Previmer
Modélisation et Analyse pour la Recherche Côtière

Validation des prévisions de vagues

Le suivi des observations réalisées en routine par de nombreux organismes (services météorologiques comme Météo-France, services techniques en charge de la navigation comme le CEREMA, ports, observatoires ... ) fournit une base de données indispensable pour la validation des états de mer au large. Ces observations de bouées sont complétées par des mesures faites par satellite et analysées par le Centre d'Exploitation et de Recherche Satellitaire de l'Ifremer . En zone côtière, des campagnes de mesure dédiées permettent de mieux comprendre les détails de l'état de mer (variation dans l'espace et composition en périodes et directions des vagues).

Le suivi des observations réalisées en routine par de nombreux organismes (services météorologiques comme Météo-France, services techniques en charge de la navigation comme le CEREMA, ports, observatoires ... ) fournit une base de données indispensable pour la validation des états de mer au large. Ces observations de bouées sont complétées par des mesures faites par satellite et analysées par le Centre d'Exploitation et de Recherche Satellitaire de l'Ifremer . En zone côtière, des campagnes de mesure dédiées permettent de mieux comprendre les détails de l'état de mer (variation dans l'espace et composition en périodes et directions des vagues).

Validation au large

La validation du modèle à grande échelle utilise les mesures des bouées de surface et des satellites. Des statistiques de validation fournies chaque mois par le Centre Européen (CEPMMT/ECMWF) montrent que les analyses de hauteur des vagues sont généralement de très bonne qualité. Quelques statistiques sont reproduites ici, concernant un ensemble de 38 bouées réparties dans le monde (généralement au large), un ensemble plus complet de 177 bouées mais certaines étant en zone côtière les résultats du modèle de grande échelle y sont naturellement moins bons, et enfin les deux bouées Brittany et Gascogne, au large de la façade Atlantique métropolitaine.

Erreur moyenne quadratique entre les prévisions des différents centres météorologiques et les observations combinées des bouées 62029 (K1), 62052 (Béatrice) 62081 (K2) 62095 (M6), 62163 (Brittany), 64045 (K5) et 64046 (K6), pour les mois de juillet à septembre 2008, en fonction de l'échéance de prévision de 0 à 5 jours.

Figure 1 : Erreur moyenne quadratique entre les prévisions des différents centres météorologiques et les observations combinées des bouées 62029 (K1), 62052 (Béatrice) 62081 (K2) 62095 (M6), 62163 (Brittany), 64045 (K5) et 64046 (K6), pour les mois de juillet à septembre 2008, en fonction de l'échéance de prévision de 0 à 5 jours.

Les résultats du SHOM (pointillés bleus) présentent les erreurs les plus faibles.

Figure réalisée par Jean Bidlot (ECMWF) pour l'exercice de vérification du JCOMM. Ce suivi est répété tous les mois.

Nota bene : les résultats de Météo-France (tirets violets) correspondent au modèle global forcé par Arpège-tropiques, ce n'est généralement pas le meilleur modèle mis en oeuvre par Météo-France pour cette zone.

Les erreurs relatives sont généralement plus faibles pour les périodes moyennes avec une erreur d’environ 9% pour les analyses. Du fait de l’absence actuelle de mesures directionnelles on ne peut pas en dire plus sur les caractéristiques de l’état de mer.

Cette analyse est complétée par les mesures faites par les altimètres comme l’instrument RA-2 sur le satellite ENVISAT de l’Agence Spatiale Européenne. En effet les bouées sont essentiellement situées dans l’hémisphère nord et à moins de 300 km des côtes.

Carte des écarts moyens pour la hauteur significative (en centimètres) entre modèle (WAVEWATCH III configuré pour PREVIMER) et altimètre (ENVISAT-RA2), pour l'année 2007

Figure 2 : Carte des écarts moyens pour la hauteur significative (en centimètres) entre modèle WAVEWATCH III™ (configuré pour PREVIMER) et altimètre (ENVISAT-RA2), pour l'année 2007.

Ecarts des moyennes normalisées (en pourcents) entre le modèle global WAVEWATCH III à 0.5° de résolution et utilisant le paramétrage de Ardhuin et coll. (J. phys. Oceanogr. 2009) et les altimètres (ENVISAT-RA2, JASON-1, GFO), pour l'année 2007

Figure 3 : Ecarts des moyennes normalisées (en pourcents) entre le modèle global WAVEWATCH III™ à 0.5° de résolution et utilisant le paramétrage de Ardhuin et coll. (J. phys. Oceanogr. 2009) et les altimètres (ENVISAT-RA2, JASON-1, GFO), pour l'année 2007

Validation à la côte : façade Atlantique métropolitaine

Les résultats présentés ici sont obtenus avec le modèle CRESTp qui réalise une simple propagation de l’énergie des vagues le long de rayons.

A partir d’un point d’arrivée les rayons sont remontés jusqu’au large pour y être alimenté par les résultats du modèle WAVEWATCH III. Ce modèle ne prend pas encore en compte le vent local et les effets des courants ni les variations du niveau d’eau. Il est donc potentiellement moins précis que le modèle SWAN. Toutefois, dans de nombreuses situations la propagation (réfraction, masquage par les îles) est l’effet le plus important, et CRESTp traite cet aspect de manière plus précise que SWAN. CRESTp peut donc souvent donner des résultats meilleurs que SWAN, mais en général les deux modèles demandent à être améliorés ou combinés.

Quel que soit le modèle, la précision des prévisions se dégrade quand on s’approche de la côte. Sur des côtes «ouvertes» sur l’océan comme devant l’ile d’Oléron ou la côte Aquitaine, les erreurs restent faibles.

Comparaison entre modele (analyse) et mesures realisees par le SHOM en 2006 devant le phare de Chassiron (Oleron)

Figure 4 : Comparaison entre modèle (analyse) et mesures réalisées par le SHOM en 2006 devant le phare de Chassiron (Oléron)

L’imprécision du modèle augmente sur des côtes découpées comme le Finistère, la Manche ou le sud Bretagne. Ainsi au sud d’Ouessant l’erreur est de l’ordre de 15% à 18% pour la hauteur significative Hs issue d’analyse (mesures aux points « Pierres Noires », « Iroise » et « Bertheaume »). Les erreurs sont plus importantes dans les régions abritées par une côte découpée, du fait de la sensibilité à la répartition de l’énergie suivant les directions d’arrivée, et par endroits, l’effet relativement incertain du frottement sur le fond. Enfin, l’effet des courants et des variations de niveau d’eau sont importants.

Position de quelques-uns des points instrumentes par le SHOM et le CETMEF en mer d Iroise.

Figure 5 : Position de quelques-uns des points instrumentés par le SHOM et le CETMEF en mer d’Iroise.

Comparaison entre les hauteurs de vagues calculees (analyses) en enchainant WAVEWATCH III et CRESTp aux points Pierres Noires, Iroise et Bertheaume

Figure 6 : comparaison entre les hauteurs de vagues calculées (analyses) en enchaînant WAVEWATCH III et CRESTp aux points Pierres Noires, Iroise et Bertheaume

Validation à la côte : Manche et Mer du Nord

Ainsi, en collaboration avec EDF, le Proudman Ocean Laboratory (Liverpool) et la société Actimar, 4 modèles de calcul (WAM, TOMAWAC, SWAN et WAVEWATCH III) ont été évalués sur l’ensemble de la Manche.
Si tous sont capables de représenter l’effet du courant, les écarts par rapport aux observations restent importants, en particulier dans le Golfe Normand-Breton, les erreurs en analyse sont de l’ordre de 30% pour Hs, avec ou sans effet des courants.
Des travaux sont en cours pour améliorer les modèles (voir site du SHOM).

Validation en Méditerranée

Le cas de la Méditerranée est particulier. Il s’agit d’une mer presque fermée, et donc toutes les vagues qui s’y trouvent ont été générées en Méditerranée (la propagation des vagues par le détroit de Gibraltar ne concerne qu’une région d’une centaine de kilomètres au-delà du détroit).

Les états de mer sont donc très fortement liées aux régimes de vents, qui sont caractérisés par des variation parfois rapides dans le temps, et très locales du fait du relief autour des côtes (Mistral, Tramontane, Bora en Adriatique, etc.).

La qualité des prévisions immédiates est généralement moins bonne que dans l’océan avec une erreur de l’ordre de 20% sur le Hs. Cette erreur augment assez vite dans le temps du fait du caractère peu prévisible des vents. On peut estimer que la qualité d’une prévision à 2 jours en Méditerranée est inférieure à celle d’une prévision à 5 jours en Atlantique. De nombreux travaux ont été réalisés sur le sujet par le groupe de Luigi Cavaleri (ISMAR, Italie), Météo-France, et l’Ifremer. Les derniers résultats sur ce sujet (groupe MEWAM, 2007) sont le fruit d’une collaboration entre le SHOM, Météo-France, ISMAR et le FNMOC (Monterey, Californie).