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Importance de la résonance et de l’âge des vagues pendant la surcote associée à la tempête Xynthia, février 2010

Des chercheurs de l’UMR 6250 Littoral Environnement et Sociétés (LIENSs, CNRS/Université de La Rochelle, équipe Dynamique Physique du Littoral) en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire National d’Ingénierie Civile du Portugal (LNEC, Lisbonne) ont étudié la surcote associée à la tempête Xynthia (février 2010) dans le Golfe de Gascogne en combinant mesures in situ et modélisation numérique.

Leurs résultats montrent que la surcote exceptionnelle pendant Xynthia a été amplifiée par la présence de vagues jeunes et très cambrées dans le Golfe de Gascogne, liées à la trajectoire atypique de la tempête Xynthia. Ces résultats montrent aussi la présence d’un phénomène de résonance sur le plateau continental dans la partie centrale du Golfe de Gascogne, qui explique l’apparition de répliques de période 6 h après le passage du pic de la surcote.

Source :
Bertin, X., Bruneau, N., Breilh, J.F., Fortunato, A.B., Karpytchev, M., 2012.
Importance of wave age and resonance in storm surges : the case Xynthia, Bay of Biscay. Ocean Modelling, 42, pp. 16-30.

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Contact :
Xavier Bertin (UMR LIENSs)

Tel. 05 46 50 76 36

Principaux résultats :

Du fait de la présence d’un plateau continental souvent large et de leur position sur la trajectoire des dépressions hivernales, les littoraux d’Europe du nord-ouest sont soumis à des surcotes qui dépassent régulièrement le mètre. Les côtes basses, comme celles de la mer de Wadden, des Havres de Normandie ou des Pertuis Charentais, sont donc vulnérables à la submersion marine. La tempête Xynthia, qui a touché durement les littoraux de Vendée et de Charente Maritime dans la nuit du 27 au 28 février 2010, est venue rappeler tragiquement cette vulnérabilité. Une dépression à 970 hPa accompagnée de vents de SW soufflant de 100 à 130 km/h (rafales mesurées jusqu’à 160 km/h sur l’île de Ré) a généré une surcote dont le maximum a été mesuré à 1.50 m au marégraphe de La Pallice (La Rochelle, Figure 1). Cette surcote a coïncidé avec une marée haute de vives-eaux, si bien que la mer a atteint un niveau de 8 m au dessus du zéro hydrographique, une valeur jamais atteinte depuis l’installation du marégraphe côtier numérique (28 Avril 1997) par le SHOM (données accédées via SONEL/REFMAR). De nombreux cordons dunaires et digues qui protégeaient les zones basses du littoral ont été submergés et se sont rompus si bien que de larges zones ont été inondées, occasionnant la mort de 47 personnes ainsi que des dégâts matériels colossaux estimés à 1,5 milliard d’euros.

Figure 1. Niveaux observés (noir), marée astronomique (rouge) et surcote (bleu) à la Pallice, montrant la présence d’une surcote de 1.5 m en phase avec une marée haute de vives-eaux.

L’étude de Bertin et al. correspond à la première étape d’un projet de recherche qui vise à étudier les surcotes et la submersion marine dans la partie centrale du Golfe de Gascogne. Un système de modélisation numérique des surcotes a été développé en couplant en deux dimensions horizontales le code de circulation hydrodynamique SELFE (Zhang et Batista, 2008) avec le code spectral de vagues WaveWatchIII (Tolman, 2009). Ce système de modélisation régional a été implémenté sur l’Atlantique Nord-Est et permet de reproduire précisément les marées avec des erreurs de l’ordre de 1 à 2 % et les vagues avec des erreurs de l’ordre de 15 %. Dans le Golfe de Gascogne, la surcote pendant Xynthia est reproduite avec une erreur de l’ordre de 0.1 m.

L’analyse des résultats numériques montre que, dans la partie centrale du Golfe de Gascogne, le mécanisme dominant dans la génération de la surcote est le vent de direction SW, qui induit un pompage d’Ekman. Ce phénomène correspond à un transport des masses d’eau vers la droite de la direction où souffle le vent. La comparaison entre une paramétrisation quadratique (ne dépendant que de la vitesse du vent) et une paramétrisation dépendante des vagues pour calculer la contrainte du vent montre que la prédiction de la surcote est bien plus réaliste en prenant en compte les vagues (Figure 2A). La contrainte du vent est calculée à partir de la vitesse de frottement U*, définie comme le rapport entre la vitesse de phase et l’âge des vagues. Cette vitesse de frottement est donc très importante en présence de vagues jeunes et cambrées, qui augmentent la rugosité de l’océan (Figure 2B). Ces vagues jeunes sont liées à la trajectoire atypique de Xynthia, qui s’est déplacée du SW vers le NE dans le Golfe de Gascogne, réduisant la zone de génération des vagues à quelques centaines de km seulement.

Figure 2. (A) Comparaison entre la surcote prédite à La Rochelle avec une paramétrisation quadratique (rouge) et dépendante des vagues (noire), montrant que la seconde permet de reproduire bien mieux la surcote mesurée (bleue). (B) Vitesse de frottement du vent (noir) utilisée pour calculer la contrainte liée au vent et à l’âge des vagues (bleue), montrant une chute de ce dernier paramètre pendant Xynthia.

Enfin, les données de terrain, comme les résultats numériques, montrent la présence d’oscillations de période de l’ordre de 6 h dans le signal de surcote, dont la hauteur atteint 0.4 m dans la partie centrale du golfe de Gascogne (Figure 1, courbe bleue). Cette période d’environ 6 h correspond à la période de résonance du plateau continental dans cette partie du Golfe de Gascogne. Les chercheurs du LIENSs et du LNEC ont interprété ce phénomène comme résultant du déplacement rapide de la tempête Xynthia dans le Golfe de Gascogne (15 à 20 m/s), induisant une perturbation de la surface libre dont le spectre comporte une quantité d’énergie importante au niveau de la fréquence de résonance, qui a ensuite été amplifiée par résonance sur le plateau. Des travaux en cours suggèrent que ce phénomène de résonance pourrait être important dans d’autres régions du globe, comme la partie centrale du Golfe du Mexique, et pour d’autres types d’ondes longues, comme les tsunamis.

Références :
- Tolman H. L., 2009. User manual and system documentation of WAVEWATCH III version 3.14. NOAA/NWS/NCEP/MMAB Technical Note 276, 194 pp.
- Zhang, Y. L. and A. M. Baptista, 2008. SELFE : A semi-implicit Eulerian-Lagrangian finite-element model for cross-scale ocean circulation. Ocean Modelling, 21(3-4), 71-96.