Modélisation déterministe des états de mer : application à la rétrodiffusion d'ondes radar

Deterministic modeling of sea states : application to radar backscattering

• Auteur / Autrice : Yves Pérignon
• Direction : Pierre Ferrant
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des fluides et des transferts
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en hydrodynamique, énergétique et environnement atmosphérique (Nantes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vagues

Mécanique des fluides

Hydrodynamique

Mots clés libres

High order spectral

Intéraction vents-vagues

Résumé

Les études et développement menés dans ce travail de thèse ont porté sur divers aspects du traitement de l’évolution réaliste des états de mer, notamment sur les spécificités d’une approche déterministe non-linéaire, sur la prise en compte d’un forçage par le vent et de la dissipation dans une approche à phase résolue, et sur un développement à but opérationnel des techniques de modélisations réalistes. En parvenant à une meilleure modélisation des états de mer, ils visent à permettre une meilleure interprétation des images radar rétrodiffusées par la surface de la mer. Les applications concernent entre autres la caractérisation et la prévision court terme en temps réel des conditions de mer, ainsi que la détection de cibles marines. Un modèle numérique tridimensionnel basé sur une méthode High Order Spectral sert de support à l‘étude des processus non-linéaires à l’œuvre en conditions océaniques. Une première partie de cette étude permet de mettre en lumière un ensemble de critères nécessaires à la bonne mise en œuvre de cette méthode. On met notamment plus particulièrement en évidence une problématique d’initialisation liée à un besoin de simulations de référence dès les premiers instants de modélisation. Une méthode d’initialisation non-linéaire est proposée et évaluée. La prise en compte d’un forçage par le vent et de dissipation par moutonnement est ensuite proposée. La paramétrisation du couplage rétroactif océan-atmosphère et de la dissipation, en pression, à l’œuvre dans les modèles stochastiques de prévision d’état de mer est adaptée à la formulation déterministe. Une formulation récente du couplage (Bidlot et al. (2005)) est testée et validée comparativement avec la modélisation stochastique usuelle issue du modèle WAVEWATCH3. L’approche déterministe est finalement capable de prendre efficacement en compte les termes de forçage et dissipation et permet des évolutions d’états de mer réalistes. Le problème de modélisation opérationnelle des états de mer, à moindre coût calcul mais avec une prise en compte suffisamment réaliste des spécificités océaniques est abordé. Une méthode numérique est proposée et testée comparativement à l’approche complètement non-linéaire de référence

Researches conducted in this thesis deal with the realistic evolution of wave fields in oceanic conditions. The interest is more particularly focused on various aspects including specificities of a deterministic fully non-linear approach, the wind wave coupling and energy dissipation through white capping, and non-linear simplified modeling for operational use. This work aims to provide efficient and realistic modeling of wave fields so as to enable a better understanding of radar backscattering over oceanic surfaces. Direct applications include short-term forecasts of sea states, or detection of marine targets thanks to remote sensing. A numerical tridimensional model based on a High Order Spectral (HOS) method enables to fully account for non-linear processes in sea states. Some specificities are enlighten and provide a better framework for the efficient use of the method. Among them, the need for reference conditions at early stages of a modeled sea state is underlined. A non-linear method is proposed and its performances evaluated. Momentum transfers associated with wind forcing and dissipation through whitecapping are then proposed for the HOS deterministic approach. Two way coupling between atmospheric and oceanic layers, and dissipation of energy due to wave breaking are achieved thanks to a formulation at use in common stochastic wave models. Forcing and dissipation intervene in the HOS formulation by the mean of pressure fields related to the sea state. The recent set of parametered proposed bay Bidot et al. (2005) is tested and comparatively validated with the WaveWatch3 stochastic wave model. The HOS deterministic approach is finally able to properly take into account the evolution of oceanic wave field under wind forcing and dissipation. The problem of simplified modeling of sea state for the specific purpose of operational use in remote sensing applications is finally studied. A numeric method able to take into account non-linear specificities of the wave field up to a second order in wave elevation and third order in term of phase velocity is proposed and implemented. Its performances are comparatively evaluated with fully non-linear evolutions as references.