Analyse régionale des aléas maritimes extrêmes

Regional frequency analysis of extreme marine hazards

• Auteur / Autrice : Jérôme Weiss
• Direction : Michel Benoit
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'ingénieur
• Date : Soutenance le 07/11/2014
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hydraulique Saint-Venant (Chatou, Yvelines) - Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant / Saint-Venant Laboratory for Hydraulics / Saint-Venant
• Jury : Président / Présidente : Liliane Bel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Benoit, Pietro Bernardara, Pierre Ailliot, Eric Gaume, Stéphane Abadie
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Monbet, Luc Hamm

Mots clés

Mots clés contrôlés

Travaux maritimes

Construction à l'épreuve de la tempête

Littoraux -- Aménagement

Météorologie maritime

Mots clés libres

Analyse fréquentielle régionale

Théorie des valeurs extrêmes

Aléas maritimes

Regional frequency analysis

Extreme value theory

Marine hazards

Résumé

Connaître la probabilité d'occurrence des aléas océano-météorologiques extrêmes est fondamental pour prévenir les risques de submersion marine en zone côtière ou concevoir des aménagements côtiers, portuaires ou des plate-formes offshore. Notamment, le concept de niveau de retour est fréquemment utilisé en ingénierie côtière pour dimensionner des ouvrages de protection. Ces niveaux, dont les périodes de retour d'intérêt se situent généralement entre 100 et 1000 ans, sont habituellement estimés par une analyse statistique locale, à partir de données observées en un site unique. Cependant, la période d'observation est généralement limitée, de sorte que les incertitudes associées aux niveaux de retour élevés sont importantes. L'analyse régionale représente une solution possible pour réduire les incertitudes inhérentes aux analyses locales. Le principe est d'exploiter l'information de sites d'observation provenant d'une région homogène, où les extrêmes sont supposés avoir un comportement probabiliste similaire. L'analyse régionale peut ainsi estimer les niveaux de retour de manière plus fiable qu'une analyse locale. Cependant, son application dans le domaine maritime étant relativement limitée et récente, différentes questions méthodologiques de meurent non-Résolues, comme la formation des régions homogènes ou le traitement de la dépendance entre sites. L'objectif scientifique de la thèse est donc d'approfondir certains points méthodologiques de l'analyse régionale, dans le cadre des aléas maritimes extrêmes. Les points suivants sont abordés en particulier :• Échantillonnage des extrêmes pour l'analyse régionale, à partir des tempêtes détectées via une procédure de declustering spatio-Temporel.• Formation de régions homogènes à partir d'une méthode basée sur l'identification des empreintes typiques des tempêtes.• Prise en compte de la dépendance entre sites d'observation, à travers la construction d'un modèle permettant par exemple d'évaluer la durée effective régionale d'observation ou la période de retour régionale d'une tempête.• Spécification et estimation de la loi régionale, avec incorporation des co-variables influentes, comme la saison d'occurrence ou la direction de provenance pour les vagues.• Comparaison entre analyses locale et régionale, notamment à travers les incertitudes sur les estimations des extrêmes et la capacité à modéliser les horsains présumés.Ces aspects sont illustrés sur des données de hauteurs significatives de vagues et de surcotes de pleine mer, dans la zone Atlantique Nord-Est, Manche et Mer du Nord.Parallèlement, l'objectif applicatif de ces travaux est de contribuer à garantir la sûreté des ouvrages EDF contre le risque de submersion marine. Ceci peut être réalisé grâce à l'exploration de nouvelles techniques d'estimation des aléas maritimes extrêmes telles que l'analyse régionale, qui permet notamment une meilleure prise en compte des horsains.

The knowledge of the probability of occurrence of oceano-Meteorological extremes is essential to prevent risks of coastal flooding or to build coastal protections or off-Shore structures. In particular, the concept of return level is frequently used in coastal engineering to design protection structures. These levels, whose return periods of interest generally lie between 100 and 1000 years, are usually estimated by a local statistical analysis, from data observed at a unique site. However, the period of observation is generally limited, which can imply high uncertainties for high return levels. Regional frequency analysis is a possible solution to reduce uncertainties inherent to local analyses. The principle is to exploit the information of sites of observation from a homogeneous region, where extremes are supposed to share a similar probabilistic behavior. Thus, regional frequency analysis can estimate return levels more accurately than a local analysis. However, its application to the marine field being relatively limited and recent, several methodological questions are still unsolved, such as the formation of homogeneous regions or the dependence between sites. The scientific objective of this thesis is thus to develop some methodological points of regional frequency analysis, in the framework of extreme marine hazards. The following questions are tackled:• Sampling of extremes for regional analysis, from the storms detected through a spatiotemporal declustering procedure.• Formation of homogeneous regions from a method based on the identification of the typical storms footprints.• Consideration of the dependence between sites of observation, through the building of a model allowing, for example, to assess the regional effective duration or the regional return period of a storm.• Specification and estimation of the regional distribution, with the incorporation of influent covariables, such as the season of occurrence or the direction for waves.• Comparison between regional and local analyses, especially through the uncertainties on the estimated extremes and the ability to model the potential outliers. These aspects are illustrated on significant wave height data and skew surge data located in the Northeast Atlantic, the Eastern Channel and the North Sea. At the same time, the industrial objective of this work is to contribute to guarantee the safety of EDF structures against the risk of coastal flooding. This can be achieved through the exploration of new techniques of estimation of extreme marine hazards such as regional frequency analysis, which allows in particular a better representation of outliers