La rationalisation du réseau météorologique du Québec: Stratégie d'intervention et méthodes d'analyse des données

Resume

Le Service de météorologie du ministère québécois de l'Environnement a voulu savoir comment ses réseaux météorologiques devraient évoluer pour répondre le plus adéquatement possible aux besoins réels, actuels et futurs du Québec.

C'est dans cette perspective que l'on définit une stratégie d'intervention caractérisée par (a) une conception dynamique des réseaux, (b) une régionalisation des besoins et des caractéristiques des variables, (c) des critères réalistes, (d) une étude du réseau région par région, (e) une planification visant à intégrer les réseaux entre eux, (f) une considération des méthodes d'analyse ou de simulation selon une approche régionale, (g) une durée et une densité d'observation adaptées aux besoins et, enfin, (h) une intégration rationnelle des diverses sources de données météorologiques. L'étude proprement dite des réseaux, selon une approche régionale, a été réalisée en faisant appel à l'analyse des données en composantes principales et à l'interpolation optimale. Les notions théoriques particulières à chacune de ces deux méthodes d'analyse sont présentées. On explique, par la suite, avec exemples à l'appui, comment ces méthodes sont appliquées, dans le cadre de la rationalisation du réseau météorologique du Québec, pour la détermination des régions statistiquement homogènes, l'estimation des fonctions de structure et des écarts types d'interpolation régionaux, en fonction de la distance entre les stations, et la cartographie des écarts types réels du réseau en opération, à une date donnée. On indique, aussi, comment les modifications projetées à ce réseau peuvent être évaluées.     

Sur l'énergie potentielle du champ barique

Résumé De la surface limite de n'importe quelle particule d'air qui se meut dans l'atmosphère sort perpétuellement une énergie dans l'atmosphère ambiante et inversement. En raison de la présence de la force du gradient et de la force de pression, l'énergie que reçoit la particule de l'atmosphère ambiante est établie par l'équation (4). Une partie de cette énergie détermine une modification de l'énergie potentielle du champ barique de la particule, et l'autre une modification de son énergie interne. L'énergie potentielle du champ barique peut être définie par l'enthalpie. Chaque particule d'air possède, outre les autres énergies, encore une énergie externe qui diffère de l'énergie interne en ce qu'elle ne réside pas dans la particule mais en dehors d'elle, dans l'atmosphère ambiante. Cette énergie est égale à la différence entre l'enthalpie et l'énergie interne de la particule.

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Summary Through the boundary surface of any air particle moving in the atmosphere a permanent flow of energy is outgoing and incoming to and from the atmosphere. The energy absorbed by the air particle from the neightbouring atmosphere is defined from the gradient force and the pressure force by the equation (4). One part of this energy induces a modification of the potential energy of the field of pressure of the air particle, and the other part a variation of the internal energy. The potential energy of the field of pressure can be defined by the enthalpy. In addition to other kinds of energy each air particle holds and external energy, the place of which is not in the air particle itself but in the surrounding atmosphere. This energy is equal to the difference between the enthalpy and the internal energy of the air particle.

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Zusammenfassung Durch die Grenzfläche jedes Luftteilchens, das sich in der Atmosphäre bewegt, strömt ständig Energie in die benachbarte Atmosphäre hinein und aus ihr hinaus. Die Energie, die das Luftteilchen aus der benachbarten Atmosphäre aufnimmt, wird aus der Gradientkraft und aus den Druckkräften durch Gl. (4) bestimmt. Ein Teil dieser Energie bedingt eine Änderung der potentiellen Energie des barischen Feldes des Luftteilchens, der andere Teil dagegen eine Änderung seiner inneren Energie. Die potentielle Energie des Druckfeldes kann durch die Enthalpie definiert werden. Jedes Luftteilchen besitzt neben anderen Energiearten noch eine äußere Energie, die ihren Sitz nicht im Luftteilchen selbst, sondern außerhalb desselben in der umgebenden Atmosphäre hat; diese Energie ist gleich der Differenz zwischen der Enthalpie und der inneren Energie des Luftteilchens.

     

L'Essor de la radiométérologie mondiale et la prévision du temps

Résumé Les relations entre les parasites atmosphériques (ondes hertziennes naturelles) émis par les orages ou d'autres foyers de perturbations de la troposphère, enregistrés sur de grandes longueurs d'ondes, et la météorologie synoptique (prévision du temps) ont fait l'objet de recherches de 1920 à 1950, principalement par des chercheurs européens, dont un historique est donné. Les organisations internationales intéressées à ces traxaux et leurs principales résolutions sont rappelées. Les méthodes instrumentales courantes font l'objet d'un court aperçu et quelques résultats acquis appliqués à la pratique journalière de la prévision radiométérologique du temps sont sommairement décrits. on indique la technique à suivre pour l'organisation d'un réseau de stations radiométéorologiques, en citant comme exemple celui de la République Argentine, qui devrait répondre à des conditions idéales, puisqu'il s'étend des régions subtropicales aux régions polaires, enregistrant ainsi tous les typs de parasites. Le problèmes des échanges télégraphiques de renseignements par codes et l'expérience européenne en la matière termine l'article.

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Summary Several authors, especially in Europe, have investigated since 1920 the relations existing between sferics and synoptical meteorology. Sferics are natural hertzian waves emitted by thunderstorm-hearths and similar tropospherical sources, observable on long waves. The history of these investigations is shortly summarized; and mention is made of the international organizations concerned with them, as well as of their most important resolutions. The current instrumental methods and some of the results obtained hitherto are briefly exposed, with a view to their application to forecasting practice. The author gives directive rules for the technical organization of radio-meteorological network. He refers to Argentine, offering ideal possibilities of radio-meteorological observation by the extension of its territory from sub-tropical to polar regions, as all types of sferics can be recorded in this country. Finally, he discusses the problem of the transmission of radio-meteorological results by code and the experience gathered in Europe.

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Zusammenfassung In den Jahren 1920 bis 1950 wurden, vorab durch europäische Forscher, die Beziehungen zwischen den atmosphärischen Parasiten und der synoptischen Meteorologie untersucht. Als Parasiten (englisch sferics) bezeichnet man natürliche Hertzsche Wellen, die von Gewitterherden oder andern troposphärischen Störungsquellen ausgehen und auf langen Wellen registriert werden. Die Arbeit enthält einen historischen Überblick über diese Forschungen, sowie Hinweise auf die an radiometerologischen Untersuchungen interessierten internationalen Organisationen und ihre wichtigsten Resolutionen. Nach einer kurzen Übersicht über die gebräuchlichen instrumentellen Beobachtunsmethoden und die bisher erhaltenen Ergebnisse, zeigt der Verfasser, wie man diese Ergebnisse in der praxis der täglichen Wettervorhersage anwenden kann. Er gibt ferner Richtlinien für die technische Organisation radiometeorologischer Beobachtungsnetze; als Beispiel wird Argentinien angeführt, das mit seinem von den Subtropen bis ins Polargebiet reichenden Territorium geradezu ideale Bedingungen für radiometeorologische Messungen erfüllt, indem dort alle Typen von Parasiten registriert werden können. Abschließend wird die Frage der übermittlung radiometeorologischer Meßergebnisse mittels Zahlenschlüssel behandelt, wobei die in Europa gesammelten Erfahrungen mitgeteilt werden.

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Avec 2 figures.

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Dédié à M. le prof. Dr.H. Benndorf à l'occasion de son 80^ème anniversaire.     

Occurrence,durée et intensité des précipitations simulées par deux modèles régionaux canadiens du climat sur la région du Maghreb

[Translated by the editorial staff] Simulating the precipitation regime of Northern Africa is challenging for regional climate models, particularly because of the strong spatial and temporal variability of rain events in the region. In this study we evaluate simulations conducted with two recent versions of regional climate models (RCM) developed in Canada: the CRCM5 and CanRCM4. Both are also used in the COordinated Regional Climate Downscaling EXperiment (CORDEX)-Africa. The assessment is based on the occurrence, duration, and intensity indices of daily precipitation in Maghreb during the fall and spring seasons from 1998 to 2008. We also examine the links between the North-Atlantic Oscillation (NAO) index, weather systems, and the precipitation regime over the region. During the rainy season (September to February), the CRCM5 reproduces the frequency and intensity of extreme precipitation adequately, as well as the occurrence of days with rain, while the CanRCM4 underestimates precipitation extremes. The study of links between weather systems and the precipitation regime shows that, along the Atlantic coast, precipitation (occurrence, intensity, and wet sequences) increases significantly with storm frequency in the fall. In winter, these links grow stronger going east, from the Atlantic coast to the Mediterranean coast. The negative phases of the NAO index are statistically associated with the increase in rain intensity, extremes, and accumulation along the Atlantic coast in the fall. However, the link weakens in winter over these regions and strengthens along the Mediterranean coast as the precipitation frequency rises during negative phases of the NAO. Both RCMs generally reproduce the links between the NAO and the precipitation regime well, regardless of location.     

La conversion du rayonnement sphérique en rayonnement global

Résumé Une étude théorique permet d'estimer les sommes journalières soit du rayonnement global tombant sur un récepteur plan et horizontal, soit du rayonnement sphérique ou circumglobal tombant sur une sphère. Ces deux sommes dépendent fortement des conditions atmosphèriques: atmosphère pure, brume, humidité et nébulosité, ainsi que de la latitude géographique, de la déclinaison du soleil et de l'albédo du sol. On montre qu'il est quand-même possible de trouver une relation du deuxième ou troisième degré entre les deux types de mesures où les coefficients ne dépendent que de la différence – entre latitude et déclinaison et de l'albédo du sol. Cette relation est valable dans les basses latitudes <30° avec une faible dispersion des valeurs journalières; dans les latitudes plus élevées sa validité semble limitée au semestre estival.

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Summary The daily totals of radiation falling on a horizontal receiver as well as on a spherical one are calculated by theoretical approach. Both types of values change very much with atmospherical conditions, such as pure atmosphere, haze and humidity of the atmosphere and cloudiness and furthermore with the geographical latitude, the declination of sun and finally with the albedo of the ground. It is demonstrated that it is nevertheless possible to establish a relation of second or third order between both these types of values. The coefficients are function only of –, the difference between latitude and declination and of the albedo . This relation is valid in low latitudes <30° for daily totals; in higher latitudes its validity is limited to days of the summer period.

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Zusammenfassung Auf theoretischem Wege werden die Tagessummen sowohl der auf einen horizontalen Empfänger fallenden Globalstrahlung von Sonne und Himmel als auch der auf eine Kugel fallenden Zirkumglobalstrahlung ermittelt. Beide Werte hängen sehr stark von den atmosphärischen Verhältnissen, wie Reinheit der Atmosphäre, Dunst, Feuchtigkeit und Bewölkung, sowie von der geographischen Breite, der Deklination der Sonne und der Albedo der Bodenoberfläche ab. Es wird nun gezeigt, daß es trotzdem möglich ist, eine Beziehung zweiten oder dritten Grades zwischen den beiden Arten von Tagessummen herzuleiten, in der die Koeffizienten nur von der Differenz – zwischen geographischer Breite und Deklination der Sonne einerseits und der Albedo andererseits abhängen. Diese Beziehung gilt in niederen Breiten <30° für alle Einzelwerte, in höheren Breiten nur im Sommerhalbjahr.

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Avec 8 Figures     

Application de l'hygrométrie spectrale à l'etude du bilan de vapeur d'eau atmosphérique

Spectral hygrometry, a useful method in the presence of solar radiation, allows to know in a continuous way the total amount of atmospheric water vapor. The shape of the diurnal variations obtained inside an anticyclonic cell is explained with the conjugate effects of evaporation and loss due to the subsidence mechanism.     

Observations dans la couche limite atmosphérique de l'Estuaire du St‐Laurent: Résultats préliminaires

Résumé

Cet article fait état d'une première étude de la structure verticale de la couche limite atmosphérique (CLA) dans l'Estuaire du St‐Laurent, à partir de ballons captifs. Les résultats préliminaires de l'expérience réalisée en août 1977 démontrent que cette CLA est essentiellement formée d'une couche interne très stable (CLI) d'épaisseur variable et d'une couche mélangée correspondant à la partie non perturbée de la CLA côtière. Dans la couche de surface (CS), nous avons observé des gradients de température pouvant atteindre 1°C m^‐1 et des vents généralement très élevés. Le sommet de la CS correspond très souvent à un maximum de vent. Le fait que la direction du vent change considérablement avec l'altitude indique que les effets de vallée et de baroclinité sont très importants dans la CLI.     

Contribution à l'étude du pH et de la saturation en calcite dans l'estuaire du St‐Laurent (Canada)

Résumé

Des données analytiques récentes sur l'alcalinité des carbonates et le calcium dissous dans l'estuaire moyen du St‐Laurent nous ont permis d'appliquer un modèle thermodynamique simple au calcul du pH et de la concentration en ions carbonate dissous. Ces calculs montrent que le pH varie de façon non linéaire en fonction de la salinité et que le principal facteur de variabilité est la fluctuation de l'apport en carbone inorganique des eaux douces selon la saison. D'autre part le calcul de la concentration en ions carbonate dissous montre que le phénomène de sursaturation des eaux estuariennes en calcite apparaît toujours pour des chlorinités supérieures à 14.5‰, et se trouve pratiquement indépendant de la saison étudiée.     

Étude de la circulation verticale dans l'estuaire du Saint‐Laurent au moyen de la modélisation mathématique

Résumé

Un modèle bidimensionnel dans le sens vertical est utilisé afin d'étudier et de simuler la circulation marine engendrée par la marée dans l'estuaire du Saint‐Laurent. A partir d'une schématisation de l'Estuaire et de conditions en niveaux d'eau et salinités aux extrémités aval et amont du domaine d'étude, ce modèle génère la répartition des hauteurs d'eau et les distributions longitudinales et verticales de vitesses et salinités. Les résultats permettent alors de déduire les circulations instantanées obtenues aux différentes heures de la marée. Celles‐ci mettent en évidence des phénomènes physiques caractéristiques de l'estuaire du Saint‐Laurent et qui ont été plusieurs fois observés. Parmi ceux‐ci, les processus les plus importants concernent les marées internes, la remontée d'eau profonde et les effets des gradients horizontaux de salinités sur les profils verticaux de vitesse.     

Variation de la stabilité atmosphérique urbaine en fonction de la direction du vent

Abstract

Hourly observations of temperature difference between the 61 ‐ and 6.1‐m levels of the Montréal Botanical Gardens meteorological tower from December 1967 to November 1972 have been stratifïed according to wind direction and season, and have been analysed to find any variation of the urban stability with respect to wind direction. A maximum in stability was found to be associated with easterly and southeasterly winds, and a maximum in instability with westerly and northwesterly winds. The amplitude of this variation is such that the instability for the three hours around noon moves, according to Pasquill nomenclature, from class A (very unstable) to class D (neutral), thus generating notable differences between the coefficients of dispersion used in the Gaussian dispersion and hence between the pollutant concentrations calculated with these various coefficients.     

Pour une exploration synoptique du champ du rayonnement dans l'atmosphère

Résumé L'auteur montre que, sans données synoptiques sur le rayonnement dans l'atmosphère, il n'est pas possible d'interpréter d'une manière complète tous les termes des bilans énergétiques de la circulation générale de l'air atmosphéique, ni de les calculer avec précision. Il en coclut qu'une exploration synptique du champ du rayonnement dans l'atmosphère est indispensable.

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Summary The author shows that without synoptic atmospheric radiation data it is impossible either to give a satisfactory explantion of all the terms of the energy balance equations of the atmospheric circulation or to calculate them with accuracy. He therfore concludes that it is essential to make a synoptic investigation of the atmospheric radiation field.

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Zusammenfassung Der Verfasser zeigt, daß es ohne Kenntnis von synoptischen Strahlungswerten weder möglich ist, die Terme der Energiebilanz der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre befriedigend zu interpretieren, noch sie genau zu berechnen. Er folgert daraus, daß die synptische Untersuchung des atmosphärischen Strahlungsfeldes unentbehrlich ist.

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Dédié au Dr.W. Mörikofer à l'occasion de son 70^e anniversaire.     

Évolution des indices des extrêmes climatiques en République du Tchad de 1960 à 2008

[Translated by the editorial staff] An analysis of climate trends and return levels for the period 1960–2008, using the ETCCDI-CLIVAR/JCOMM project approach, has been conducted for Chad, where droughts and flooding are recurrent. Using the RClimDex software, we show that almost all rainfall trends are decreasing, as in Central and Northern Africa. Rare extreme rain events (R99p) decrease significantly: 0.85?mm per decade. However, we note a slightly upward trend of 0.5 day per decade, in the number of consecutive dry days (CDD). Temperature indices are all positive except for the frequencies of very hot days (TX90p) and very cold nights (TN10p), which decrease significantly: ?0.39% day per year per decade, as in Central Africa and globally. Sequences of hot or cold days decrease as well, but by about 1% per year per decade. Return periods identified with the generalized extreme value (GEV) distributions show that they are well defined from 1 to 10 years. Extremely rare events from 10 to 50 years are associated with a mean return level of 660?mm of annual precipitation.     

Estimation de l'Onde de température de surface à partir du flux de conduction thermique dans le sol

A simple computation scheme is presented, allowing the reconstruction of the daily wave of the ground surface temperature by Fourier analysis of the ground heat flux. This method is tested against experimental data collected in the West African savannah. A good agreement between calculated and measured values is shown.     

La forme rotationnelle des équations de la dynamique atmosphérique et les invariants du mouvement de l'air

Résumé Après avoir rappelé quelques notions de calcul tensoriel et les équations de la dynamique atmosphérique en coordonnées généralisées, l'auteur établit l'équation fondamentale de la rotationnelle absolue de l'air. Diverses formes de cette équation sont mentionnées. La première de ces formes est celle d'un bilan qui permet de définir le transport et le taux de production de la rotationnelle absolue de l'air. De la forme particulière de ce transport, il résulte que ce bilan se réduit à un bilan dans un espace à deux dimensions. Deux exemples illustrent les formules générales, le premier, en coordonnées sphériques (, ,r), le second, en coordonnées (, , ) où est un scalaire quelconque (pression atmosphérique, température potentielle, ...). Une autre forme de l'équation fondamentale est celle qui donne le taux d'accroissement individuel d'une composante de la rotationnelle absolue. Cette forme conduit à l'équation d'Ertel. En terminant, l'auteur généralise l'invariant d'Ertel-Rossby.

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Summary Having recalled some results of the tensor analysis and the equations of atmospheric motion in general coordinates, the writer establishes the fundamental equation of the absolute vorticity. Different forms of this equation are mentioned. One of these is the equation of balance from which it is possible to deduce the definition of transport and production of vorticity. It is shown that the equation of balance of the absolute vorticity may be reduced to an equation of balance in two-dimensional space. Two examples illustrate the general equations and formulas: the first example, in spherical coordinates (, ,r), the second one in the coordinates (, , ) where is an arbitrary single-valued scalar quantity (pressure, potentiel temperature, ...). Another form of the absolute vorticity equation expresses the individual change of an arbitrary component of the absolute vorticity. This form leads toErtel's equation. Finally, the writer generalizes theErtel-Rossby invariant.

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Zusammenfassung Nach einer Rekapitulation einiger Resultate der Tensorrechnung und der atmosphärischen Bewegungsgleichungen in generalisierten Koordinaten wird die absolute Wirbelgleichung aufgestellt und es werden verschiedene Formen dieser Gleichung erwähnt. Eine derselben ist die Bilanzformel, aus der die Definition des Wirbeltransports und der Anteil der Wirbelbildung abgeleitet werden können. Es wird gezeigt, daß die Bilanzgleichung des absoluten Wirbels auf eine Bilanzgleichung im zweidimensionalen Raum reduziert werden kann. Die allgemeinen Formeln werden durch zwei Beispiele erläutert: das erste in Kugelkoordinaten (, ,r), das zweite in den Koordinaten (, , ), wo eine beliebige skalare Größe (luftdruck, potentielle Temperatur usw.) darstellt. Eine andere Form der absoluten Wirbelgleichung gibt die individuelle Zunahme einer beliebigen Komponente der absoluten Wirbelstärke wieder; diese Form führt zurErtelschen Gleichung. Zum Schlusse wird dieErtel-Rossbysche Invariante verallgemeinert.

     

Méthode de comparaison des régimes pluviaux en météorologie synoptique

Résumé On développe une méthode basée sur le dénombrement des jours de pluite communs à deux stations données et sur l'écart avec leur probabilité. Une formule simple définit l'indice de similitude de deux régimes pluviaux, indice qui peut varier de –1 à +1 et qui caractérise la plus ou moins grande similitude des distributions chronologiques de la pluie en deux endroits quelconques. L'application de la méthode conduit à établir une loi de décroissance de l'indice avec la distance séparant les stations comparées. Dans la région alpine cette loi présente une anomalie résultant de l'effet orographique.

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Summary A method of obtaining a synoptic view of the distribution of precipitation (rain- and snowfall) is developed. It is based on the number of days on which precipitation occurs at both of two places more or less distant from each other. A mathematical definition is given of an index of similarity, which latter varies between –1 and +1. These, limiting, figures signify in the case of –1 that precipitation is least likely to occur on any one day at both of two different places, in the case of +1 that it is most likely to occur, and that when the index of similarity is 0 no relation at all can be established for the likelihood of precipitation at both places on the same day. The index shows a sharp decline as the distance between places increases. In general it shows less relationship in regard to the simultaneous occurrence of rain-and snowfall between places lying on opposite sides of the Alps than between places on the same side, showing once more how the Alps act as a weather partition. The results, based on observations at 9 places in Switzerland and 8 in other European countries, are valid for the Temperate Zone; for other climatic regions they may be different.

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Zusammenfassung Von der Anzahl der gleichzeitigen Niederschlagstage an zwei Beobachtungsstationen und von der Abweichung ihrer Wahrscheinlichkeit ausgehend, wird eine Methode zum Vergleiche der Niederschlagstypen im synoptischen Sinne entwickelt. Der sogenannte Ähnlichkeitsindex, der zwischen –1 und +1 variieren kann, wird mathematisch definiert. Je nach dem Wert desselben ist die zeitliche Verteilung der Niederschlagstage an zwei Orten gleich (+1), indifferent (0) oder entgegengesetzt (–1). Bei der Anwendung der Methode tritt eine gesetzmäßige Abnahme des Index mit der Entfernung auf. Ein entgegengesetztes Verhalten des Ähnlichkeitsindex beiderseits der Alpen veranschaulicht die Rolle, welche die Alpen bekanntlich als Wetterscheide spielen.

     

Sur la représentation des séries météorologiques au moyen de processus aléatoires stationnaires persistants

Résumé On étudie deux modèles aléatoires stationnaires persistants parmi lesquels l'un est autorégressif du premier ordre et l'autre est à persistance finie. Tous deux sont appliqués aux valeurs diurnes de la température de l'air à Uccle et les conclusions sont favorables au schéma autorégressif. Dans ces conclusions, l'examen des caractères de dépendance de la série initiale et de ceux des séries dérivées joue un rôle prépondérant.

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Summary Two stationary and persistent stochastic processes are studied, the first of which is an autoregressive one of the first order and the second shows finite persistence. Both are applied to daily data of air-temperature at Uccle and conclusions are favourable to the autoregressive scheme. In these conclusions the examination of the dependence-properties of the fundamental series as well as of the derived series plays a prevalent part.

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Zusammenfassung Zwei stationäre und persistente stochastische Prozesse werden untersucht, von denen der eine ein autoregressiver erster Ordnung ist und der andere begrenzte Persistenz besitzt. Beide werden auf die täglichen Werte der Lufttemperatur zu Uccle angewandt, wobei sich für den ersten Prozess günstige Folgerungen ergeben. Bei diesen Schlußfolgerungen spielt die Prüfung der Abhängigkeitseigenschaften der Ausgangsreihe sowie derjenigen der abgeleiteten Reihen eine entscheidende Rolle.

     

Agrégats ioniques positifs d'intérêt atmosphérique

In the stratosphere and upper troposphere, the major positive ions are clusters consisting of trace gas molecules. Laboratory studies of these ions, by means of an ionic source coupled to a mass spectrometer, allow the determination of active trace gases and make it possible to know which are the stable ion clusters.