Validation sur la période 1980-2002

L'analyse ne de la variabilité spatiale et temporelle des climats de vagues nécessite une

validation poussée des vagues modélisées. Le modèle WW3 est validé en utilisant les bouées

listées dans le tableau 2.2. Les bouées utilisées précédemment pour la calibration sont réutilisées

mais sur leur période de déploiement complète. La validation s'articule en trois parties. Tout

d'abord, la performance du modèle est discutée à partir des erreurs statistiques à chaque bouée.

Ensuite, les hauteurs et directions modélisées sont comparées plus en détail aux observations sur

une sélection de quelques bouées. Enn, la performance du modèle mis en place est comparée à

la performance de modèles existants.

Les vagues modélisées sont comparées aux vagues observées au niveau de douze bouées. Les

erreurs statistiques sont données dans le tableau 2.5.

Le long de la façade atlantique française, le modèle WW3 reproduit relativement bien les

variations des vagues : en excluant la bouée St Nazaire (profondeur mal représentée dans le

modèle), on a un coecient de détermination compris entre 0.86 et0.94 pour les hauteurs

signi-2. RÉGIONALISATION DYNAMIQUE DES VAGUES : MÉTHODE, MODÈLES ET DONNÉES

Hauteur signicative Période moyenne Tm02 Direction

Bouée Biais RMSE R

²

SI Biais RMSE R

²

SI Biais RMSE

Gascogne (R1) −1cm 38 cm 0.94 15% −0.17 s 0.77 s 0.82 10% − −

Bayonne −10cm 39 cm 0.87 23% 1.27s 1.85 s 0.66 19% − −

Biscarrosse 10 cm 35 cm 0.87 24% 0.90s 1.71 s 0.56 22% − −

Cap Ferret 1 0 cm 28 cm 0.92 15% 0.84s 1.38 s 0.70 16% − −

Cap Ferret 2 5 cm 28 cm 0.93 16% 1.05s 1.57 s 0.68 18% 7

^◦

23

^◦

Yeu 1 −9cm 32 cm 0.93 16% 0.62s 1.24 s 0.71 17% − −

Yeu 2 −4cm 28 cm 0.92 16% 0.69s 1.14 s 0.70 15% −3

^◦

24

^◦

Yeu 3 4 cm 30 cm 0.94 16% 0.80s 1.35 s 0.71 17% − −

St Nazaire −7cm 25 cm 0.77 30% 1.14s 1.89 s 0.36 33% − −

Minquiers −9cm 26 cm 0.88 20% 0.10s 1.13 s 0.55 21% 1

^◦

32

^◦

Cayeux −43cm 58 cm 0.85 29% −0.16 s 1.03 s 0.16 23% − −

Dunkerque −33cm 45 cm 0.76 31% −0.40 s 0.79 s 0.23 17% − −

Table 2.5 Résultat de la comparaison entre les vagues simulées avec WW3 (rangs 1 et 2) et

les observations : le biais, la racine de l'erreur quadratique moyenne (RMSE), le coecient de

détermination (R

²

) et l'indice de dispersion (SI) sont calculés pour la hauteur signicative et la

période moyenne, le biais et la RMSE pour les directions. Les directions pic sont comparées aux

bouées Yeu 2 et Minquiers, et les directions moyennes à la bouée Cap Ferret 2.

catives, et compris entre0.56et0.82pour les périodes moyennes. La comparaison des hauteurs

signicatives donne un biais compris entre−10 et12 cm, une erreur RMS inférieure à39 cm et

un indice de dispersion compris entre15%et30%. Concernant les périodes moyennes, elles sont

surestimées de0.62à1.27s, sauf à la bouée Gascogne où elles sont légèrement sous-estimées par

le modèle (biais de−0.17s). L'erreur RMS est relativement élevée (RMSE de1.14à1.89 s), sauf

à la bouée Gascogne (RMSE de 0.77 s). Enn, l'indice de dispersion est très faible à la bouée

Gascogne (10%) et compris entre 15% et 33% aux autres bouées de la façade atlantique. Les

directions pic à la bouée Yeu 2 et les directions moyennes à la bouée Cap Ferret 2 présentent,

respectivement, une erreur RMS de24

^◦

et23

^◦

et un biais de−3

^◦

et7

^◦

.

Dans la Manche, les défauts constatés précédemment se conrment. Les erreurs sont très

importantes, en particulier aux bouées Cayeux et Dunkerque, les plus éloignées de la façade

atlantique. Ces résultats s'expliquent entre autres par la faible résolution du modèle au niveau

de la mer du Nord et du passage entre le rang 1 et le rang 2, et par les forts courants de marée et

courants induits (1 à plusieurs m s

−1

) présents dans cette zone. En eet, les caractéristiques des

vagues sont inuencées par les variations temporelles de hauteur d'eau et de courant. La série

2.2. CALIBRATION, VALIDATION DES VAGUES

temporelle des hauteurs, périodes et directions de vague au niveau de la bouée Minquiers (gure

2.7) met en évidence les variations semi-diurnes, avec une amplitude beaucoup plus marquée en

marée de vive-eau. Les directions, en particulier, peuvent subir des variations allant jusqu'à 50

^◦

.

Le modèle mis en place ne convient donc pas à l'étude des champs de vagues dans la Manche.

Figure 2.7 Hauteurs, périodes et directions simulées et observées du 3 au 26 août 1998 à

la bouée Minquiers (haut) et niveaux de marée prédite par rapport au zéro hydrographique au

marégraphe de St Malo (bas), source : SHOM.

La validation du modèle WW3 se poursuit avec une analyse plus détaillée des hauteurs de

vague modélisées aux bouées Gascogne, Biscarrosse et Cap Ferret 1. L'histogramme et le graphe

quantile-quantile à la bouée Gascogne (gure 2.8) montrent que les vagues sont relativement bien

modélisées jusqu'à une hauteur de 4 m. Au-delà de 4 m, les hauteurs de vague sont légèrement

surestimées, en partie à cause de la forte occurrence des vagues dont la hauteur est supérieure

à 8 m. Aux deux autres bouées, les histogrammes et les graphes quantile-quantile (gure 2.8)

montrent que les hauteurs de vague sont correctement modélisées sur l'ensemble de leur

distri-bution. On note de plus fortes diérences entre modèle et mesures pour les hauteurs les plus

grandes. Cependant, ces chires se basent sur un petit nombre de vagues (occurrences calculées

inférieures à10) et ne sont pas forcément représentatifs de la queue de distribution des hauteurs.

L'occurrence des plus grandes hauteurs est en général sous-estimée par le modèle. On retrouve

2. RÉGIONALISATION DYNAMIQUE DES VAGUES : MÉTHODE, MODÈLES ET DONNÉES

ce résultat sur les graphes quantile-quantile, avec les derniers quantiles de hauteur plus faibles

dans le modèle que dans les observations au niveau de la bouée Cap Ferret 1.

Figure 2.8 Histogrammes (gauche) et graphes quantile-quantile (droite) des hauteurs de vague

mesurées et simulées avec WW3 aux bouées Gascogne, Biscarrosse et Cap Ferret 1.

Concernant les directions des vagues, la gure 2.9 permet de se rendre compte que la direction

des vagues en provenance de l'Ouest à la bouée Yeu 2 et du Nord-Ouest à la bouée Cap Ferret 2

est très bien modélisée. Cependant, les directions moins fréquentes des vagues générées localement

sont très mal modélisées. A la bouée Yeu 2, on remarque que les vagues générées par des vents

locaux au Sud et Sud-Est de la bouée ne sont pas reproduites par le modèle. A la bouée Cap

Ferret 2, la zone de fetch est plus réduite du fait de sa proximité à la côte linéaire aquitaine. On

remarque donc très peu de vagues mesurées en provenance du Sud ou de l'Est.

Le modèle WW3 est donc validé sur 12 bouées. Les résultats au niveau des bouées de la

façade atlantique indiquent que le modèle mis en place convient pour une étude approfondie du

climat de vagues dans le Golfe de Gascogne. Il est important de noter que les champs de vagues

2.2. CALIBRATION, VALIDATION DES VAGUES

Figure 2.9 Comparaison des directions mesurées aux directions simulées avec WW3 au niveau

de la bouée Yeu 2 (gauche) et Cap Ferret 2 (droite). Les directions mesurées se lisent sur le cercle

extérieur bleu, comme sur une rose des vents. Les directions simulées se lisent sur les axes noirs

et correspondent à la distance par rapport au centre du cercle. Par exemple, une vague mesurée

en provenance de45

^◦

est représentée par un point placé sur la médiane du quadrant Nord-Est. Si

elle est modélisée comme provenant de 180

^◦

, alors le point est placé à mi-distance entre le centre

du cercle (0

^◦

) et le cercle extérieur (360

^◦

). La courbe rouge représente l'égalité entre direction

mesurée et simulée.

modélisés ne conviennent pas à l'étude du climat de vagues dans la Manche.

Pour conclure la validation du modèle mis en place, la qualité des champs de vagues modélisés

est comparée à la qualité de trois autres bases de données existantes : les vagues issues de la

réanalyse ERA40-vague (Uppala et al., 2005), la base de données de Dodet et al. (2010) et

ANEMOC (Benoit and Lafon, 2004).

La réanalyse ERA40-vague est basée sur le modèle de vagues WAM (Komen et al., 1994)

couplé avec un modèle atmosphérique. Les vagues sont disponibles à un pas de temps de 6 h,

avec une résolution spatiale de 1.5

^◦

, de 1958 à 2001. La résolution spatiale d'ERA40-vague ne

permettant pas de faire une inter-comparaison au niveau de bouées côtières, les deux jeux de

données sont comparés aux mesures de la bouée Gascogne, au large. Le jeu de données de cette

étude est rééchantillonné toutes les 6h pour présenter le même pas de temps qu'ERA40-vague.

Il faut cependant garder à l'esprit que le modèle mis en place pour cette étude est optimisé pour

donner des erreurs minimales à la bouée Gascogne. Comme attendu, la comparaison des deux

jeux de données révèle que les hauteurs de vague issues de cette étude (biais : 0 cm, RMSE :

2. RÉGIONALISATION DYNAMIQUE DES VAGUES : MÉTHODE, MODÈLES ET DONNÉES

réanalyse ERA40-vague (biais : −34 cm, RMSE :55 cm, R

²

:0.93, SI :17%).

La base de données détaillée dans Dodet et al. (2010) est également basée sur le modèle

de vagues WW3 et sur le paramétrage de Ardhuin et al. (2010), mais elle utilise les champs

de vent issus de la réanalyse NCEP/NCAR (Kalnay et al., 1996) et couvre l'Atlantique Nord

avec une résolution de 0.5

^◦

, de 1953 à 2009. La validation est basée sur des bouées diérentes

de celles utilisées pour cette étude (cinq bouées le long des côtes espagnole et portugaise, et

la station météo Juliett située entre l'Irlande et l'Islande), il n'est donc pas possible de faire

une inter-comparaison directe. Nous faisons donc une comparaison qualitative au niveau de la

bouée Bilbao-Vizcaya (3.04

^◦

W -43.63

^◦

N), située dans le Golfe de Gascogne : Dodet et al. (2010)

obtiennent un biais et une erreur RMS respectivement de −21 cm et 53 cm pour les hauteurs,

de0.63 s et1.95s pour les périodes et de −6

^◦

et20.78

^◦

pour les directions. La comparaison des

résultats statistiques obtenus dans la présente étude au niveau des bouées situées dans le Golfe

de Gascogne (tableau 2.5) et des résultats statistiques obtenus par Dodet et al. (2010) révèle que

le biais et l'erreur RMS du modèle mis en place ici sont plus petits pour les hauteurs de vague,

et du même ordre de grandeur en ce qui concerne les périodes et les directions.

Plus spécique aux côtes françaises métropolitaines, ANEMOC se base sur le modèle de

vagues TOMAWAC, développé par EDF et le LNHE (Benoit et al., 1996), avec une résolution

spatiale d'environ2−3 km le long des côtes. Comme pour la présente étude, les champs de vent

utilisés proviennent de la réanalyse ERA-40 et ont fait l'objet d'une correction (augmentation de

la vitesse comprise entre2et10%suivant la vitesse du vent). Les vagues ont été modélisées sur la

période 1979-2001. Les deux bases de données sont comparées à partir des statistiques publiées

dans Benoit and Lafon (2004). Elles concernent les vagues modélisées sur la grille océanique

(grille à maille variable, avec une résolution maximale près des côtes de 20 km). Les hauteurs

de vague extraites au niveau des bouées Yeu 2 et Minquiers sur la grille océanique d'ANEMOC

présentent une erreur RMS de 1999 à 2000 (respectivement37 and 33 cm) plus importante que

les hauteurs de vague modélisées sur la même période avec WW3 (RMSE : 24 cm aux deux

bouées).

On en déduit que le modèle mis en place pour la présente étude est de qualité équivalente

ou supérieure aux modèles existants dans le Golfe de Gascogne, couvrant des périodes et des

emprises similaires.

2.2.4 Vérication de l'impact de l'assimilation du vent sur la modélisation

Dans le document Impact du changement climatique sur le climat de vagues en zone côtière, par régionalisation dynamique : application à la côte aquitaine (Page 72-77)