événements. Les modèles arrivent à reproduire les surcotes avec une précision d’une dizaine de centimètres (Bertin et al., 2012; Ding et al., 2013; Westerink et al., 2014). Le tableau 2.2 présente une comparaison des couplages numériques actuels avec des exemples d’applications académiques ou réalistes.
Table 2.2 – Vue d’ensemble des principaux couplages numériques actuels
Modèles Méthode Mode Exemples d’applications
TELEMAC 3D / TOMAWAC
Force de
vortex full-coupling Jia et al. (2015)
SELFE / WWMII Force devortex full-coupling Roland et al. (2012); Bertinet al. (2012) MARS 3D /
WAVEWATCH III Force devortex full-coupling Bennis et al. (2010)
ADCIRC / SWAN Tensions deradiation full-coupling Dietrich et al. (2011a,b);Westerink et al. (2014) ROMS / SWAN Force devortex full-coupling Uchiyama et al. (2010)Chen et al. (2010);
ROMS / WWMII Force devortex full-coupling Sikiric et al. (2013)
SYMPHONIE / WAVEWATCH III
Force de vortex
1-way ou
2-way Michaud et al. (2012, 2013)
POM / SWAN Tensions deradiation full-coupling Liu et al. (2004); Xie et al.(2008)
2.5 Résumé
Le phénomène de surcote est provoqué par la dépression atmosphérique, les transferts océan/at-mosphère comme notamment le vent et de l’effet des vagues. Les tempêtes tropicales, nommées aussi typhons lorsqu’elles surviennent dans l’ouest de l’océan Pacifique, sont l’un des principaux moteurs des niveaux d’eau extrêmes (Church and Clark, 2013). L’océan Pacifique nord-ouest est l’endroit au monde présentant le plus de typhons en moyenne dépassant les 95 noeuds de vent (Hurricane Research Division, 2015). Selon GIEC Climate Change (2007) : "Un phénomène
climatique extrême est un phénomène qui est rare dans le cadre de sa distribution de référence statistique à un endroit spécifique. Les définitions de "rare" varient, mais un phénomène clima-tique extrême serait normalement aussi rare ou plus rare que le 10ème ou le 90ème percentile".
Selon les statistiques du Bureau national de la Marine Chinoise (Tang et al., 2010), au cours des 50 années entre 1949 et 1998, les surcotes avec plus de 1 m élévation du niveau marin ont eu lieu 270 fois, plus de cinq fois par an en moyenne. Les surcotes avec plus de 2 m d’élévation du niveau marin sont survenues 48 fois et ceux avec plus de 3 m d’élévation du niveau marin ont eu lieu 15 fois. Parmi ces niveaux d’eau extrêmes, de grands dommages et pertes ont été enregistrés 112 fois dans les zones côtières chinoises, en particulier dans les estuaires et dans les terres côtières basses. Dans le nord de Taïwan, les surcotes sont de l’ordre de 0.30 à 0.50 mètre comme le montre Huang et al. (2007) et à Cigu, Sous et al. (2013) ont mesuré une élévation d’environ 0.25 mètre du niveau lors du typhon TALIM en juin 2012.
Depuis des décennies, la modélisation numérique constitue un outil déterminant dans la réduc-tion des pertes humaines et des dégâts matériels causés par les tempêtes (Pugh, 1987; Chen et al., 2010). Le processus de surcote se modélise numériquement avec un modèle de circulation côtière forcé par les conditions atmosphériques et les vagues. Weisberg and Zheng (2008) ont comparé les formulations à 2 dimensions et à 3 dimensions des modèles de circulation pendant
2.5. Résumé
la tempête Ivan dans la baie de Tampa, en Floride. Ils ont conclu que, pour la prévision de surcotes sur une topographie côtière complexe, un modèle en trois dimensions sera sûrement meilleur que deux dimensions puisqu’il permet de mieux représenter la pression sur le fond résultant de la structure verticale de la colonne d’eau.
Le couplage entre les forçages météo et la circulation est aujourd’hui assez bien connu (We-lander, 1961) et se modélise grâce à une formule bulk (Geernaert, 1990). Bien souvent, les forçages météo issus des modèles atmosphériques ne reproduisent pas correctement les événe-ments extrêmes comme les tempêtes tropicales (sous-estimation/surestimation)(Cavaleri and Sclavo, 2006; Stopa and Cheung, 2014; Zecchetto and Accadia, 2014). Ainsi dans les études de rejeu de ces événements, nous avons souvent recours à des modèles paramétriques (Holland, 1980) pour re-générer les champs de vent et de pression atmosphérique à partir des informations satellitaires. Concernant le couplage entre les vagues et la circulation, il est très récent et nous disposons à l’heure actuelle de deux approches pour le modéliser : l’approche tension de radia-tion et l’approche force de vortex. Il existe une dizaine de couplages numériques permettant de représenter les effets des vagues sur les courants avec la majorité couplés à l’aide d’un logiciel de couplage (PALM, OASIS, PGMCL, MCT,...). La qualité des modèles permet de reproduire les surcotes avec des erreurs de dizaines de centimètres (Bertin et al., 2012; Ding et al., 2013; Westerink et al., 2014).
Deuxième partie
Les outils de modélisation numérique
de l’hydrodynamique littorale
Chapitre 3
SYMPHONIE - un modèle 3D de
circulation côtière
3.1. Présentation du modèle
3.1 Présentation du modèle
SYMPHONIE est un modèle hydrostatique de circulation côtière développé par l’équipe SI-ROCCO (Marsaleix et al., 2008) (Table 3.1). Les composants du courant, de la température et de la salinité sont calculés sur une grille de type C (Arakawa and Lamb, 1977) grâce à une méthode classique de différences finies. Un système de coordonnées verticales de type sigma-généralisées permet d’affiner la résolution près du fond et en surface tout en étant vigilant au gradient de pression (Marsaleix et al., 2009, 2011). À cette grille verticale est associée une grille horizontale régulière ou polaire (monopole ou bipolaire) qui affine la résolution près de la côte tout en gardant des temps de calcul raisonnables (Bentsen et al., 1999). La discrétisation temporelle se fait à l’aide d’un schéma saute-mouton (leapfrog en anglais) auquel est associé un filtre Laplacien pour réduire les erreurs numériques (Marsaleix et al., 2012).
Table 3.1 – Description du modèle SYMPHONIE
Méthode numérique
grille-C, s-coordonnées, conservation
de l’énergie Marsaleix et al. (2008)
Discrétisation
temporelle saute-mouton + filtre Laplacian Marsaleix et al. (2012)
Gradient de
pression Pression Jacobian Marsaleix et al. (2009)
Équation d’état McDougall 2003 Marsaleix et al. (2011)
Conditions aux
limites ouvertes Conditions radiatives Marsaleix et al. (2006)
Conditions à la
surface libre Formule bulk, Craig & Bannerconditions TKE Estournel et al. (2009) Fermeture de la
turbulence K-eps Michaud et al. (2012)
Marée Potentiel générateur & selon lemodèle TUGO Pairaud et al. (2008)
T,S advection QUICK
Forçage des
rivières condition latérale Estournel et al. (2001)
Effet des vagues théorie glm2-RANS Michaud et al. (2012)
Des conditions radiatives sont appliquées aux frontières latérales ouvertes (Marsaleix et al., 2006). Les termes des forçages grande échelle sont inclus dans la formulation des conditions radiatives et sont fournies par les sorties quotidiennes du système MERCATOR (Madec, 2008). Les questions pertinentes sur l’imbrication de modèles ont été discutées dans Estournel et al. (2009) et Auclair et al. (2006). Les forçages barotropes haute fréquence sont fournis par l’atlas global des marées FES2012 (Lyard et al., 2006) et le potentiel de marée astronomique a été mis en œuvre dans les équations de quantité de mouvement selon Pairaud et al. (2008). Les échanges océan/atmosphère sont calculés par une formule bulk, discutée dans Estournel et al. (2009), et sont fournis par le système ECMWF (Dee et al., 2011). À l’embouchure des fleuves, la salinité, la température et la quantité d’eau sont introduites selon Reffray et al. (2004). Ainsi, ce modèle a beaucoup été utilisé pour des problématiques côtières et régionales telles que les panaches fluviaux (Estournel et al., 1997; Marsaleix et al., 1998; Estournel et al., 2001; Gatti et al., 2006), les circulations du plateau continental induites par le vent (Estournel et al., 2003; Auclair et al., 2003; Petrenko et al., 2005; Leredde et al., 2007), les intrusions de courants sur le plateau (Auclair et al., 2001; Gatti, 2008), les formations d’eaux denses sur le plateau et leur cascading sur le talus (Dufau-Julliand, 2004; Ulses et al., 2008b), la marée externe et interne