à l’observation par semaine. La première semaine de l’année est celle qui inclut le premier janvier. La donnée pour la nuit du 29 février 2000, la seule année bissextile de la période, a été omise.

Afin de diminuer les variations aléatoires et le décalage entre les années, j’ai utilisé la technique statistique des moyennes mobiles. Pour le modèle hebdomadaire, j’ai utilisé une période mobile de trois semaines. Par exemple, le nombre de nuits de la 20^e semaine est basé sur la moyenne des 19^e, 20^e et 21^e semaines, celle de la 21^e semaine sur la moyenne des 20^e, 21^e et 22^e semaines, et ainsi de suite. La fin de l’année civile a été bouclée avec son début.

Le modèle mensuel est, quant à lui, basé sur la moyenne simple des observations hebdomadaires. Afin de répartir uniformément les observations, chaque mois de l’année a été défini comme correspondant à 4,33 semaines centrées sur le mois correspondant.

Analyse des modèles

La figure 1 présente le modèle mensuel.

Selon modèle mensuel, les meilleurs mois d’observation sont février, mai, juin, août et septembre. Les pires mois d’observation sont novembre et juillet.

La figure 2 présente le modèle hebdomadaire basé sur une moyenne mobile de 3 semaines.

Ce modèle hebdomadaire permet une analyse plus fine des meilleures et des pires périodes. Le graphique de la figure 2 illustre des cycles de périodes propices suivies de périodes défavorables. On remarquera ainsi la présence de quatre cycles au cours d’une année civile.

On peut définir, arbitrairement, une bonne période favorable à l’observation astronomique lorsque l’on a plus de 2,5 nuits de ciel dégagé par semaine et une période défavorable comme ayant moins de 2,0 nuits par semaine.

Le plus important cycle en terme d’amplitude se situe entre la dernière semaine de l’année civile et la fin du mois de mars et dure 14 semaines. On passe d’un minimum annuel de 1,3 nuit par semaine à un maximum annuel de 3,2 nuits par semaine. Dans ce cycle, les périodes favorables et défavorables sont d’égale durée, soit 4 semaines.

Le cycle suivant s’étend lui aussi sur une période de 14 semaines, de la fin de mars jusqu’à la mi-juillet. Il présente la caractéristique d’avoir un plateau d’une période favorable beaucoup plus longue (10 semaines) que la période défavorable (3 semaines). La transition entre les deux périodes est très brusque. L’amplitude de ce cycle est inférieure à celle du précédent.

Le cycle suivant, du début juillet à la mi-novembre, est le plus long de l’année, soit 18 semaines; son amplitude est similaire à celle du cycle précédent. Par contre, les périodes favorables et défavorables sont de même durée, soit 7 semaines, et la transition entre les deux périodes est plus graduelle. Ce cycle se situe approximativement entre le solstice d’été et l’équinoxe d’automne et correspond ainsi à la saison d’été.

Enfin, un cycle de très courte durée, soit 6 semaines, arrive dans les derniers mois de l’année, de la mi-novembre à la fin décembre. On ne peut parler de période favorable dans ce cycle, mais plutôt d’un soubresaut, à la mi-décembre, entre deux périodes défavorables.

Ces quatre cycles définissent quatre saisons d’observation astronomique que l’on peut tenter de faire correspondre au cycle annuel des saisons. La saison d’hiver correspond relativement bien au premier cycle décrit, se situant entre le solstice d’hiver et l’équinoxe du printemps. La saison du printemps correspond à la période favorable du second cycle, période qui s’étend de l’équinoxe du printemps au solstice d’été. La saison d’été débute avec la fin de la période propice du printemps, soit au solstice d’été, et se termine au début de la période défavorable du troisième cycle. Enfin, la fin de l’automne demeure une période défavorable, mais avec un soubresaut au début du mois de décembre.

Pour résumer la situation, j’ai regroupé dans le tableau suivant les périodes favorables et les périodes défavorables d’observation astronomique, en fonction de l’analyse présentée.

Périodes favorables	Périodes défavorables
	Mi-décembre à la mi-janvier
Fin janvier à la fin de février
	Mi-mars au début d’avril
Mi-avril à la fin de juin
	Début juillet à la fin juillet
Début d’août à la mi-septembre
	Début d’octobre au début de décembre

Interprétations et utilisations des modèles

Une série de statistiques illustre le pays de nuages dans lequel nous vivons. Au cours de la période d’observation, il y a eu une seule semaine où chaque nuit était dégagée alors qu’il y a eu 36 semaines où le ciel a été couvert toute la semaine. La série la plus longue de nuits dégagées a été de 10 nuits, du 6 au 15 avril 1998, alors que la période la plus longue de nuits défavorables est de 21 nuits, du 28 juin au 18 juillet 2000.

Les cycles annuels décrits peuvent être indirectement reliés à l’astronomie par l’inclinaison de l’axe de rotation de la terre. Cette inclinaison entraîne, en plus du cycle annuel de la longueur de la nuit, un cycle dans le rayonnement solaire reçu par la surface terrestre, ce qui a une forte incidence sur les systèmes météorologiques qui passent dans notre région. Ainsi, notre région se situe dans une zone intermédiaire entre la masse d’air arctique et la masse d’air tropicale, dont la position se déplace en fonction du degré d’ensoleillement et de la position du courant-jet.

C’est une masse d’air continentale arctique qui conditionne le plus souvent les possibilités de ciel nocturne dégagé. La première phase favorable à l’observation est principalement liée à la dominance de cette masse d’air continentale arctique, qui amène du nord-ouest des masses d’air froid mais sec. Vers la fin de l’hiver, l’influence de cette masse d’air diminue graduellement pour faire place à l’influence des masses d’air maritimes tropicales venant du sud, ou plus rarement, de masses d’air maritimes arctiques venant de l’est. Ces dernières masses d’air sont chargées d’humidité, ce qui amène une couverture nuageuse plus persistante pouvant expliquant la période défavorable observée à la mi-mars. Pendant ce temps, au fur et à mesure que l’angle du rayonnement solaire augmente, ces masses d’air humides peuvent déplacer la masse d’air continentale arctique provenant du nord-ouest. Malgré l’augmentation de la durée et de l’angle des rayons du soleil, le réchauffement des masses d’air est réduit par la réflexion importante occasionnée par l’albédo de la surface terrestre, dû à la présence de la couverture de neige au sol. La seconde période favorable correspond à la période où le courant-jet se déplace encore relativement plus au sud, limitant l’invasion des masses d’air maritimes tropicales venant du sud. L’influence de la masse d’air continentale continue à diminuer pour être remplacée par celle d’une masse d’air maritime arctique; par contre, cette dernière se décharge souvent de son humidité avant d’atteindre nos régions, ce qui pourrait expliquer la longue période favorable observée dans le second cycle. Cependant, graduellement, le courant-jet se déplace vers le nord, laissant place à l’envahissement de plus en plus fréquent de masses d’air maritimes tropicales venant du sud de l’Atlantique et du golfe du Mexique. Ces dernières sont responsables du temps chaud et humide que l’on subit au cours du mois de juillet. La neige ayant disparu au sol, l’absorption du rayonnement solaire devient maximale et les masses d’air se réchauffent rapidement. Lorsque la température de l’air augmente, la capacité des masses d’air à retenir l’humidité s’élève. Ces phénomènes se conjuguent au début de juillet pour nous assurer une couverture fréquente, déterminant la période défavorable de juillet. Par contre, à partir du mois août, l’angle des rayons du soleil diminue graduellement et l’effet sur le réchauffement des masses d’air est moindre; les masses d’air étant moins humides, elles offrent plus de chances d’avoir des nuits dégagées. De plus, la masse d’air maritime arctique a plus d’influence. Comme cette masse d’air est relativement humide, les précipitations ont souvent lieu avant que la masse atteigne nos régions. Mais graduellement, l’importance de cette masse d’air diminue, laissant place à une nouvelle invasion de masses d’air maritimes tropicales, quelquefois portées sur nos régions par les ouragans de l’atlantique. Ceci crée une période d’instabilité qui ne favorise pas les dégagements de la couverture nuageuse, particulièrement à la fin de l’automne et au début de l’hiver. Cette dominance de l’effet des masses d’air maritimes tropicales persiste tant que le courant-jet ne se déplace pas plus au sud et que la masse d’air continentale arctique ne vient pas s’installer et exercer son influence vers la fin de l’année civile, moment où le cycle recommence.

Application du modèle pour l’année 2004

Avant d’effectuer des prévisions pour une année particulière, il faut prendre en considération un second facteur très important pour l’observation astronomique. Ce facteur est la présence de la pleine lune, que la plupart des astronomes amateurs fuient comme la peste. À partir du modèle hebdomadaire, on peut ajouter l’effet de la pleine lune. Comme la présence de la pleine lune varie d’une année à l’autre dans les cycles annuels, il est impossible d’inclure ce facteur dans un modèle général.

Les deux tableaux suivants présentent les prédictions de 2004 en tenant compte de la présence de la lune au cours des différentes semaines et des différents mois. En présence de la lune, on a considéré qu’une nuit était propice à l’observation astronomique si la lune était présente moins de la moitié de la période qui s’écoule entre le crépuscule astronomique et l’aube. Ce nombre théorique mensuel est pondéré par le nombre prévu par les modèles hebdomadaires et mensuels.

Mois	Prévisions du modèle mensuel	Prévisions de 2004 avec le facteur lune
Janvier	8,1	3,7
Février	12,1	5,6
Mars	9,1	4,2
Avril	10,5	4,8
Mai	12,7	5,8
Juin	11,7	5,4
Juillet	7,5	3,5
Août	11,8	5,4
Septembre	11,6	5,3
Octobre	10,2	4,7
Novembre	6,0	2,8
Décembre	7,7	3,5

Numéro de la semaine	Prévision du modèle hebdomadaire	Prévision de 2004 avec le facteur lune
1	1,3	0,2
2	1,7	0,0
3	2,2	1,5
4	2,4	2,4
5	2,7	0,8
6	3,2	0,0
7	2,8	1,6
8	2,8	2,8
9	2,3	1,0
10	2,4	0,0
11	2,1	0,9
12	1,9	1,9
13	1,7	1,0
14	2,1	0,0
15	2,4	1
16	2,7	2,7
17	3,0	2,1
18	2,7	0,0
19	2,9	0,8
20	2,8	2,8
21	2,8	2,8
22	2,7	0,0
23	2,5	0,0
24	2,9	2,9
25	2,8	2,8
26	2,4	1,4
27	1,6	0,0
28	1,6	0,4
29	1,7	1,7
30	2,4	2,4
31	2,2	0,3
32	2,7	0,0
33	2,7	2,3
34	2,9	2,9
35	2,7	0,8
36	2,9	0,0
37	2,7	1,6
38	2,7	2,7
39	2,1	0,9
40	2,2	0,0
41	1,7	0,7
42	1,9	1,9
43	1,7	1,0
44	1,7	0,0
45	1,6	0,5
46	1,4	1,4
47	1,4	0,8
48	1,6	0,0
49	1,9	0,3
50	2,2	2,2
51	1,5	1,1
52	1,3	0,0

Ces prédictions demeurent sujettes à des variations et l’on doit prendre en considération les prévisions météorologiques échelonnées sur quelques jours afin de planifier à court terme. Par contre, pour celui qui veut avoir une meilleure planification à moyen terme, l’utilisation de ces modèles s’avère plus précise que les prévisions météorologiques saisonnières et les prévisions de l’Almanach du Peuple.