sur la température des rivières - GIP

Changement climatique:
constat et prévision
d’évolution des
températures des rivières
Philippe GOSSE
Frédéric HENDRICKX
(EDF R&D – LNHE)
Quelles conséquences du changement climatique
(CC) sur la température des rivières ?
Deux approches complémentaires
Détection d’évolution de
température d’eau dans le
passé
Analyse de chroniques
historiques de mesures de
température d’eau
Reconstitution du régime
thermique des rivières en
exploitant ces chroniques et des
données d’observations
météorologiques, de débit, de
pressions/gestion ressource en
eau, …
Caractérisation du rôle du climat
et de perturbations anthropiques
dans le bassin versant
2
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Prévision d’évolution de
température d’eau dans le futur
Considération de l’effet de scénarios CC
sur les caractéristiques atmosphériques
futures (température d’air,vent,
ensoleillement, humidité, pluie)
Projections socio-économiques aux
échelles globale, européenne et locale
(politique d’occupation du sol et de
gestion de la ressource en eau incluant
stratégie d’adaptation au CC)
Modélisation de l’impact de ces
forçages climatiques et socioéconomiques sur la température des
rivières
Ce qui fait varier
la température
d’une rivière
Echanges thermiques
eau-atmosphère et eau-sol
Tair, Vent, ensoleillement
et humidité sont des paramètres
atmosphériques déterminants
Profondeur de l’écoulement
Elle influence l’inertie thermique de la masse d’eau et l’amplitude du cycle
journalier
Vitesse d’écoulement
Débit
Elle définit l’influence thermique des apports d’eau du bassin versant amont.
Cette influence est réduite à l’étiage dans les rivières de plaine caractérisées par
un écoulement lent
Discontinuités thermiques locales (confluence d’une rivière à histoire climatique
différente, résurgence de nappe, barrages, effluents urbains ou industriels)
3
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Évolution sur les dernières décennies
Tendance à la hausse des température des rivières en Europe:
Rivières autrichiennes (Webb, 1995), Le Rhin (Rutten, 2008) et le Danube (Bonnacci, 2008)
Origines diverses invoquées (climat,régularisation, rejets thermiques, …)
Danube
Rhin
Autriche
4
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Évolution sur trois dernières décennies
Le Rhône français (Poirel, 2008)
Hausse de T sur tout le fleuve sur
1977-2006 (+1°C à +2°C en moyenne
entre 1ere et 3eme décennies)
Présente dès la sortie du Léman et
plus marquée sur le bas Rhône
Hausse de T de 4 affluents
principaux (+0.5°C à +1.5°C)
Evolution temporelle des températures moyennes annuelles sur le Rhône
17
Tmoy en °C
16
15
Corrélation avec l’évolution de la
température d’air
SCX
14
LEM
POU
13
CRE
BUG
12
3.5
RGL
Hausse (°C) par décennies
[97-06] - [87-96]
10
[87-96] - [77-86]
9
3
2.5
SOY
Moyennes annuelles (°C) à 12 stations
Rhône et affluents
8
= affluents
2
SAL
11
Evolution des écarts entre les moyennes par décennies
4
JON
7
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
1.5
1
0.5
5
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
ARA
DUR
TRI
CRU
SOY
ISE
RGL
SPE
SAL
SAO
JON
AIN
BUG
CRE
POU
ARV
LEM
SCX
0
CRU
TRI
ARA
Évolution sur trois dernières décennies
La Meuse (Laborelec - Univ. Namur, 2008)
6
Hausse généralisée de la
moyenne annuelle de
température sur l’ensemble de la
Meuse sur la période 1970-2005
(+0.3 à +0.75°C)
Des hausses sur les Tmin plus
fortes que l’élévation en moyenne
annuelle
Des hausses sur les Tmax moins
marquées
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Évolution sur trois dernières décennies
La Loire moyenne (Moatar, 2006)
Hausse généralisée sur la Loire
moyenne (+1.5 à +2°C) en moyenne
annuelle sur la période 1977-2003
(stations amont centrales EDF)
T annuelle
T printemps
T automne
Plus marquée sur printemps / été
T été
7
Corrélation avec Tair; effet
refroidissant des résurgences aval
Orléans l’été
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Évolution sur une dizaine de dernières décennies
La Loire moyenne (Moatar, 2006)
Calage
d’un modèle statistique
de températures trimestrielles
sur 1977-2003
Teau = a + b*Tair – c* Log (Q)
∆T année
∆T été
avec a, b, c constantes, Tair
température d’air Orléans et Q
débit du fleuve à Blois
Application
du modèle sur
1880-2003
8
Relativise les évolutions de la
période d’observation 19772003 (+1°C environ en
moyenne annuelle en 100 ans)
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
∆T printemps
Q été
Quels extrêmes de température?
Etude sur la T max journalière (EDF R&D, 2006)
CHINON
y = 0,0593x + 22,512
R2 = 0,4272
35
Ajustement d’un modèle probabiliste (loi Gen.
val. extrêmes) sur les températures d’eau
journalières max observées chaque année en
juin, juillet et août sur 1977-2003, avec prise en
compte ou pas de la tendance d’échauffement
observée
30
25
Teau max
T_maximum
20
limite inf.
limite sup
15
Linéaire (T_maximum)
10
5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Mois
Évaluation d’une température d’eau max
journalière à temps de retour 30 ans (+ de 2°C
avec prise en compte de la tendance
d’échauffement)
27.5
24.8
30.5
27.4
26.7
28.7
23.9
28.5
28.0
33.7
30.6 31.0
30.6
27.8
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
24.5
24.5
27.3
27.2
24.4
25.4
9
Les limites sont
calculées pour avoir
un intervalle de
prévision à 95%
28.6
30.6
29.2
28.9
Évolution sur les dernières décennies: parts du climat et
des perturbations anthropiques dans le bassin versant
Concept
de température naturelle locale = Tnat = température d’un plan
d’eau évoluant sous la seule influence des variations de sa profondeur et des
conditions météorologiques locales (Gras, 1970)
Des
modèles numériques déterministes à base physique calculent au pas
journalier Tnat et la température de rivières et grands réservoirs à 1°C près
en utilisant des données trihoraires de 5 paramètres atmosphériques acquis
en routine à une station météorologique voisine (Gras et al, 1986; Salençon
et Thébault 1997)
Constat
1, rivières typables : Tnat une grande partie de l’année (ex: parties
moyenne et aval de Loire, Moselle, Saône, Seine, dites rivière de plaine);
Tnat peu fréquent (ex: Garonne près du confluent du Tarn) ou exceptionnel
(Rhin et Rhône français)
Constat
2: des codes de calcul disponibles permettent de dégager le rôle de
facteurs climatiques et anthropiques (hydrologie, morphologie, rejets) dans
les évolutions observées de température d’eau …..et sont utilisables pour
tester l’effet de scénarios d’évolution de ces facteurs
10
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Évolution sur les dernières décennies: parts du climat et
des perturbations anthropiques dans le bassin versant
Température moyenne estivale de la
Loire moyenne 1949 -2003 :
modèle déterministe à base
physique Tnat (Gosse et al, 2008)
85% de l’échauffement de l’eau
constaté de 1980 à 2003 (+1.9°C)
expliqué par les variations des
conditions atmosphériques
locales en Tair (+1.5°C),vent,
pression partielle de vapeur d’eau
et nébulosité
ces 4 paramètres ont tous une
variation sur 1980 - 2003
favorisant l’échauffement de l’eau
(figure)
Evaluation de l'Influence de
4 paramètres dans la
contribution de la météo locale à
l'échauffement de la Loire
moyenne en été sur 1980-2003
(station Météo France de Tours)
mais ne jouent pas dans le même
sens sur 1949 - 2003 (environ
+0.5°C Teau pour +0.9°C Tair)
T air
valeur du débit peu déterminante
dans la plage 50 m3/s –300 m3/s
pression de vapeur d 'eau
vent
nébulosité
11
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Évolution sur les dernières décennies: parts du climat et
des perturbations anthropiques dans le bassin versant
Effet résiduel aval d’un échauffement artificiel de 1°C en moyenne annuelle sur le
Rhône à Bugey (De Saint, 2005)
1
Sa
ôn
e
0.9
la
0.8
l 'A
in
0.7
Macon
0.6
0.5
Couzon
Bugey
Jons
0.4
Creys
Loire
°C
St Alban
l 'I s
èr
e
0.3
le Rhône
Pougny
Chazey
Peyraud
R Glun
0.1
0
20
40
60
80
100
120
140
160
km
12
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
180
200
220
240
260
280
300
che
rdè
l'A
0
B.Monteux
Soyons
Cruas
Tricastin
Aramon
la Duran ce
le Rhône
0.2
Quelles projections pour le futur ?
Anomalies
Climatiques et
modifications
aménagement
territoire
Chroniques Météorologiques :
Tair, Vent, Humidité,
ensoleillement, pluies
+ chroniques débits,
hauteur/vitesse, rejets
CEQUEAU
Anomalies
T eau
13
29 Juin 2009
Chroniques de températures de
l’eau
Séminaire ONEMA GICC
Modèle thermique
(pas temps =3h)
Quelle projection sous effets Tair, vent et
nébulosité ?
modèle déterministe à base
physique exploitant un scénario
climat LMD 1995 doublement
CO2 (Gosse et al, 1996)
élévation (°C) des
températures moyennes
d’Août de rivières françaises
considérées pérennes
(référence conditions météo
année 1978 à 16 stations
Meteo France)
14
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Quelle projection sous effets Tair et débit ?
La Loire moyenne horizon 2050:
modèle à base physique exploitant
6 simulations doublement CO2
3eme rapport GIEC (Dupeyrat, Berhier
2006)
Actuel
26
20
Tmoy interannuelle (°C)
+0.8 à +1.5°C en moyenne
+0.6 à +3°C sur normales des
mois les plus chauds (pour
anomalies de Tair allant jusqu’à
+8°C).
médian
Médiane et
enveloppe
70% des 6
scénarios
24
22
enveloppe 70%
18
16
Actuelle (moyenne
14
1970-1998)
°C
12
10
8
Effets antagonistes non
considérés
en amont d’Orléans
6
4
Vent très légèrement à la
baisse (-5%) pour la fin de
siècle
1
2
3
4
5
6
mois
7
8
9
10
11
mois
Baisse humidité relative
CNRM_HR
CNRM_LR
HC_LR
LMD_HR
LMD_LR
UR_LR
médian
15
janvier
0.96
0.55
0.98
1.08
1.44
0.69
0.95
29 Juin 2009
février
0.78
0.77
0.77
1.08
0.68
0.97
0.84
mars
1.02
0.79
1.60
1.03
0.83
0.82
1.01
avril
0.98
0.73
1.53
0.76
1.05
1.22
1.05
Séminaire ONEMA GICC
mai
1.04
1.29
0.91
0.70
1.05
0.84
0.97
juin
0.94
1.64
1.31
1.24
0.39
0.96
1.08
juillet
0.91
1.75
1.54
1.20
0.58
1.40
1.23
août
1.14
1.14
3.03
0.95
0.56
1.72
1.42
septembre
1.44
1.07
2.80
0.54
1.11
1.58
1.42
octobre
1.08
0.91
2.36
0.85
0.98
1.47
1.28
novembre
1.02
1.27
0.75
1.02
0.76
1.28
1.02
décembre
1.40
1.67
1.39
1.27
0.85
1.71
1.38
12
Quelle limite physique aux températures maximales
de rivière de plaine ?
Extrêmes de la température de l’eau
évalués avec un modèle à base
physique (Travaux EDF R&D 2008)
Construction de scénarios par la
méthode des perturbations pour Tair
+ appariement d’une hypothèse
d’humidité majorante mais
décroissante
Simulation des températures
journalières de l’eau et retenir
l’enveloppe de toutes les simulations
Exemple Loire en amont de l’Indre :
températures journalières 77-2003 +
chroniques météo 49-2003 à Tours
Conclusion: les extrêmes de Teau
devraient évoluer plus modérément
que les extrêmes de Tair, sous l’effet
de l’évaporation
16
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC
Humidité relative
T air
T eau
T air
Conclusion
Hausse de la température des rivières de France et d’autres régions d’Europe
ces trente dernières années: reconstitution possible par modèles statistiques et
à base physique
Débat ouvert sur la part des facteurs explicatifs (Tair, ensoleillement, vent,
humidité, hydrologie, facteurs anthropiques dans le bassin versant) : des
modèles déterministes permettent d’apporter des réponses
Quelle évolution future des températures de rivière et des grands réservoirs?
Importance de modéliser les processus physiques (limite des corrélations
Teau-débit et Teau-Tair)
Importance de disposer de scénarios pertinents en projection climatique
(température d’air, précipitations mais aussi vent, humidité, ensoleillement) et
sur l’évolution pressions/gestion de la ressource en eau dans le bassin versant
fluvial (surtout pour les rivières qui ne sont pas assimilables à des rivières de
plaine)
17
29 Juin 2009
Séminaire ONEMA GICC