2. Méthodologie générale
2.3. Données issues des modèles de vagues
2.3.1. Données issues du modèle d'Environnement Canada (Modèle EC)
WAM (WAve Model; WAMDI Group, 1988; Komen et al., 1994) cycle IV est un modèle vent-vague de 3ième génération : un modèle pleinement spectral (dans les domaines de fréquence et de direction) qui donne une description bidimensionnelle (2D) de l’état de la mer. Environnement
Canada utilise depuis 2002 pour ses prévisions opérationnelle de l'estuaire maritime et le golfe du Saint-Laurent la version MW3 « PROMISE » (Pre-Operational Modeling in the Seas of Europe) de WAM (Monbaliu et al., 1999), qui est optimisée pour les estuaires et les bassins océaniques fermés. Il utilise une formulation explicite des processus physiques impliqués dans l’évolution des vagues qui le rend très rapide et précis en eau profonde. Cette formulation requiert néanmoins une grille très fine en domaine côtier et rend donc le modèle moins adapté aux domaines peu profonds. La formulation utilisée pour la génération des vagues est celle de Janssen avec une formulation linéaire de la croissance des vagues de vent (Cavaleri et Malanotte-Rizzoli, 1981). Il intègre également l’action des niveaux d’eau et de courants non-stationnaires sur la transformation des vagues. Il est utilisé avec une grille sphérique de 0,04° latitude et 0,06°
longitude avec une configuration incluant les options suivantes : eaux peu profondes, réfraction des vagues par profondeur et courants, friction sur le fond selon la formulation empirique de Jonswap, et déferlement dû à la profondeur selon Battjes et Janssen (1978). Il est opéré en mode prédiction (temps réel), avec un pas de temps interne de 2 minutes. Ses sorties sont sauvegardées toutes les 3 heures. Elles correspondent donc à un état de la mer à l’instant de la prévision, sans intégration sur le temps.
Le modèle est alimenté par les données de niveau d’eau et de courants de surface issues du modèle océanographique du golfe du Saint-Laurent opéré par Environnement Canada à l’Institut Maurice Lamontagne, ainsi que par les prévisions de vent tri-horaires à 40 m d’altitude issues de GEM, produites toutes les 12 heures et couvrant une période de 48h. Une modélisation du modèle EC des prochaines 48 h est lancée toutes les 12 heures. Les prévisions passées du modèle EC se chevauchent (de 12 h, 24 h, 36 h, et 48 h). Les paramètres Hm0, T02 et DIR sont sauvegardés aux trois heures. Pour chaque date t existent quatre ou cinq valeurs prédites différentes, celles comprises entre 6h et 15h d’âge (depuis le début de la modélisation) sont considérées comme les plus fiables et sont utilisées dans les comparaisons. Nous disposons donc d’une série chronologique tri-horaire des paramètres de vagues (Hm0, T02 et DIR) issue du modèle EC à chaque position des stations de mesure entre juillet 2002 et fin novembre 2011 ainsi que sur l’ensemble du golfe et de l’estuaire à chaque point de grille du modèle de 2009 à 2011.
2.3.2. Données issues de SWAN forcé par le modèle EC
SWAN (Simulating WAve Nearshore; Booij et al, 1999) cycle III version 40.85 est aussi un modèle vent-vague de troisième génération. Il utilise les mêmes formulations que WAM pour les termes sources, mais avec une formulation implicite des schémas de propagation dans les espaces spectraux et géographiques, qui sont plus robustes et économiques en ressources que les schémas explicites de WAM. Cette implémentation rend possible l’utilisation d’une grille bathymétrique haute résolution nécessaire à la propagation des vagues en domaine côtier. SWAN est pleinement spectral (directions et fréquences) et permet le calcul de la propagation et l'évolution des vagues en domaine côtier incluant des eaux peu profondes et en présence de courants et de niveaux d’eau non-stationnaires. Nous utilisons SWAN avec les mêmes formulations que WAM pour la génération et la croissance des vagues (Jansen, croissance linéaire). En eau peu profonde, les formulations décrivant les interactions entre les vagues ont été supplémentées avec un terme source prenant en compte les interactions non-linéaires entre trois vagues (triads).
SWAN est alimenté par les séries chronologiques des sorties de vagues du modèle EC qui constituent les conditions aux limites en entrée. Parce que le modèle EC ne sauvegarde pas le spectre directionnel complet, nous définissons un modèle de spectre générique de type JONSWAP (Hasselmann et al., 1973) à partir du triplet Hm0, T02, DIR issues du modèle EC pour représenter le spectre directionnel de l’énergie en entrée du domaine de SWAN. Ce spectre correspond à une mer en développement, ce qui constitue une hypothèse acceptable pour la distribution de l’énergie en entrée de nos domaines au regard de la géométrie de l’estuaire et du golfe du Saint-Laurent, ainsi qu’à la variabilité spatiale des conditions de vent. Néanmoins, nous ne disposons que des caractéristiques de vagues extraites par analyse spectrale. Il résulte de cette simplification une perte d’information concernant la distribution continue de l’énergie. Pour cette raison nous n’avons aucune certitude que les spectres reconstitués en entrée de SWAN soient identiques à ceux issus du modèle EC.
Les frontières maritimes des domaines de propagation de SWAN sont déterminées pour se superposer à la grille du modèle EC. SWAN est également alimenté par des données (prévisions) de vent tri-horaires à 10 m issues de GEM et par les données de niveau d’eau et de courants de surface issues du Modèle Océanique Régional (MOR) du golfe du Saint-Laurent opéré par Simon Senneville à l’ISMER.
SWAN utilise une grille bathymétrique haute résolution de 200×200 m, couvrant un domaine s’étendant du large (profondeur en entrée du domaine supérieure à 200 m pour Sept-Îles et Saint-Ulric, 100 m pour Cap d’Espoir) à la côte, avec une ligne du rivage à 2 m au-dessus du niveau marin moyen. Les données hydrographiques proviennent de la base de données du Service hydrographique du Canada (SHC), avec une résolution de base de 25×25 m. Les points de notre grille de 200×200 m ont été interpolés sur les données du SHC. Les données d’altitude pour la zone s’étendant entre le zéro hydrographique et la côte +2 m proviennent de la base de données de la Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) de la NASA à 90 m de résolution spatiale.
L’utilisation de données altimétriques est rendue nécessaire afin de représenter la genèse des vagues à la côte en raison de la non-stationnarité des niveaux d’eau. Les trois implémentations du modèle sont donc conçues pour être « couvrante-découvrante ».
Le modèle est opéré en mode quasi-stationnaire : il est exécuté pour chaque pas de temps avec des conditions stationnaires de vagues, vent, niveau d’eau et courant correspondant. Le calcul se poursuit jusqu’à la convergence, c’est-à-dire quand la différence des hauteurs de vague en chaque point de la grille entre deux itérations successives est suffisamment petite. Lorsque le modèle a convergé, les sorties sont sauvegardées, les données de vagues, vent, courant et niveau d’eau sont incrémentées au pas de temps suivant et le modèle se relance automatiquement.
Nous obtenons en sortie une base de données tri-horaire de Hm0, T02, Dir à chaque point de grille ainsi qu’aux coordonnées de la station de mesure. Des sorties spectrales sont également produites à la position de la station. Le modèle a été préalablement calibré puis validé sur la période de l’automne de 2010. Les données produites couvrent actuellement la période de mai 2010 à avril 2012. Ultérieurement, elles peuvent être produites depuis 2003.