Séries temporelles d’états de mer et de niveaux d’eau

Séries temporelles d’états de mer et de
niveaux d’eau

Séries temporelles d’états de mer liées aux vagues

 Dans un premier temps, nous allons décrire les données existantes concernant les vagues pour la côte basque. Les observations réalisées à partir de systèmes de mesures sur place seront complétées par des simulations numériques. Cela permettra d’obtenir des jeux de données ayant une couverture temporelle suffisamment importante pour espérer établir par la suite un lien avec les dommages à la côte. 

Séries issues de mesures de bouées houlographiques 

Les mesures par bouées houlographiques permettent de récupérer le signal de l’élévation de la surface de l’eau en fonction du temps en un point précis. La mesure de l’évolution de la surface libre est en général basée sur l’utilisation d’accéléromètres qui permettent par intégration successives de reproduire le mouvement de la bouée de surface suivant les 6 degrés de liberté. Les méthodes statistique (« vague par vague ») et spectrale décrites dans les sections 2.3.1 et 2.3.2, respectivement, sont donc applicables afin d’obtenir une synthèse de ce signal sur la fenêtre temporelle choisie (typiquement, trente minutes) et calculer les descripteurs d’états de mer comme Hs , Tp, etc, introduits dans le chapitre précédent. En France, le CEREMA, service technique du Ministère de l’Écologie avec l’aide des centres de recherche, a déployé le réseau de bouées CANDHIS (Centre d’Archivage National de Données de Houle In Situ) pour répondre aux problématiques liées à l’ingénierie côtière (risques, navigation, dimensionnement d’ouvrages,. . .) et obtenir des données d’observation pour les besoins de la recherche. Ce réseau couvre actuellement 19 points le long des côtes françaises. Le CEREMA prend en charge le déploiement des bouées. Pour chaque bouée, une série temporelle de descripteurs d’états de mer (pour les vagues uniquement) est calculée. Selon la technologie de la bouée considérée, toutes les variables ne seront pas fournies. Il faut noter que cette série temporelle est corrigée afin de retirer les valeurs aberrantes liées par exemple à l’entretien des bouées ou aux collisions avec ces dernières. Même si la fenêtre temporelle d’observation pour un état de mer est toujours de vingt ou trente minutes, les pas de temps entre deux états de mer dans la série peuvent varier selon les campagnes et les période de mesures. Les données sont stockées sur des serveurs et accessibles via le site web de CANDHIS. L’ensemble des méthodes liées aux mesures par bouée en France est résumée dans la documentation du CEREMA [14]. On dénombre trois campagnes concernent le Pays basque français avec des bouées localisées approximativement en face de Bayonne, Anglet et Saint-Jean-de Luz. Les caractéristiques de ces campagnes sont détaillées dans le tableau 3.1. Sur l’image de la figure 3.1 détaille la répartition des bouée par rapport à la côte. Compte tenu de la technologie utilisée et des qualifications de l’exploitant, une bonne confiance sera accordée aux séries temporelles d’états de mer obtenues à partir des bouées. Nous verrons au chapitre 4 qu’elles pourront ainsi servir de référence pour évaluer la qualité de simulations d’états de mer. Plusieurs inconvénients importants peuvent néanmoins être soulignés pour ce qui est de l’objectif poursuivi dans ce travail comme le montre le tableau 3.1 : le nombre de campagnes est faible, la couverture spatiale n’est pas très importante et, surtout, la couverture temporelle est également limitée. Ainsi, les trois campagnes ne couvrent que quelques années, ce qui est plutôt limitant dans le cadre d’une étude historique. Pour notre étude, seules les séries temporelles issues de la bouée d’Anglet et de la bouée de Saint-Jean-de-Luz seront utilisées en tant que données d’observations au large. Dans la suite du document, ces séries seront notées respectivement. 

Séries issues de simulations numériques

 La section précédente montre qu’il ne sera pas possible, dans le cadre d’une étude sur plusieurs dizaines d’années, de compter uniquement sur les séries temporelles d’états de mer obtenues à partir de bouées de mesure de l’état de mer. Pour remédier à cela, deux séries temporelles d’états de mer simulées seront utilisées. Les modèles physiques utilisés pour reproduire les mouvements des vagues seront succinctement présentés dans les sections suivantes mais le point de vue sera plutôt axé sur l’utilisation des données simulées. Le principe de base pour reproduire le mouvement des vagues est d’utiliser des séries temporelles simulées de champs de vents obtenues grâce à des réanalyses réalisées à l’aide de données de températures. Les modèles numériques de génération et de propagation de la houle spectrale sont basés sur une approche linéaire de la houle  et la conservation de la densité d’action des vagues   avec l’introduction de termes source (pour la génération notamment) et puits (i.e., frottement sur le fond, déferlement) sur une grille de points qui représente le domaine océanique étudié. La résolution du système d’équation sur une grille spatiale, temporelle et spectro-angulaire permet de calculer l’évolution du spectre d’énergie dans le domaine étudié. Et ainsi, in fine, d’estimer les descripteurs d’états de mer comme Hs , Tp, etc, en fonction du temps. En plus d’utiliser des champs de vent, ces simulations utilisent d’autres variables d’entrée, comme les courants marins ou la bathymétrie (mesure de la topographie des fonds marins) à un endroit donné. De manière générale, les simulations présentent des biais liées aux données utilisées en entrée. En effet, les différentes technologies utilisées pour recueillir ou produire les données de vent n’ont pas la même fiabilité en fonction de l’époque. Par exemple, avant les années 1970, il n’y avait aucun satellite lié aux données météorologiques, ce qui rend la qualité des données non homogène sur l’ensemble de la période étudiée. Dans ce travail, deux séries temporelles simulées d’états de mer (restreints aux variables liées aux vagues et sans le niveau d’eau) ont été utilisées. Les deux jeux de données ont des caractéristiques différentes, détaillées dans les sections suivantes. L’avantage principal de ces simulations est qu’elles permettent d’avoir une couverture temporelle plus longue (tout en couvrant une zone sensiblement plus grande que celle où se trouvent les trois bouées). 

Simulation Homere 

Les simulations HOMERE ont été réalisées par les équipes de l’IFREMER dans le but de décrire les états de mer dans le Golfe de Gascogne. Deux versions ont été proposées pour couvrir la période 1994-2012 puis la période 2012-2016. Les séries temporelles ont été simulées grâce au code de calcul WAVEWATCH III qui utilise un schéma de propagation sur grille non structurée. Le paramètrage est celui proposé lors du projet de recherche IOWAGA (Integrated Oceans WAves Geophysical and other Applications). Le détail des paramètres utilisés est décrit dans le rapport de ce projet et ne sera pas présenté ici. La bathymétrie provient des travaux du SHOM et de l’IFREMER (voir [5]). Les champs de vents sont issus des réanalyses CFSR (Climate Forecast System Reanalysis) décrites par Saha [26]. Enfin, les courants et niveaux d’eau ont été calculés par le modèle hydrodynamique MARS 2D de l’IFREMER (voir [1] et [49]). La figure 3.2 montre la grille de points utilisée pour faire tourner cette simulation. Dans la suite du document, les séries temporelles issues de la simulation HOMERE seront préfixées par HOM. Par exemple, HOM.ANG désignera la série temporelle d’états de mers simulés correspondant au lieu où se situe la bouée d’Anglet. Il faut tout de même noter qu’au moment où ce document est rédigé, nous n’avons pas accès à l’intégralité des données issues de la simulation Homere. Des variables comme Tp n’ont pas pu être extraites. De plus le recouvrement temporel avec la bouée de Saint-Jean-de-Luz n’est pas suffisant pour que les données soient exploitées pour ce point.

Simulation WWMII 

La deuxième simulation utilisée dans ce travail sera appelée WWMII (pour les raisons données ci-après) et couvre la période 1949-2015. Les séries temporelles d’états de mer correspondantes sont obtenues grâce à un modèle couplé entre un modèle de circulation 2D horizontal basé sur Selfe [67] et sur le modèle spectral de vagues Wave Wind Model II [66]. Le modèle est ainsi forcé par les vents et pressions de la réanalyse NCEP/NCAR [22]. La simulation est réalisée sur le maillage de la figure 3.3. À noter que les champs de vent utilisés dans le modèle WWMII sont de La figure de gauche montre la zone de l’Océan Atlantique concernée et la figure de droite montre le zoom sur le domaine correspondant au Golfe de Gascogne. L’échelle de couleur décrit la taille des mailles utilisées dans chaque secteur du domaine [66]. qualité homogène sur toute la durée de simulation [66]. Les séries temporelles d’états de mer (restreints aux vagues) issues de cette simulation seront préfixées par le symbole WWMII. Par exemple, WWMII.SJL désignera les séries correspondant au point de la bouée de Saint-Jean-de-Luz.