Vents & vagues - Surfologie




Quelles sont les origines de la météo marine ?

Historiquement, la météorologie marine est mentionnée la première fois lors de la conférence de Bruxelles qui a eu lieu en 1853. Cette conférence avait pour but «d'établir un système uniforme d'observations météorologiques en mer et de contribuer ainsi à l'élaboration d'un plan général d'observation des vents et des courants océaniques ». Les prévisions de météorologie marine font leur apparition quelques années plus tard à l'occasion du naufrage du « Royal Charter » en 1859.




Qu'est-ce qu'un Océanographe ?

L'océanographie comprend beaucoup de disciplines qui vont de l'étude de la géologie marine, des processus physiques et chimiques, à l'étude de la vie marine et des écosystèmes. De ce point de vue, un océanographe peut être un scientifique qui a une bonne compréhension de la géologie, la chimie, la physique et la biologie. En fonction de leur domaine d'expertise, les océanographes sont catégorisés ainsi :

  • Les océanographes physiciens, qui étudient les conditions physiques et les processus physiques dans l'océan comme les vagues, les courants, les remous, les gyres océaniques, les marées ainsi que les interactions de l'océan avec l'atmosphère ou les terres.
  • Les océanographes chimistes, dont le travail porte sur la composition de l'eau de mer, ses processus, ses cycles, et son interaction chimique avec l'atmosphère et les fonds marins.
  • Les biologistes marins, qui étudient les plantes et les animaux dans le milieu marin.
  • Les océanographes géologues, qui appréhendent les processus impliqués dans la formation des montagnes, canyons et vallées du plancher océanique.



Comment une dépression qui creuse au large génère-t-elle de la houle sur la côte ?

Une houle générée par une dépression se propage de façon quasi linéaire. Elle est théoriquement la conséquence de la force du vent, la distance (appelée Fetch) et le temps durant lequel il a soufflé. Cette zone d'interaction entre la surface de l'océan et le vent engendre un train de houle qui peut donc se propager dans n'importe quelle direction et atteindre des côtes lointaines.

lineup série de vagues arrivant sur le littoral

Ce train de houle pourra atteindre les côtes sans dégradation, mais très souvent, il rencontrera d'autres houles sur sa trajectoire, parfois contraires et sera bien sûr soumis aux conditions de vent local en arrivant proche des côtes. Aussi appelée « mer du vent » - les vagues locales engendrées par le vent soufflant au moment de l'observation - interagira avec la houle venant du large.




Qu'est-ce le fetch ? ou comment le vent intervient-t-il dans la formation des vagues ?

La longueur de Fetch, communément appelée Fetch est une distance horizontale sur laquelle le vent souffle provoquant la génération de rides, de clapots, puis de vagues. Le Fetch est donc un facteur très important de la formation des vagues. Néanmoins, il est considéré que les distances supérieures à 1000 milles (environ 1850km) ne contribuent plus à la poursuite du développement du phénomène.

Lors du processus de la création des vagues, le vent est le seul apport d'énergie à la surface de l'eau. Le transfert d'énergie est obtenu par la déformation de la surface de l'eau et la contrainte exercée sur cette dernière.

La croissance des vagues dépend de plusieurs facteurs :

  • La hauteur, la période et la direction des vagues existantes,
  • L'angle entre la direction du vent et celles des vagues,
  • Le ratio de la vitesse du vent à la vitesse de phase (on appelle «vitesse de phase » la vitesse de déplacement des crêtes des vagues),
  • La durée de l'action du vent,
  • La force et la fréquence des rafales contribuent également à la croissance des vagues,

La déformation de la surface de l'eau et le grossissement des vagues sont principalement dues à l'effet du vent, mais d'autres facteurs peuvent entrer en compte, tels que :

  • Les courants marins,
  • Les marées,
  • Les interactions des vagues entre elles.
Fetch : zone de fetch création du fetch dispersion


Concernant le fectch, plusieurs composantes de vent sont-elles impliquées ?

Le vent a des composantes horizontales et verticales mais concernant la génération de houle, la composante horizontale reste dominante.




Comment, en pratique, dans le processus de fecth, le vent parvient-il à génèrer de la houle ?

Quand le vent se met à souffler sur une surface de mer calme, totalement lisse, il n'a au départ aucune prise. En soufflant, le vent déplace l'eau générant ainsi des micros ondulations qui rident le plan d'eau.

Ces micros ondulations se déplacent de 70° à 80° par rapport au sens du vent. A ce stade le vent exerce de plus en plus de contraintes à la surface de l'eau et le transfert d'énergie opère. L'ondulation se développe ainsi jusqu'à former de la houle.

explication formation des vagues : le fetch


Quelle est la différence entre une houle primaire et une houle secondaire au sein d'un même train de houle ?

Les données de houle primaire et secondaire sont des houles issues respectivement de deux dépressions ou deux phénomènes météorologiques différents (dans les faits, il y a souvent beaucoup plus de houles que les deux principales que nous tâchons de décrire ici). Pour les prévisions de surf, c'est le calcul de la taille surfable des vagues qui nous intéresse et plusieurs paramètres sont à prendre en compte :

  • La hauteur de la houle, sa période et sa direction.

La houle primaire est donc le train de houle dominant dont la taille surfable est la plus importante. La houle secondaire aura des caractéristiques de taille, de période et de direction inférieures à la houle primaire, qui viendront la classer en seconde position. Une houle se compose donc de plusieurs énergies, de plusieurs fréquences d'ondes et de plusieurs directions. Un spectre de houle permet de visualiser efficacement l'état de la mer en lieu donné, en mettant en évidence les différents trains de houles, mers du vent, ayant chacun leurs directions et leur périodes.

Au final la déferlante est une combinaison multiparamétrique et non-linéaire de toutes ces différentes composantes. Il n'y a pas de moyen direct de formuler cette dépendance. C'est pour cette raison que la modélisation de vagues (étude et simulation) se base aujourd'hui sur l'évolution complète de l'énergie des vagues et non sur la modélisation d'une onde unique.

spectre de la houle : houles primaires, secondaires, et suivantes


La composante houle des vagues est-elle en rapport direct avec la taille des vagues au trait de côte ?

La hauteur des vagues sur le littoral est un paramètre qui dépend fortement de la houle. Cette composante des vagues est moins vulnérable aux changements de période. La période restant constante, les vagues qui se rapprochent des côtes ont tendance à voir leur hauteur s'accroître.




Pourquoi y a t-il des houles courtes et des houles longues ? Qu'est ce qui caractérise la période de la houle ?

La plupart des vagues présentes sur la surface de l'océan sont des vagues générées par le vent. La taille et le type de ces vagues dépendent de :

  • la vitesse du vent,
  • la durée du vent,
  • du fetch,
  • de l'état d'origine de la surface de la mer.

La période des vagues est l'intervalle de temps moyen entre le passage de deux crêtes successives à partir d'un point fixe.

Période de la houle : houle courte et houle longue

Plus la vitesse du vent augmente, plus la longueur d'onde, la période et la hauteur de la houle augmentent. Ceci est vrai seulement si la période durant laquelle le vent souffle est suffisante et que la zone de fetch est suffisamment grande. Dans la zone de fetch les vents sont forts et variables, ils créent en surface des vagues complexes, désordonnées, erratiques.

Lorsque les vagues sortent de la zone fetch, et lors de leur propagation, dispersion, elles deviennent plus régulières, plus organisées, on parle alors de houle. L'organisation de la houle s'explique par le fait que les vagues de longueur d'onde plus importante distancent celles qui ont une longueur d'onde plus courte.

De la description faite ci-dessus, deux principaux types de vagues se distinguent : les vagues générés par le vent soufflant localement qui sont caractérisées par des périodes courtes ayant des formes chaotiques (mer du vent) et les vagues de longue période qui ont parcourus une longue distance en mer.




Quelles perturbations peuvent subir les trains de houles lors de leur périple en direction des côtes ?

Les houles qui ont une période courte (moins de 14 secondes) tendent à interagir facilement avec les vents ou d'autres vagues opposés à leur direction. Cette interaction provoque une diminution de l'énergie. Les houles dont les périodes sont plus longues, peuvent parcourir de grandes distances sans perte significative de leur énergie.

Une autre perturbation appelée « shoaling », s'observe à l'approche d'eaux peu profondes. La traînée sur le fond océanique ralentit les vagues, l'énergie est alors dirigée vers le haut entraînant une augmentation de la hauteur des vagues, la période restant constante, la vitesse et la longueur d'onde diminuent.

Le « Whitecapping » (apparition de moutons blancs à la surface de l'eau) est une cause supplémentaire de perte de l'énergie. Il peut se produit à n'importe quelle profondeur et dépend de la cambrure* des vagues (* la cambrure des vagues se défini comme le ratio hauteur de la crête divisé par la longueur d'onde de la vague).

Le « frottement » de fond peut également conduire à une perte d'énergie. Il dépend principalement de la rugosité du fond.

frottement de la houle : shoaling

Bien sûr, les obstacles physiques ou techniques pour les ondes (îles, structures techniques maritimes) peuvent réduire ou généralement changer la distribution de l'énergie des vagues par réfraction ou diffraction. La réfraction est observée lorsque les vagues rencontrent des obstacles. Selon la nature de l'obstacle (une surface lisse ou un brise-lames à talus en enrochement) les ondes réfléchies peuvent se comporter de manière de très cohérente à assez dispersée.

Réfraction de la houle

Enfin, la « diffraction » se produit lorsque les vagues se propagent circulairement autour des obstacles (petites îles, brise-lames, etc…).

Diffraction sde la houle


Ces perturbations (ralentissements, dégradations) sont-ils pris en compte par les modèles de vagues (WAM / WW3) ?

La plupart des modèles de vagues actuellement utilisés sont de troisième génération, ils comprennent des routines informatiques spéciales qui sont conçues pour prendre en compte non seulement une bathymétrie haute résolution (WAM), mais aussi la majorité des perturbations qu'un train de houle peut rencontrer, comme la dispersion d'énergie, les interactions onde-onde, le shoaling et autres. WAM et WW3 sont des modèles bien établis capables d'inclure dans leur simulation ces procédures.

Toutefois, le modèle WAM a de bien meilleures capacités à simuler les vagues jusqu'au trait de côte lorsqu'il est calculé en intégrant une bathymétrie précise proche des côtes. Il a également de meilleures performances dans l'estimation de la hauteur maximale des vagues.




Dans un modèle de vagues, qu'est-ce que le maillage ?

Pour qu'un modèle de vagues puisse résoudre les équations différentielles décrivant des procédés physiques ou chimiques, on considère un ensemble de points dans l'espace et le temps. De cette manière, le continuum espace-temps est divisé en des points discrets, où les conditions initiales sont définies.

modèle de prévisions de vagues maillage large

Ces points sont aussi utilisés pour le calcul de l'évolution dans le temps des paramètres caractérisant le problème. La définition de points peut varier d'un problème à l'autre. Il existe des mailles régulières / irrégulières où la distance entre les points est constante ou varie en conséquence. Les systèmes de coordonnées utilisés sont le cartésien, le sphérique ou d'autres systèmes plus sophistiqués tel que les coordonnées sigma. Sur les nœuds définis, un modèle numérique résout les équations qui régissent les principales procédures physiques.




Pourquoi constate-t-on parfois que deux trains de houle prévus à une période et une hauteur égale amènent des vagues plus grosses pour l'un que pour l'autre ?

Dans les mers ouvertes l'interaction entre deux trains de houles a souvent lieu. Cela conduit à la création d'un nouvel ensemble d'ondes dont le nombre peut être supérieur ou inférieur au nombre d'ondes initiales.




Sur ALLOSURF, pourquoi les modèles "HD" sont-ils plus précis ? Qu'apportent-t-ils ?

La résolution spatiale d'un modèle est la distance entre les nœuds définis sur le maillage (points de grille). D'autre part, la résolution temporelle (ou pas de temps) est l'intervalle de temps adopté pour l'application des techniques de résolution numérique.

Une résolution plus élevée offre une meilleure implémentation des procédés physiques ou chimiques qui ont lieu dans une région. Des informations telles que la force du vent, les courants marins, les informations topographiques, les contrastes terre-eau, sont quelques-unes des informations qui, lorsqu'elles sont disponibles, conduisent les modèles à fournir des résultats plus détaillés.

Plus une maille est fine, plus elle permet la capture de phénomènes d'échelle subtile.

Shema Modèle de prévisions de houle maillages larges
Schéma modèle de houle maillage large WW3 les points de grilles s'arrêtent au large. Les dernières données doivent être extrapolées.


Carte prévisions de houle WW3 (54km) maillage large
Carte prévisions de houle WW3 54km sortie données brutes sans extrapolation


Shema Modèle de prévisions de houle HD maillage fin
Modèle de prévisions de houle HD WAM 1 & 5km : maillage fin. Les dernières cellules et noeuds sont proches de la côte et la bathymétrie est prise en compte


carte de prévisions de houle HD 1km maillage fin
Carte de prévisions de houle HD WAM 1km ALLOSURF : la bathymétrie est respectée, la simulation est réaliste jusqu'au trait de côte.