EVOLUTION DU SPECTRE D’ENERGIE

EVOLUTION DU SPECTRE D’ENERGIE

Généralités

L’évolution du spectre des vagues est qualitativement bien compris [Holthuijsen, 1999]. Le vent est à l’origine de la formation des vagues. Sous son action , une surface initialement au repos se couvre de vaguelettes (vagues de capillarité) . Si le vent souffle de façon constante et toujours dans la même direction, les vagues qui se propagent dans sa direction vont grossir très rapidement sous l’ effet des fluctutaions de pression de l’ air qu’ il introduit au sommet de leurs crêtes [Miles, 1957]. Bien qu’u ne partie de l’ énergie apportée par le vent soit simultanément perdue par dissipation quand les vagues se brisent, le bilan reste positif et les vagues croissent rapidement (croissance exponentielle dans le temps). L’ énergie augmente jusqu’ à une valeur limite: il y a saturation de l’ énergie dans les petites longueurs d’ onde. Par ailleurs, l’énergie reçue par l’ action du vent est transférée vers les plus grandes longueurs d’ondes par des interactions non -linéaires [Hasselmann et al, 1973]. L’ arrêt du vent stoppe la croissance des vagues. L’ énergie se dissipe lorsque les vagues déferlent. Ce processus de déferlement est contrôlé par une valeur limite de la cambrure ou pente des vagues (rapport de la hauteur sur la longueur d’ onde). Sans l’ action du vent et avec la dissipation, l’ énergie des vagues diminue et les vagues s’ aplatissent. Quand les vagues arrivent en eau peu profonde (en zone côtière, sur le plateau continental), les processus de génération, dissipation, et propagation se compliquent. Sous l’ effet de la faible profondeur, la vitesse de phase des vagues devient très importante et les vagues forment des rouleaux. Les vagues déferlent davantage. De plus, les côtes forment des obstacles à la propagation des vagues. Sous certaines conditions, les vagues qui arrivent sur les côtes vont se réfléchir et repartir dans la direction opposée. La modélisation de l’ état de la mer dans les régions côtières est de ce fait plus complexe.

Equation de conservation de l’ énergie

Le développement des modèles numériques nécessitent la quantification des termes précités qui régissent l’ évolution des vagues, et le transfert des équations de physique en code numérique. Pour modéliser l’ état de la mer, on utilise généralement l’ approche Eulérienne qui consiste à considérer en un point de la surface de la mer toutes les vagues qui y arrivent. En eau profonde, l’ évolution de chaque composante du spectre directionnel en un point de la surface océanique est contrôlée par l’ équation bilan qui assure la conservation de l’ énergie.

Table des matières

Chapitre 1 – Introduction
Chapitre 2 – Description de la surface océanique: Rappels et Définitions
I. Introduction
II. Description et évolution en un point de la surface
A. Description statistique de la surface de l’océan
B. Onde monochromatique
C. Propagation d’un train de vagues
D. Vagues de gravité
E. L’approche spectrale
III. Evolution du spectre d’énergie
A. Généralités
B. Equation de conservation de l’énergie
C. Age des vagues
D. Mer du vent / Houle
IV. Grandeurs adimensionnelles
A. Définitions
B. Formules empiriques vent-vagues
V. Spectres ParamÉtrÉs
A. Spectre limite: Phillips
B. Spectre de mer bien développée: Pierson-Moskowitz
C. Spectre à fetch limité
D. Spectres à hautes fréquences
VI. Interaction avec l’atmosphere
A. Génération des vagues par le vent
B. Rétroaction des vagues sur le vent
VII. Retrodiffusion a la surface de l’ocean
A. Le coefficient de rétrodiffusion radar
B. Réflexion spéculaire
C. Diffusion de Bragg
D. Dépendance de l’angle d’incidence
VIII. Conclusion
Chapitre 3 – Contexte expérimental
I. L’expérience FETCH
A. Cadre Expérimental
B. Moyens mis en jeu et stratégie d’observation
II. Données disponibles pour l’étude
A. Mesures in situ
B. Les sorties de modèle de prévision météorologique
C. Mesures spatiales
D. Mesures aéroportées
III. L’instrument RESSAC
A. Caractéristiques du radar
B. Principe de la mesure
C. Traitement des données
IV. Conclusions
Chapitre 4 – Etats de la mer à moyenne échelle
I. Introduction
II. Situations météorologiques observées
A. Situations générales 64
B. Périodes d’observations intensives
C. Résumé de l’analyse comparative bouées et radar
III. Les modèles de prévision de l’état de la mer
A. Introduction
B. Les modèles numériques de prévision de l’état de la mer
C. Description des modèles utilisés
IV. Diagnostics des paramètres moyens des modèles
A. Evolution temporelle au point de la bouée ASIS
B. Analyse statistique du vent
C. Analyse statistique de la hauteur significative des vagues
D. Conclusions
V. Analyse spectrale
A. Séparation en train de vagues
B. Détermination de la Mer du vent
C. Analyse statistique des hauteur significative des trains de vagues
D. Lois de croissance
VI. Etude de cas
A. Cas du 24 Mars 1998
B. Cas du 20 Mars 1998
C. Cas du 03 Avril 1998
D. Cas du 07 Avril 1998
VII. Conclusions
Chapitre 5 – Relation avec l’atmosphère – Flux turbulents
I. Introduction
II. Théorie des flux turbulents
A. Définition des flux turbulents
B. Equation de conservation de l’énergie cinétique
C. Théorie de la similitude de Monin-Obukhov
D. Formules et Paramètres bulk
III. Mesures des flux turbulents
A. Méthode de corrélation de la turbulence (ECM)
B. Méthode inertio-dissipative
IV. Analyse
A. Présentation des mesures
B. Paramétrisation en fonction du vent
C. Paramétrisation en fonction de l’état de la mer
D. Direction de la tension superficielle du vent
V. Conclusions
Chapitre 6 – Distribution des pentes à petite échelle
I. Introduction
II. Définition et historique
A. Définition
B. Historique
III. Mesure de la MSS
A. Théorie
B. Estimation de la MSS radar
IV. Résultats des mesures RESSAC
A. Présentation des situations
B. MSS totale
C. MSS directionnelle V. Cas du 24 Mars: données RESSAC, TOPEX et LIDAR
VI. Conclusions
Chapitre 7 – Conclusions et Perspectives
Annexe 1:Mât Instrumenté de l’Atalante
Annexe 2:Plate-Forme instrumentale ASIS
Annexe 3:Analyse d’erreurs des données RESSAC
Annexe 4:Heidi Pettersson, Hans C. Graber, Danièle Hauser, Céline Quentin,Kimmo K. Kahma, William M. Drennan, and M. Donelan “Directional wave measurements from three wave sensors during Fetch experiment”
Annexe 5:William M. Drennan, Hans C. Graber, Danièle Hauser, and Céline Quentin
“On the wave age dependence of wind stress over pure wind seas”
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES