Analyse de la température de la Loire moyenne en été sur la période 1949 à 2003

Analysis of the mid-Loire temperature in summer (1949-2003)

¹ EDF R&D, Département LNHE, 6 quai Watier, 78400 Chatou, France
² EDF DTG, 21 avenue de l'Europe, 38040 Grenoble, France

Résumé

On examine la capacité de deux modèles thermiques déterministes à base physique (CALNAT et COURNAT) à reproduire l'augmentation de la température moyenne estivale de la Loire à Dampierre-en-Burly sur la période 1980-2003. Ces modèles utilisent en entrée les chroniques de quatre paramètres atmosphériques relevés à pas tri-horaire à la station Météo-France de Tours. CALNAT calcule la température naturelle locale d'un plan d'eau sans considération du débit fluvial, tandis que le code dérivé COURNAT propage une masse d'eau dans les conditions de débit mesurées à la station de Gien. En été, du 15 juin au 15 septembre, l'échauffement moyen sur les 24 ans observé à la station de mesures en continu des eaux de la Loire située à l'amont de la centrale nucléaire de Dampierre-en-Burly atteint 1,85 °C. Une tendance comparable (2,0 °C) est observée à la station de Belleville amont située une trentaine de kilomètres en amont. Les échauffements moyens calculés sur la même période par CALNAT et COURNAT sont respectivement de 1,55 °C et 1,7 °C; ils représentent ainsi 84 % et 92 % de la tendance d'échauffement découlant des mesures à Dampierre-en-Burly. Durant cette période d'étiage, l'essentiel de l'échauffement de la Loire est attribuable aux variations tendancielles de la température d'air (+1,5 °C), de la pression de vapeur d'eau (+0,65 hPa), de la vitesse de vent à 10 mètres (-0,4 m/s), et de la nébulosité du ciel (-0,15 octa) dont la contribution à l'élévation de la température naturelle locale peut être évaluée à l'aide de CALNAT à respectivement 46 %, 18 %, 28 % et 8 %. L'application de CALNAT et COURNAT sur la période 1949-2003 donne un échauffement moyen tendanciel de l'eau de l'ordre de 0,5 °C sur 55 ans pour le même trimestre 15 juin-15 septembre. Le débit ne présentant pas de tendance d'évolution significative sur la période, cet échauffement modéré comparativement à celui de 1980-2003 est attribuable au faible effet global des tendances de variation des quatre paramètres atmosphériques. Contrairement à la période 1980-2003, les quatre grandeurs atmosphériques présentent des variations à effets antagonistes sur la température d'eau de 1949 à 2003 : réparties uniformément à chaque pas tri-horaire de calcul, les évolutions estimées de la température d'air (+0,9 °C), de la pression de vapeur d'eau (-0,55 hPa), de la vitesse du vent à 10 m (+0,4 m/s) et de la nébulosité (-0,4 octa) sur ces 55 ans à l'échelle trimestrielle modifient la température naturelle locale de l'ordre de +0,4 °C, -0,2 °C, -0,4 °C et +0,3 °C respectivement. Ces résultats suggèrent qu'une relation linéaire observée entre variations de températures d'air et de plan d'eau n'est pas systématiquement extrapolable sur un plus grand nombre de décennies. Comme ceux de COURNAT, les résultats de CALNAT indiquent que, sur la période 1949-2003, 2003 est l'année record pour la dose thermique maximale reçue par l'écosystème fluvial aussi bien sur 7 jours consécutifs que sur 90 jours consécutifs (avec des températures moyennes calculées de respectivement 29,5 °C et 25 °C confirmées par la station de mesure de Dampierre). Pour la dose thermique maximale reçue sur 30 jours consécutifs, CALNAT place 2003 dans les années de tête avec une température moyenne de 26 °C, confirmée par la station de Dampierre. Ces pics thermiques de 2003 remarquablement reproduits à 0,3 °C près par CALNAT aux échelles de temps considérées sont ainsi expliqués par les conditions atmosphériques locales exceptionnelles et non par le très bas débit fluvial (minimum de 50 m³/s à Gien) alors observé. À l'opposé, l'été 1977 ressort avec COURNAT - plus adapté lorsque les débits sont élevés - comme l'été le plus froid de la période 1949- 2003 pour la dose thermique maximale reçue sur 7, 30 et 90 jours avec des températures moyennes de respectivement 22 °C, 20 °C et 19 °C, effectivement observées. Pour la dose thermique maximale reçue par l'écosystème Loire sur 30 jours, les années 1976 et 1977 se distinguent par la plus forte différence entre deux années consécutives sur la période 1949-2003.

Abstract

We examine the ability of two physics-based deterministic thermal models (CALNAT and COURNAT) to reproduce the increase of the Loire river temperature observed in summer at Dampierre-en-Burly over the 1980-2003 periods. These models use input data sets of four atmospheric parameters, collected every three hours, at the Météo-France station of Tours. CALNAT calculates the local natural temperature of a water body without taking into account the river discharge, whereas COURNAT, a derivate code, propagates a water body under the Gien discharges conditions. In summer, trimester 15 June-15 September, the average warming observed from 1980 to 2003 in the Loire, at the thermal recorders installed upstream of Dampierre-en-Burly nuclear power plant, reached 1.85 °C. A comparable increase (2.0 °C) is obtained about thirty kilometers upstream, at the station upstream of the Belleville nuclear power plant. The average warming trends calculated over the 24 years by CALNAT and COURNAT are respectively 1.55 °C and 1.7 °C; they represent 84% and 92% of the warming trend resulting from the measurements at Dampierre-en-Burly. During this low flow period, most of the warming trend of the Loire can be linked to air temperature (+1.5 °C), water vapor pressure (+0.65 hPa), wind velocity at 10 m (-0.4 m/s) and sky nebulosity (-0.15 octa) variation trends, whose contribution to the local natural temperature can be estimated at 46%, 18%, 28% and 8% respectively. The application of CALNAT and COURNAT to the 1949-2003 periods gives a warming trend of water close to 0.5 °C over 55 years for the same trimester 15 June-15 September. Without any significant variation trend detected for the river discharge, this rather moderate warming compared to the 1980-2003 period can be linked to the antagonistic effect of the 4 atmospheric parameters variation trends: applied uniformly every three hourly calculation step, over 55 years, the quarterly trends of air temperature (+0.9 °C), water vapor pressure (-0.55 hPa), wind velocity at 10 m (+0.4 m/s) and sky nebulosity (-0.4 octa) modify the local natural temperature by around +0.4 °C, -0.2 °C, -0.4 °C et +0.3 °C respectively. These results question the pertinence of extrapolating over more decades a linear relationship found between air and water body temperatures. Like COURNAT, CALNAT results indicate that 2003 is an exceptional year of the 1949-2003 periods, for the maximal thermal dose received by the river ecosystem during 7 and 90 consecutive days, with average water temperatures of 29.5 °C and 25 °C confirmed by the Dampierre measurement station. For the maximal thermal dose received during 30 consecutive days, year 2003 ranks within the top years with an average temperature of 26 °C. It must be noted that these thermal peaks of 2003 which are remarkably reproduced (with a 0.3 °C accuracy) by CALNAT are explained by the extreme values of the 4 atmospheric parameters and not by the very low river discharge observed at that time (minimum of 50 m³/s at Gien). On the opposite, summer 1977 is disclosed by COURNAT - more adapted than CALNAT to high discharges - as the coldest summer of the 1949-2003 period for the maximal thermal dose received during 7, 30 and 90 consecutive days with an average temperature - confirmed by the measurements - close to 22 °C, 20 °C and 19 °C respectively. As regards the maximal thermal dose received during 30 consecutive days, 1976 and 1977 show by far the highest difference between two consecutive years.