L'utilisation croissante de l'énergie solaire dans les domaines technologiques et industriels en différents lieux, ainsi que l'évaluation du bilan énergétique au sol pour la gestion des ressources en eau, pour l'agriculture et la sylviculture, requièrent une représentation spatiale du rayonnement solaire reçu sur un plan horizontal à une échelle régionale et locale. Le rayonnement solaire incident sur une surface inclinée est facile à calculer quand le rayonnement reçu sur une surface horizontale est connu. Mais en pratique, souvent, il n'y a pas de mesures disponibles dans les régions pour lesquelles on recherche une information sur les conditions d'insolation. Dans ce cas, l'estimation du rayonnement reçu ne peut être faite qu'à l'aide de modèles de simulation. La qualité de ces modèles, souvent très complexes, dépend de la précision des données d'entrée. Pour des raisons économiques, il n'est cependant pas envisageable d'augmenter la densité du réseau de mesure. Il est judicieux d'interpoler et de cartographier le rayonnement solaire en n'importe quel point à l'aide de méthodes numériques objectives. Ces procédés remplacent les méthodes manuelles et subjectives avec lesquelles les cartes climatiques étaient établies autrefois, comme par exemple les cartes de la durée d'insolation de l'atlas du Bade-Wurtemberg (DEUTSCHER WETTERDIENST 1953). Outre la variabilité spatiale, la variabilité temporelle est également intéressante. Elle est représentée sous la forme de diagrammes d'évolutions journalières et annuelles.

Le rayonnement solaire global, égal à la somme des rayonnements solaires directs et diffus, est représenté dans cet atlas sur la base des moyennes mensuelles des sommes journalières. La durée d'insolation est un autre paramètre météorologique dont les moyennes sont établies de la même façon. En première approximation, le rayonnement solaire global est en relation linéaire avec ce paramètre, pour lequel on dispose d'un réseau de mesure plus dense. La durée d'insolation permet donc de compenser la densité relativement faible du réseau de mesure du rayonnement solaire global. Deux méthodes statistiques, décrites plus en détail dans la section 4.6.2, sont utilisées à cette fin.

Les flux de rayonnement dans différentes longueurs d'onde du spectre électromagnétique et dans différentes directions jouent un grand rôle dans le bilan énergétique de la terre.

• La lumière solaire, dans la bande de longueurs d'onde comprise entre 0,3 et 3,0 µm, constitue la source d'énergie pour tous les phénomènes météorologiques. Ce rayonnement est également nommé rayonnement solaire incident de courtes longueurs d'onde (G). Il s'agit du rayonnement solaire global reçu sur une surface horizontale. Considéré comme une grandeur météorologique, ce rayonnement est représenté sur les cartes 4.6.1 à 4.6.4.
• Le rayonnement solaire de courtes longueurs d'onde est réfléchi de différentes façons par la surface du sol. L'énergie réfléchie (R) constitue une déperdition pour le bilan radiatif. Le rapport du rayonnement réfléchi sur le rayonnement incident aux courtes longueurs d'onde est appelé «albédo». Il varie selon le type de la surface et selon l'heure et le jour de l'année.
• L'atmosphère émet également un rayonnement électromagnétique. Contrairement à la lumière solaire, cette émission se situe dans les grandes longueurs d'onde. Elle s'étend sur la bande comprise entre 3 et 60 µm avec une intensité maximale aux environs de 10 µm. L'émission des couches supérieures constitue une déperdition d'énergie radiative vers l'espace. Celle-ci est importante pour le climat, car elle équilibre l'apport énergétique de la lumière solaire. Le rayonnement émis vers les couches inférieures, en direction du sol, est appelé rayonnement atmosphérique descendant (A). Il est principalement déterminé par la température, la teneur en vapeur d'eau, les gaz à effets de serre et les aérosols. Les aérosols sont des petites particules présentes dans l'atmosphère à l'état solide ou liquide.
• La surface de la terre émet également un rayonnement électromagnétique de grandes longueurs d'onde. Le rayonnement de la surface terrestre porte le nom de rayonnement terrestre ascendant (E). Il est déterminé, par la loi de Stefan-Boltzmann en fonction de la température de la surface d'émission. Le rayonnement terrestre émis présente une très grande variabilité temporelle et spatiale. Cette variabilité ne peut pas être rendue par un réseau de mesure au sol; seules les données satellitales permettent de la déterminer.

Pour analyser le bilan radiatif total, on distingue deux flux de rayonnement de différentes longueurs d'onde (à courtes et grandes longueurs d'onde) et de directions opposées (vers le sol et vers la voûte céleste). Les deux flux issus du sol constituent des pertes (-), alors que les flux dirigés vers le sol représentent des gains (+) en terme de bilan radiatif de la surface du sol. La somme algébrique des différents flux de rayonnement est nommée bilan radiatif total (Q). C'est un facteur essentiel du bilan thermique de la surface, c'est-à-dire de l'énergie disponible pour les échanges turbulents (flux de chaleur sensible et latente) et pour le flux thermique dans le sol. Le bilan radiatif total au sol s'exprime de la façon suivante:

Q = G - R + A - E

Ses valeurs peuvent être > 0, = 0 ou < 0. Si le bilan radiatif est positif, l'énergie disponible conduit à une augmentation de la température de l'air (flux de chaleur sensible), à l'évaporation de l'eau en surface (flux de chaleur latente) ou à l'augmentation des températures dans le sol (flux de chaleur dans le sol). En cas de bilan radiatif négatif, le système réagit par une baisse des températures de l'air et du sol et par la condensation d'une partie de la vapeur d'eau présente dans l'air (par exemple rosée à la surface du sol ou formation de brouillard). Le bilan radiatif total au sol est un élément fondamental pour tous les phénomènes météorologiques et pour les variations climatiques régionales. Cependant, ce paramètre est rarement mesuré dans le cadre des réseaux météorologiques officiels; sa répartition spatiale ne peut donc pas être obtenue à partir des données de mesures disponibles. C'est la raison pour laquelle l'évolution temporelle du bilan radiatif et de ses composantes a été représentée grâce aux longues séries de données de la station de Hartheim. Le bilan radiatif a été obtenu à l'aide de données satellitales et de modèles de rayonnement pour une situation spécifique dans l'espace REKLIP, afin d'illustrer ses variations spatiales liées à l'influence du relief et à l'occupation du sol.