Héloïse Michaud, Caroline Bru, Didier Jourdan Le modèle Wavewatch III et les configurations côtières Atlantique et Méditerranée Héloïse Michaud, Caroline Bru, Didier Jourdan heloise.michaud@shom.fr

Plan Le modèle WW3 Les configurations Atlantique et Méditerranée Présentation Processus physiques pris en compte Les configurations Atlantique et Méditerranée Maillage Configurations de référence Validation des configurations sur des rejeux de tempêtes les tests de validation aux bouées et altimètres les tests de sensibilité Les sorties du modèle disponibles

Le modèle Wavewatch III (WW3) Modèle développé par H. Tolman (modèle Wavewatch I et II développé à TU Delft et NASA/GSFC), importé et amélioré au NCEP depuis 1993 Différences avec WAM : équation de l'action et non l'énergie, sur le système de grille (nombre d'onde vs fréquence), numérique paramétrisation physique Modèle utilisé dans Prévimer et en opérationnel au NCEP

bathymétrie & trait de côte Champs spectral des vagues en tout point Vents à 10m,courant, niveau d’eau, (SST, Tair, carte des glaces) WAVEWATCH III MODEL Propagation isotrope réfraction dispersion Physique du modèle croissance (input du vent) décroissance (déferlement) interaction vague-vague Autres sorties Spectre local Paramètre moyen

Pour le monde entier Pour l'ouest de l'Atlantique Figures issues de http ://www.jcomm-services.org/Wave-Forecast-Verification-Project.html pour novembre 2013 En Méditerranée occidentale

Configurations utilisées au NCEP

Les processus physiques pris en compte Equation de conservation de la densité de l'action (taux de densité d’énergie E par pulsation relative ) résolue dans l'espace Variation locale de la densité d’action Propagation spatiale avec shoaling Redistribution de l’énergie à travers le spectre Terme source Les derniers termes correspondent à la redistribution de l’énergie à travers le spectre. Dans l’espace des directions θ, ce transfert correspond à la réfraction par la bathymétrie et les courants, et dans l’espace des fréquences absolues, il est lié a un transfert de fréquence lui-même dépendant de la variation temporelle des courants et du niveau d’eau. Le membre de droite contient Stot qui est le terme source incluant les processus physiques qui génèrent dissipent ou redistribuent l’énergie. Les modèles de 3ème génération ont une paramétrisation explicite des processus physique sans leur imposer de profil spectral

Les paramétrisations des processus physiques incluent : La croissance des vagues due à l'action du vent (formulation linéaire et exponentielle) Les interactions non linéaires vague-vague (résonance) Snl3 (entre triplet de vagues, non inclus dans cette version de ww3) et entre quadruplet de vague Snl4 La dissipation des vagues liée : Aux interactions avec le fond Le moutonnement Le déferlement bathymétrique How are source terms created? Much like sausages… and laws Theory? Sometimes guesswork, vision…Observations: experiments designed to prove a vision Typically modifies, expands or writes off initial theory/vision Usually no analytical/exact solution, or intractable computationally Parameterization qui dépend des modèles donc

Numérique Discrétisation directionnelle constante et fréquentielle logarithmique. 30 fréquences et 24 directions pour la discrétisation spectrale = 720 équations d’advection couplées. Problème à plusieurs millions d’inconnues  2 solutions : – Une résolution globale de l’équation par une méthode itérative (modèle SWAN) – Une séparation des équations en advection puis intégration des termes source, qui sont intégrés séquentiellement (WW3). Les fréquences discrétisées sont définies entre une fréquence maximum et minimum entre elles par le terme source S, chacune étant dans un espace a deux dimensions d’espace, avec une intégration dans le temps. Il s’agit d’un type de problème relativement classique en physique, avec quelques spécificités. En particulier, ici la vitesse de transport Cg + U dépend de l’espace et éventuellement du temps. Si l’on considère une situation typique avec un maillage irrégulier de 100000 noeuds, nous avons donc un problème a 72 millions d’inconnues. Il y a deux grandes approches pour résoudre ce type de système :

Les configurations et les tests

La configuration Méditerranée Méthode de réalisation, critère de maillage, polygone... Description 93787 noeuds en atlantique et 200 m de résolution à la côte et 10 km au large Maillage plus dense autour du littoral français grâce à l’utilisation de polygones et de critères de raffinement différents 92667 nœuds, bathymétrie du SHOM

La configuration Méditerranée Méthode de réalisation, critère de maillage, polygone... Description 93787 noeuds en atlantique et

La configuration Atlantique 93787 nœuds Créé à partir du maillage de prévimer pour l’Atlantique 10 km au large -> 400-200 m à la côte Utilisation de polygones Méthode de réalisation, critère de maillage, polygone... Description 93787 noeuds en atlantique et 92667 en Mediterranée, bathymétrie du SHOM

La configuration de référence Forcages atmosphériques : Aladin 0,1° ou Ecmwf 0,1° ? TEST 451 en Atlantique et 405 en Méditerranée (Ardhuin et al. 2010) Dissipation sur le fond avec une taille de sédiment médian D50=0,2 mm uniforme partout Réflexion côtière liée à la pente du fond. Spectre de vague discrétisé sur 24 directions (15° de résolution) et 30 fréquences entre 0,0345 Hz et 0,547 Hz

Les tests 5 tempêtes en Atlantique depuis 2007 3 tempêtes en Méditerranée depuis 2003 Un rejeu d’un an (juillet 2011-juin 2012) sur les deux façades

Méthode et instruments de validation Bilbao Cap Ferret 62052 62068 62103 62305 62304 Instruments de mesure pour la validation Bouées Météo-France, Cetmef (réseau Candhis) et des pays voisins. Mesures altimétriques sur le rejeu long (2011/2012 : Jason 1/2, ERS 2, Envisat) Méthode d'évaluation Séries temporelles aux bouées et statistiques (rmse, si, biais, cor, erreur max) Statistiques sur les traces altimétriques (en cours)

Méthode et instruments de validation Instruments de mesure pour la validation Bouées Météo-France, Cetmef (réseau Candhis) et des pays voisins. Mesures altimétriques sur le rejeu long (2011/2012 : Jason 1/2, ERS 2, Envisat) Méthode d'évaluation Séries temporelles aux bouées et statistiques (rmse, si, biais, cor, erreur max) Statistiques sur les traces altimétriques (en cours)

Tempête de novembre 2007 Vent par Arpège le 08/11/07 12h Vague par WW3 le 08/11/07 12h Vent par Arpège le 09/11/07 0h Vague par WW3 le 09/11/07 0h Vent par Arpège le 09/11/07 12h Vague par WW3 le 09/11/07 12h Tempête de novembre 2007

Hauteurs significatives des vagues (en m, en haut) et profondeur (en dans la baie du Mont St Michel

Tests de sensibilité Forçages atmosphériques : Aladin, Ecmwf, CFSR Résolution du maillage Schéma numérique Dissipation sur le fond Le forçage du vent global Le modèle de vague global L'ajout des courants et niveaux d'eau issus de Hycom Le coefficient de couplage entre vent et vague

Tests de sensibilité sur le forçage de vague global : MFWAM ou WW3

Test de sensibilité sur la résolution du maillage (tempête février 2009 en Méditerranée) Maillage à 200 m de résolution à la côte Maillage à 500 m de résolution à la côte

Test de sensibilité sur la résolution du maillage (tempête février 2009 en Méditerranée)

Les sorties du modèle Série temporelle des caractéristiques des vagues en un point (Spectre 3D, Hs, Tp, …) En ascii ou Netcdf

Les sorties du modèle Cartes 2D : caractéristique des vagues (Hs, Tp, Direction, vitesse de stokes, ...), sur plusieurs partitions : mer de vent, houle primaire, secondaire, … sur grilles non structurées ou bien sur une grille régulière de résolution définie. En ascii ou Netcdf

$ (1) Forcing fields DPT CUR WND DT WLV ICE IBG D50 $ (2) Standard mean wave Parameters HS LM TZ TE TM FP DIR SPR DP $ (3) Frequency-dependent parameters EF TH1M STH1M TH1M STH1M WN $ (4) Spectral Partition Parameters PHS PTP PLP PTH PSP PWS WSF PNR $ (5) Atmosphere-waves layer UST CHN CGE FAW TAW NWS WCC WCF WCH WCM $ (6) Wave-Ocean layer SXY TWO BHD FOC TUS USS P2S U3D P2L $ (7) Wave-bottom layer ABR UBR BED FBB TBB $ (8) Spectrum parameters MSS MSC $ (9) Numerical diagnostics DTD FC CFX CFD CFK

Hs (m) le 8/11/07 à 18h Possibilité de sortir les résultats sur des grilles régulières à 1 km de résolution (3 en Atlantique)

vs Résultats sur la grille non structurée Résultats sur des grilles régulières à 1km de résolution Hs (m) le 8/11/07 à 18h

Hs (m) de la mer de vent le 8/11/07 à 18h Hs (m) de la houle primaire le 8/11/07 à 18h Hs (m) de la houle secondaire le 8/11/07 à 18h

Hs (m) le 06/02/09 à 18h Possibilité de sortir les résultats sur des grilles régulières à 1 km de résolution (2 en Méditerranée)

WW3 avec Aladin comme forçage Biais 0.1090 Cor 0.9463 RMSE 0.2630 SI 0.2976 WW3 avec Arome comme forçage Biais 0.1346 Cor 0.9351 RMSE 0.26 SI 0.304 Moyennes des statistiques sur le rejeu d’un an en Méditerranée sur 9 bouées

Ce qu’il nous reste à faire Comparaisons avec mesures altimétriques à finir Comparaison avec l’existant MFWAM sur les rejeux

AJOUTER LA MEME CARTE SORTIE MFWAM SI POSSIBLE Résultats sur la grille non structurée vs AJOUTER LA MEME CARTE SORTIE MFWAM SI POSSIBLE Résultats sur des grilles régulières à 1km de résolution Hs (m) le 8/11/07 à 18h

Merci