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2008
406

Configurations atmosphériques de vastes échelles spatiales et variabilité des surcotes dans le Golfe du Lion

Broad-scale atmospheric patterns and sea-surge variations in the Golfe du Lion
Albin Ullmann et Vincent Moron

Résumés

Cette étude est basée sur l’analyse des variations des surcotes marines dans le Golfe du Lion. Une surcote représente le niveau de la mer uniquement forcé par les conditions atmosphériques. Le but est d’analyser les conditions climatiques sur une vaste fenêtre spatiale associées à la formation régionale et locale des surcotes dans le Golfe du Lion. Dans l’ensemble de ce golfe, les variations quotidiennes du niveau des surcotes sont principalement corrélées aux variations du champ de pression atmosphérique au niveau du Golfe de Gascogne. Les pics de surcotes, principaux risques de submersion et d’érosion du littoral, se produisent presque exclusivement durant les types de temps « Greenland Above » et « Blocking ». Ces deux types de temps sont potentiellement associés aux conditions météorologiques régionales et locales capable d’entraîner la formation des fortes surcotes.

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Texte intégral

Introduction

1La vulnérabilité des zones côtière basses et sableuses face à l’élévation du niveau marin est particulièrement importante (Nicholls et Hoozemans, 1996). Les modèles récents de prédiction du climat présentés par l’IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) prévoient un réchauffement et une élévation globale et significative du niveau marin au 21ème siècle (IPPC, 2001). Ces tendances sont favorables à la multiplication et à l’intensification des pics de niveau marin, responsables de la submersion et de l’érosion des zones littorales. La plupart de ces événements se produisent lors des tempêtes liées au passage d’une forte dépression (Bouligand et Pirazzoli, 1999). La baisse de la pression atmosphérique et les forts vents qui poussent et accumulent la masse d’eau vers la côte entraînent une élévation anormale du niveau de la mer (Pirazzoli et al, 2006, Ullmann et Pirazzoli, 2006). Ces forçages atmosphériques entraînent alors un niveau marin observé supérieur à celui normalement atteint par la marée astronomique. C’est ce que l’on appelle la surcote marine.

2Le Golfe du Lion est situé au nord-ouest du bassin méditerranéen occidental (figure 1). Les côtes françaises s’étendent sur environ 200 kilomètres de Port-Vendres à Marseille. Elles sont principalement ouvertes au sud sur la Méditerranée. A l’échelle locale, les fortes surcotes y sont liées à la présence de vents de mer soufflant de secteur sud capables de pousser la masse d’eau vers les côtes et d'entraîner une élévation importante du niveau de la mer au niveau du littoral (Ullmann et Pirazzoli, 2006). Les côtes du Golfe du Lion sont densément peuplées et principalement basses et sableuses. Elles sont ainsi potentiellement soumises aux risques de submersion et d’érosion.

3L’objectif principal de cette étude est d’analyser les forçages climatiques agissant sur plusieurs milliers de kilomètres, associé aux variations des surcotes à l’échelle régionale et locale dans le Golfe du Lion. En d’autres termes, le but est de désagréger l’information globale vers l’information locale. En effet, pour comprendre les variations du niveau des surcotes dans le Golfe du Lion et notamment des extrêmes, il est indispensable de considérer les forçages atmosphériques à différentes échelles spatiales.

4Dans un premier temps, les téléconnexions entre le champ de pression atmosphérique sur l’Europe et l’Atlantique Nord et les variations des surcotes à différentes stations du Golfe du Lion sont analysées. Dans un deuxième temps, les analyses de la relation entre les surcotes et les types de temps tenteront d’expliquer les liens entre les conditions de circulation atmosphériques à l’échelle extratropicale et les surcotes régionales et locale dans le Golfe du Lion.

Données

5Quatre séries marégraphiques réparties autour du Golfe du Lion sont analysées dans cette étude : Grau-de-la-Dent en Camargue (43°36N – 5°10E), Sète (43°10N - 3°40E) et Port-Vendres (43°01N - 3°02E) de 1986 à 1995 et Marseille (43.1°N - 5.22°E) en 1986 à 1998. Les séries marégraphiques horaires du Grau-de-la-Dent, Sète et Port-Vendres proviennent du Service Maritime et de la Navigation du Languedoc Roussillon (SMNLR). Les données de Marseille ont été obtenues sur le site internet du Système d’Observation du Niveau des Eaux Littorales (http:\\www.sonel.org). Toutes les données sont exprimées (ou ont été transformées) en heures universelles (TU+0). Le système altimétrique de référence est le Niveau Général Français (NGF).

6Pour chaque valeur horaire de hauteur d’eau enregistrée, la marée astronomique correspondante a été calculée à l’aide d’un logiciel spécifique (POLIFEMO ;Tomasin, 2005 ; Ullmann et Pirazzoli, 2006). La soustraction de la valeur de la marée astronomique à nos données marégraphiques horaires permet d’extraire la surcote marine. Il s’agit alors de la hauteur du plan d’eau uniquement forcée par les conditions climatiques et météorologiques. Pour calculer les variations de la marée astronomique, le logiciel réalise une analyse harmonique sur les données disponibles afin d’extraire les principales constantes de la marée astronomique (Ullmann et Pirazzoli, 2006). L’utilisation des séries de hauteurs de surcotes par rapport à celle des données marégraphiques brutes permet d’analyser aussi indépendamment que possible le forçage climatique sur les variations du plan d’eau dans le Golfe du Lion.

7Les forçages atmosphériques des surcotes sont étudiés via les atmosphériques de surface. Les données quotidiennes de pressions atmosphériques au niveau de la mer à 6h TU de 1905 à 2002 sont issues des ré-analyses du NCAR (National Center for Atmospheric Research). Ces données sont exprimées en hectopascals (hPa), ont une résolution spatiale de 5° de longitude et de 5° de latitude et couvrent l’ensemble du globe. Les pressions de surface ont été extraites sur une fenêtre spatiale de 40°W à 40°E et de 30°N à 70°N uniquement. Le choix de cette base de données se porte sur sa fiabilité sur l’ensemble du 20ème siècle.

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Figure 1 : Localisation

Méthode

Les corrélations

9Le calcul des corrélations permet de mesurer l’intensité de la relation entre les variations du niveau des surcotes en un point (une station) et les variations de la pression atmosphérique en chaque point de grille. Les résultats sont présentés sous la forme de cartes des corrélations qui permettent d’analyser spatialement les téléconnexions entre la pression atmosphérique et les variations du plan d’eau à l’échelle quotidienne. Le calcul des corrélations est effectué à l’échelle journalière, à 06h TU, pour les quatre stations marégraphiques disponibles dans le Golfe du Lion.

La classification en types de temps

10Dans cette étude, la classification du champ de pression atmosphérique de surface en types de temps est utilisée afin de synthétiser la circulation atmosphérique extra tropicale, en dégageant des configurations atmosphériques types, significatives et redondantes dans le temps (Vautard, 1990; Plaut et Simonnet, 2002). En effet, même si les conditions de pression atmosphérique sont chaque jour uniques, il existe certaines redondances dans les trajectoires et la circulation (Hufty, 2001). Cette méthode permet alors d’associer un type de circulation atmosphérique extra tropical à la formation des surcotes marines dans le Golfe du Lion.

11La matrice des pressions atmosphériques quotidiennes en points de grilles (l’espace colonne et le temps en ligne) est tout d’abord standardisée par la double opération centrage et réduction afin de ramener la valeur de la moyenne à 0 et l’écart-type à 1. Cette opération de standardisation permet d’analyser la variance de la pression atmosphérique selon un référentiel unique. Les données standardisées sont ensuite pondérées par le cosinus des latitudes. Une analyse en composante principale permet de « compresser » la matrice en 11 composantes principales qui représentent 90% de la variance totale. La méthode des nuées dynamiques ou « k-means » (Diday et Simon, 1976) est appliquée aux 11 composantes principales pour extraire 5 classes qui offrent une bonne représentation des types de circulation atmosphérique dans la zone extra tropicale (Plaut et Simmonet, 2002 ; Moron et Plaut, 2003). L’algorithme se base sur la minimisation de la distance euclidienne entre les 5 centroides de départ. 200 classifications à partir de la même matrice d’origine ont été réalisées. Pour chaque classification, un indice de « classificabilité » mesure la similarité moyenne entre les différents calculs afin de déterminer la classification la plus représentative. Les pressions quotidiennes de surface en point de grille de 40°E à 40°W et de 30°N à 70°N sur la période 1905 à 2002 ont été classées en 5 types de temps. 1.7% des jours ne possédant pas de données n’ont pas été classé et ne seront pas considérés dans les analyses.

Résultats

Champ de pression atmosphérique et variabilité des surcotes dans le Golfe du Lion

12La figure 2 présente les cartes de corrélations entre les variations quotidiennes des surcotes et le champ de pression atmosphérique de surface sur la fenêtre spatiale de 40°W à 40°E et de 30°N à 70°N. Les corrélations présentent de fortes similarités entre les 4 stations. En effet, pour chacune d’entre elle, les variations quotidiennes des surcotes sont les plus fortement corrélées avec les variations de la pression atmosphérique de surface au niveau du Golfe de Gascogne et du nord de la péninsule Ibérique (figure 2 a - d). De faibles modulations spatiales sont néanmoins visibles, surtout pour Port-Vendres, où le champ de pression le plus fortement corrélé aux variations des surcotes est en position plus méridionale par rapport au Grau-de-la-Dent, Sète et Marseille (figure 2). La corrélation maximum est de -0.6 pour les trois stations couvrant la période 1986-1995 et de -0.4 pour Marseille pour la période 1986-1988. Compte tenu de l’échelle de l’analyse, ces valeurs de corrélations entre un champ de pression sur une large fenêtre spatiale et les variations locales du niveau des surcotes témoignent d’une relation spatiale robuste. La valeur négative de la corrélation traduit l’effet barométrique inverse sur le plan d’eau. En effet, une baisse de la pression atmosphérique de 1 hPa entraîne une élévation mécanique du plan d’eau de 1 cm, sur lequel le poids de la colonne d’air sera alors moins important (Daniel et al., 2001). En résumé, les variations du champ de pression de 15°W à O°W et de  40°N – 50°N sont connectées aux variations locales du niveau des surcotes autour du Golfe du Lion.

Figure 2 : Corrélations entre le champ de pression atmosphérique de surface (40° W- 40°E ; 30°N – 70°N) et les surcotes au Grau-de-la-Dent (GD), à Sète (SE) et à Port-Vendres (PV) de 1986 à 1995 et à Marseille (MA) de 1986 à 1988.

Les types de temps

13Le premier type de temps (figure 3b) ressemble à la configuration spatiale moyenne de la période 1905-2005 (figure 3a) avec un renforcement de la dépression d’Islande et un décalage de l’anticyclone des Açores vers le nord. La direction de la circulation atmosphérique est ainsi proche de la circulation moyenne mais la vitesse est ici renforcée. Cette configuration fait référence au type de temps « Zonal » (ZO). La configuration suivante (figure 3c) présente des pressions anormalement élevées sur le continent européen. Elle représente ici le type de temps « East - Atlantic » (EA)(Plaut et Simonnet, 2002). Le troisième type de temps (figure 3d) partage des éléments communs avec la phase négative de l’Oscillation Nord Atlantique. En effet, il présente une forte dépression centrée au niveau de 48°-50°N sur l’Atlantique Nord (figure 3d). Cette circulation atmosphérique est favorable aux passages des perturbations synoptiques sur l’Europe mais avec une trajectoire plus au sud que la normale (Moron et Ullmann, 2005). Ce type de temps est appelé « Greenland Above » (GA). Le prochain type de temps montre une situation typique de blocage de la circulation atmosphérique associée à la présence d’une dépression centrée sur l’Europe de l’Ouest au niveau du bassin méditerranéen occidental (= BL pour « Blocking »). Pour ce type de temps, les perturbations synoptiques peuvent être décalées à l’extrême Nord – Est de l’Atlantique ou bien prendre une trajectoire méridionale sur la Méditerranée (Plaut et Simonnet, 2002). Le cinquième type de temps (figure 3f) est caractérisé par une faible crête sur l’Atlantique. La dépression d’Islande est renforcée et décalée vers la Scandinavie (figure 3f). Ce type de temps est appelé « Atlantique Ridge »(AR)en référence au nom donné dans des travaux précédents (Plaut et Simonnet, 2002; Moron et Plaut; 2003).

Figure 3 : (a) Champ de pression atmosphérique de surface moyen sur la période 1986-1995. Champ de pression atmosphérique de surface moyen durant les jours de (b) « Zonal » (ZO), (c) « East-Atlantic » (EA), (d) « Greenland Above » (GA), (e) « Blocking »  (BL) et (f) « Atlantic Ridge » (AR).

Variabilité des surcotes et types de temps

14La fréquence moyenne de chaque type de temps par classes de surcote est analysée pour les quatre stations du Golfe du Lion (figure 4). Les types GA et BL sont clairement associés aux plus fortes surcotes (figure 4). Une surcote > 40 cm au Grau-de-la-Dent, à Sète et à Port-Vendres ne se produit presque jamais dans la configuration ZO, mais peut rarement se produire durant EA et AR. Plus le niveau des surcotes augmente, plus la part des types GA et BL devient importante. En d’autres termes, tous les jours de GA et BL ne sont pas obligatoirement associés à une forte surcote, mais la plupart d’entre elles se produisent presque exclusivement dans ces situations. En effet, tous les types de temps GA et BL ne sont pas associés aux vents de sud dans le Golfe du Lion, mais la plupart d’entre eux se produisent durant ces deux types de temps (Ullmann et Moron, 2007). Le signal commun entre l’échelle des types de temps et les surcotes aux trois stations marégraphiques résulte donc de l’interaction entre les conditions atmosphérique à l’échelle extra tropicale et celles à l’échelle du Golfe du Lion.

Figure 4 : Fréquence des types de temps associés aux surcotes par classes de 10 cm au Grau-de-la-Dent, à Sète, à Port-Vendres et à Marseille. Fréquence des types de temps (a) ZO, (b) EA, (c) GA, (d) BL et (e) AR pour les classes de surcotes.

Conclusion

15A l’échelle du Golfe du Lion, les variations locales du niveau des surcotes sont connectées aux variations de la pression atmosphérique de surface sur le Golfe de Gascogne et sur le nord de la péninsule Ibérique. De plus, les fortes surcotes sont principalement associées aux types de temps GA et BL. Les forçages atmosphériques locaux et régionaux des surcotes, c'est-à-dire les vents de secteur sud dans le Golfe du Lion, sont donc principalement associés aux vastes configurations barométriques de GA et BL à l’échelle de plusieurs milliers de kilomètres (Ullmann et Moron, 2007). Cependant, pour chaque station analysée indépendamment, les fortes surcotes sont forcées par des directions de vents de sud localement préférentielles (Ullmann et Pirazzoli, 2006). En effet, l’exposition locale bien particulière de la côte et son ouverture sur la mer définissent les directions précises des vents locaux favorables à l’accumulation d’eau à cet endroit particulier du littoral et commande donc la formation d’un pic local de surcote (Ullmann et Pirazzoli, 2006). La connaissance de ces événements marins nécessite donc de prendre en compte les forçages atmosphériques à différentes échelles spatiales, des conditions locales de vents aux conditions de circulation atmosphérique à l’échelle extra tropicale. Le travail du Géographe Climatologue, qui « joue » avec les échelles, parait alors indispensable dans l’analyse de l’impact des variations climatiques globales aux échelles régionales et locales.

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Bibliographie

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Diday E., Simon J.C., 1976, « Clustering Analysis ». Communication and cybernetics, 10, Digital pattern recognition, 47-94.

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Moron V., Plaut G., 2003, « The impact of El Niño southern oscillation upon weather regimes over Europe and the North Atlantic during boreal winter ». Int. J. Climatol., 23, 363-379.

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Nicholls R.J., Hoozemans F.M.J., 1996, « The Mediterranean vulnerability to coastal implications of climate change », Ocean and Coastal Management, 31, 105-132.

Pirazzoli P.A, Costa S., Dornbusch U., Tomasin A., 2006, « Recent Evolution of surge-related events and assessment of coastal flooding risk on the eastern coasts of the English Channel ». Ocean Dynamics, DOI 10.1007.

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Ullmann A., Pirazzoli P.A., 2006, « Caractéristiques spatiales de la formation des surcotes marines dans le Golfe du Lion ». Cybergeo,  362, 18/01/2007. 12 p. (http://www.cybergeo.presse.fr)

Ullmann A., Moron V., 2007,« Weather regimes and sea level variations over Gulf of Lions (French Mediterranean coast) during the 20th century ». Int. J. Climatol., DOI: 10.1002/joc.1527.

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Notes

Remerciements au SMNLR (Service Maritime et de la Navigation du Languedoc Roussillon) pour les séries marégraphiques. A. Ullmann est financé par IMPLIT (Impact des événements extrêmes sur les hydrosystèmes du littoral méditerranéen français) sous le contrat du GICC-2 (Gestion de l’impact du changement climatique), Ministère de l’Ecologie et du Développement Durable.

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Pour citer cet article

Référence électronique

Albin Ullmann et Vincent Moron, « Configurations atmosphériques de vastes échelles spatiales et variabilité des surcotes dans le Golfe du Lion », Cybergeo : European Journal of Geography [En ligne], Environnement, Nature, Paysage, document 406, mis en ligne le 05 novembre 2007, consulté le 29 mars 2017. URL : http://cybergeo.revues.org/12443 ; DOI : 10.4000/cybergeo.12443

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Auteurs

Albin Ullmann

ullmann@cerege.frUFR des Sciences Géographiques et de l’Aménagement. Université d’Aix-Marseille I, Aix- en -Provence, FranceCEREGE – UMR 6635, Aix-en-Provence, France

Articles du même auteur

Vincent Moron

UFR des Sciences Géographiques et de l’Aménagement. Université d’Aix-Marseille I, Aix- en -Provence, FranceCEREGE – UMR 6635, Aix-en-Provence, France

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Droits d’auteur

© CNRS-UMR Géographie-cités 8504

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