Climatologie des états de mer en Atlantique nord-est : analyse du climat actuelet des évolutions futures sous scénarios de changement climatique par descente d'échelle dynamique et statistique

par Amélie Laugel

Thèse de doctorat en Génie Côtier

Sous la direction de Michel Benoit.

Soutenue le 11-12-2013

à Paris Est , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines) (laboratoire) et de Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant (laboratoire) .

Le président du jury était Fernando Mendez.

Le jury était composé de Michel Benoit, Xavier Bertin, Luigi Cavaleri, Giovanni Mattarolo.

Les rapporteurs étaient Pascale Delecluse, Déborah Idier.


  • Résumé

    L'analyse de la climatologie des aléas océano-météorologiques tels que les états de mer est fondamentale pour comprendre l'évolution et la dynamique des zones côtières, estimer les risques naturels survenant lors d'événements de tempête majeurs, définir les moyens optimaux de protection des ports et infrastructures onshore et offshore, caractériser la ressource houlomotrice pour des projets de récupération d'énergie des vagues, comprendre les processus d'érosion et accrétion des plages, etc. Pour répondre à ces problématiques dans un contexte de questionnement croissant sur les conséquences potentielles associées au changement climatique, le travail de thèse s'inscrit dans une démarche double : (i) approfondissement de la connaissance du climat de vagues actuel le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord en France d'une part, et (ii) estimation des évolutions futures potentielles de cette climatologie des vagues pour différents scénarios d'évolution climatique. L'estimation de l'impact du changement climatique sur le climat de vague se compose de trois éléments principaux : (i) une connaissance détaillée de la variabilité climatique actuelle des états de mer, (ii) l'utilisation de scénarios de changement climatique à l'horizon 2100 et (iii) la définition d'une méthodologie de descente d'échelle adaptée. Pour appréhender ces sujets, l'Atlas Numérique d'Etats de Mer Océanique et Côtier ANEMOC-2 a été construit à l'aide du modèle spectral de 3ème génération TOMAWAC (Benoit et al., 1996) sur la période 1979-2009 et le climat de vagues futur a été simulé à l'horizon 2100 par des méthodes de descente d'échelle dynamique et statistique en considérant les scénarios de changement climatique du quatrième rapport du GIEC (IPCC, 2007).En particulier, un travail original de comparaison de projections d'états de mer par approche dynamique et par approche statistique des types de temps a été réalisé sur la période 2061-2100 pour les scénarios B1, A1B et A2 simulés par le modèle ARPEGE-CLIMAT de Météo-France (Salas-Mélia, et al. 2005). Les résultats des deux approches (à savoir hauteur significative, période moyenne, direction moyenne et flux d'énergie des vagues) ont été comparés en termes de valeurs moyennes, écarts-types, distributions jointes et variabilités saisonnière et interannuelle. Ce travail a abouti à une estimation de l'impact du changement climatique sur la climatologie des états de mer le long des côtes Atlantique, Manche et Mer du Nord françaises sur la période 2061-2100 en tenant compte des incertitudes intrinsèques aux méthodes de descente d'échelle et aux scénarios de changement climatique. En hiver par exemple, nous observons une augmentation des valeurs moyennes et de la variabilité des paramètres de hauteur significative, période moyenne et flux d'énergie des vagues, notamment en Mer du Nord (pour les scénarios B1, A1B et A2) et dans le Golfe de Gascogne pour le scénario B1. En complément, ces paramètres d'états de mer ont tendance à diminuer dans le Golfe de Gascogne pour les saisons printemps, été et automne. Enfin, les paramètres d'états de mer associés aux hauteurs de vagues du quantile 95 tendent à augmenter sur une large emprise de l'Atlantique nord-est

  • Titre traduit

    Sea state climatology in the North-East Atlantic Ocean : analysis of the present climate and future evolutions under climate change scenarios by means of dynamical and statistical downscaling methods


  • Résumé

    Wave climate analysis is of utmost importance to understand the evolution and dynamics of coastal zones, to estimate the occurrence of extreme events, to design protections for ports, onshore and offshore infrastructure, to characterize wave resources for wave energy conversion, to quantify sediment erosion and accretion processes, et cetera. Thus, this thesis project aims to improve knowledge of wave climatology in the growing context of climate change prediction with a two-step approach: (i) enhancement of the understanding of the present wave climate along the French coastline facing the Atlantic Ocean, English Channel and North Sea and (ii) estimation of possible future wave climate evolution. For this purpose, the estimation of climate change impacts on the wave climate requires three key parameters: (i) detailed knowledge of current wave climate variability, (ii) the application of climate change scenarios from Global Climate Models and (iii) the definition of an appropriate downscaling method. To answer these questions, ANEMOC-2, a hindcast sea-state data base has been built based on the third-generation spectral wave model TOMAWAC (Benoit et al., 1996) over the period 1979-2009, and the future wave climate has been simulated over the period 2061-2100 by means of dynamical and statistical downscaling methods. In particular, an original approach comparing sea-state projections obtained from dynamical and statistical downscaling methods has been applied over the period 2061-2100 for B1, A1B and A2 scenarios (Forth Assessments Reports, IPCC, 2007), based on the ARPEGE-CLIMAT (Salas-Mélia et al., 2005) model simulations. The wave spectral parameters resulting from the projections (i.e. significant wave height, mean period, mean direction and wave energy flux) have been compared in term of mean, joint distribution and seasonal and interannual variability.The possible climate change impacts on the wave climate along the Atlantic, English Channel and North Sea French coastline have also been evaluated. The analysis provides estimations of the inherent uncertainties of climate change scenarios and downscaling methods. Wave climate evolution trends are presented in terms of the mean, joint distribution, and seasonal and interannual variability of significant wave height, mean period, mean direction and wave energy flux

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