Modèle bidimensionnel couplé de Rangiroa
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1. se7 niojeAV endi e ep seasiadsip seeuuog 2614 en nn i L 1 HE D 28333 58388 qot mm D Uu vv H H 2 ny eom H 14 mE bh E xh a j mi iim ner 7 d SAIS E ended ej seesjedsip seeuuog 9 1012 seeuuop sep e quiesu3 we 3 1 Wesel EH 1 lin gt dd M j TITTIIITITIIL JIITILLII Les CH E RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Figure 9 Bathym trie de l atoll de Rangiroa repr sent e sous la forme d un maillage triangulaire La profondeur en m tres est indiqu e du moins profond en rouge au plus profond en bleu Dans le sud on a l aussi num ris l extr mit sup rieure de la pente entre la zone intertidale et le lagon et une profondeur de 0 3 m a t attribu e Pour finir la cr te r cifale a galement t num ris e tout autour de l atoll de mani re dens2. z SPC CPS SECRETARIAT OF THE PACIFIC COMMUNITY SECR TARIAT G N RAL DE LA COMMUNAUT DU PACIFIQUE kx Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 CPS Division g osciences et technologies appliqu es me Septembre 2013 Herv Damlamian amp Jens Kruger RAPPORT TECHNIQUE 166 D partement iles et oc an Copyright Secr tariat g n ral de la Communaut du Pacifique CPS 2013 Tous droits r serv s de reproduction ou de traduction des fins commerciales lucratives sous quelque forme que ce soit Le Secr tariat g n ral de la Communaut du Pacifique autorise la reproduction ou la traduction partielles de ce document des fins scientifiques ou ducatives ou pour les besoins de la recherche condition qu il soit fait mention de la CPS et de la source L autorisation de la reproduction et ou de la traduction int grale ou partielle de ce document sous quelque forme que ce soit des fins commerciales lucratives ou titre gratuit doit tre sollicit e au pr alable par crit est interdit de modifier ou de publier s par ment des graphismes originaux de CPS sans autorisation pr alable Secr tariat g n ral de la Communaut du Pacifique Division g osciences et technologies appliqu es Private Mail Bag GPO Suva Fidji T l phone 4679 338 1377
3. HG mem Lange X T0 e L i di EAN 7 7 lt A D e de EM EE AM gt lt 2 lt RAPPORT TECHNIQUE PR166 est de Rangiroa et pour le platier r cifal sud Une zone intertidale assez grande l extr mit orientale du lagon pas t sond e Des points ont t ajout s partir de relev s de profondeur r alis s dans les alentours et en fonction de la couleur des pixels apparaissant sur l image enregistr e par le satellite THEOS Une m thode similaire a t adopt e afin d int grer Afin de faciliter l interpolation un certain nombre de donn es dispers es ont t saisies manuellement pour la partie la plus davantage de points au niveau du platier sud de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 e bidimensionnel coup Mod Sej o1es 2 juo 59 seouuop S87 ue 9409 ej ep xneeosiejououJ s seeuuop sep uos 9499 sep syuiod 597 seeuuop xne ep pns Jnod seeuuog 8 ain614
4. La calibration du mod le XBeach avait d ores et d j t r alis e dans le cadre du pr sent projet description dans le rapport technique compl mentaire sur les submersions c ti res Avatoru Elle avait t effectu e sur un transect situ sur la fa ade oc anique d Avatoru Le jeu de param tres calibr a t utilis pour mod liser les submersions engendr es par un champ de houle du large de 5 8 m de hauteur et par un champ de houle de 4 8 m g n r c t lagon 6 2 H sultats ressort de la mod lisation que la houle du large n a pas provoqu de submersions marines durant le cyclone Orama Nisha En raison de l utilisation d un niveau d eau constant dans le mod le XBeach il n a pas t possible de d terminer les courants sortants dans les passes On estime toutefois qu une interaction devrait se produire entre les courants et le champ de houle du large proximit de l entr e de la passe si bien que les vagues se cambreraient et d ferleraient r duisant ainsi leur impact sur les c tes Les r sultats sont tr s similaires pour le risque de submersion li une houle de 4 8 m et de 3 5 m dans le lagon Figure 31 et Figure 32 Les submersions importantes sur le rivage du lagon sont principalement dues au niveau d eau lev dans le lagon engendr par l onde de temp te et l ensachage RAPPORT TECHNIQUE PR166 20 26 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectr
5. MIKE 21 les conditions m t orologiques du cyclone afin d analyser les tats de mer induits par le ph nom ne La simulation indique une houle cyclonique de hauteur significative de 9 0 m au sud de Rangiroa et de 5 8 m au nord de l atoll C t oc an le niveau d eau sur le littoral de la bande Avatoru Tiputa a atteint une hauteur maximale d environ 0 7 m Dans le lagon sous l effet combin de l ensachage de la pression et de la mar e le niveau d eau a consid rablement augment Au pic du cyclone les vents soufflaient plus de 26 m s au dessus du lagon en direction de l est ce qui a entrain un fort gradient du niveau d eau la diff rence de hauteur tant d environ 0 8 m entre la partie occidentale et la partie orientale Le mod le ne fait appara tre aucune seiche dans le lagon N anmoins on ignore toujours si un tel ph nom ne a pu se produire durant le cyclone En effet le param tre rayon de vent maximum n tait pas pr cis dans les donn es relatives au cyclone Orama Nisha extraites de la base IBTrACS Une valeur constante a donc t utilis e ce qui a donn comme r sultat un forcage des vents d clinant de facon peu marqu e et quasi lin aire sur la zone lagonaire Un test r alis a permis de montrer qu en cas de diminution brutale du for age des vents un ph nom ne de seiche aurait pu se d clencher La seiche en question aurait t engendr e par le gradient d l vation du plan d eau entre les partie
6. T l copieur 679 337 0040 WWW SOpac org director sopac org vi x Ze Wi RW SECR TARIAT G N RAL DE COMMUNAUT DU PACIFIQUE CPS Division g osciences et technologies appliqu es Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 RAPPORT TECHNIQUE PR166 Herv Damlamian amp Jens Kruger Septembre 2013 D partement iles et oc an AVERTISSEMENT Bien que les donn es contenues dans le pr sent rapport aient t recueillies analys es et rassembl es avec le plus grand soin la Division g osciences et technologies appliqu es SOPAO du Secr tariat g n ral de la Communaut du Pacifique CPS ne saurait tre tenue responsable en cas de perte ou de pr judice d coulant de leur utilisation AVIS IMPORTANT Ce document a t produit avec le concours financier de l Union europ enne dans le cadre du Projet Soutien la r duction des risques de catastrophes dans les Pays et Territoires d outre mer du Pacifique financ au titre de l enveloppe C du neuvi me Fonds europ en de d veloppement Le contenu du pr sent document n engage que la responsabilit du Secr tariat g n ral de la Communaut du Pacifique et ne peut en aucun cas tre interpr t comme une prise de position de l Union europ enne Ces travaux ont t r alis s par la Division g osciences
7. de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Le module d analyse spectrale de la houle Spectral Wave ou SW simule la croissance la d croissance et la transformation des vagues et de la houle produites par le vent au large et au niveau des zones c ti res tient notamment compte des composantes ci apr s Croissance des vagues sous l action du vent e Interactions vagues vagues non lin aires Dissipation due au d ferlement des vagues induit par la profondeur au frottement avec le fond et au moutonnement H fraction et perte d amplitude shoaling entrain es par la variation de la profondeur Compte tenu du r le crucial jou par la dissipation due au d ferlement des vagues et la rugosit du fond dans la calibration du mod le les quations associ es ce param tre sont donn es e On calcule la dissipation de l nergie de la houle par frottement avec le fond de la mani re suivante S c ia 50 0 sinh2kd Y C repr sente le coefficient de frottement k le nombre d ondes d la profondeur d eau le coefficient de frottement pour le courant et u la vitesse des courants Le coefficient de frottement se calcule comme suit C f o d signe la vitesse orbitale quadratique moyenne de la houle au fond De plus le facteur de frottement f est fonction d une valeur constante de rugosit g om triq
8. _ Surface elevation m emm Surface elevation m water level m emm Current velocity V m s Section1 Avatoru Channel to South Reef Slope 0 05 0 10 0 30 02 25 83 15 20 00 000 Sign Wave Height m Surface elevation m emm Surface elevation water level emm Current velocity V m s Section2 Tiputa Channel to South Reef Slope 8 0 6 0 4 0 2 0 0 0 0 00 0 05 02 25 83 15 20 00 000 Figure 26 Graphiques tir s de deux profils nord sud extraits La section 1 en haut repr sente la zone entre la passe d Avatoru et la pente r cifale sud La section 2 en bas correspond la zone entre la passe de Tiputa et la pente r cifale sud La l gende est la suivante fond du lagon et ceinture corallienne zone grise niveau d eau zone bleue hauteur de houle significative courbe rouge l vation de la surface libre courbe bleu clair vitesse de courant courbe verte Figure 27 Champ de houle durant le cyclone Orama Nisha g n rant une houle de 12 m hauteur significative juste l ouest de l atoll d Anaa RAPPORT TECHNIQUE PR166 24 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 on NMN ann 10 m s Surface elevation m Above 2 0 18 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 0 6 04 73 j 1 Figure 28 l
9. labor une carte du coefficient de rugosit de Nikuradse Kn Le coefficient Kn a t fix 0 04 au large et 0 02 dans le lagon Nous avons examin l effet de la variation de Kn sur la pente r cifale et sur le platier r cifal en appliquant des valeurs allant de 0 04 1 6 Pour les valeurs hautes la variation de Kn n a eu qu une incidence tr s limit e sur le mod le Nous avons en outre test directement la calibration l aide d un facteur de frottement de valeur 0 2 et 0 5 Enfin en raison de la grande taille de l atoll et de sa ceinture corallienne seules des donn es parses ont pu tre collect es sur la cr te l aide d un systeme GPS RTK D apr s les donn es recueillies la hauteur la cr te est relativement constante entre 0 1 m et 0 5 m avec des valeurs centr es autour de 0 3 m Une valeur constante a t attribu e au tombant sur toute la ceinture r cifale de l atoll Nous avons soumis le mod le diff rentes hauteurs de cr te 0 35 m 0 15 m et 0 0 m Les r sultats montrent que le mod le est tr s sensible la hauteur de la cr te r cifale Comme indiqu la Figure 16 qui met en parall le les donn es relatives la vitesse de courant dans la passe de Tiputa on obtient un r sultat satisfaisant pour chaque hauteur de cr te dans des conditions m t orologiques normales jusqu au 25 08 2013 midi m me si certains endroits la vitesse de courant maximale peut va
10. niveau de la mer et les courants convient de pr ciser qu il est d licat de mod liser un atoll de grande taille comme celui de Rangiroa en raison de sa g omorphologie L atoll est en effet bord par une pente escarp e Si l on veut r ussir simuler correctement la transformation des vagues dans la zone de d ferlement le choix d une r solution lev e s impose pour la pente r cifale Une m thode efficace consiste recourir un maillage flexible triangulaire pour le domaine de calcul de mani re tenir compte des diff rentes r solutions requises sur l ensemble du domaine tout en maintenant des temps de calcul raisonnables Aux fins de la pr sente tude c est le programme de mod lisation MIKE21 labor par DHI qui a t choisi car il permet d opter pour un maillage flexible et d associer un module d analyse spectrale de la houle un module hydrodynamique Aucune donn e oc anographique n avait t enregistr e Rangiroa durant le cyclone Orama Nisha La calibration du mod le a donc t r alis e sur la base des donn es recueillies lors de la campagne conduite pendant six mois de juillet d cembre 2012 acquisition des donn es oc anographiques d taill e dans un rapport technique compl mentaire Le domaine a ensuite t largi afin d y inclure la trajectoire du cyclone Pour ce faire on a ajout des mailles en p riph rie du domaine initial sans modifier la grille de maillage calibr e Enfi
11. 00 0091 00 0001 00 008 00001 2 00 000 CO co IL 2 lt E gt 2 c gt O gt TD O Ra D Q Q E E E gt O gt Le D O D O E e c E D TECHNIQUE 166 sed 1se u Jnepuojoud ep ANS eyusiN eweio np sjeyje sep e ep alpes suep eynpoud ejgixey e auf eun p 00 0009 00 0007 00 005 lt 00 000 00009 00 0001 00 005 00 001 00 O 000 RAPPORT TECHNIQUE 166 CO co O u Le KA ET Q gt O O gt TD Q EL Ra D 2 C gt O O D gt D D O EE O an TD O Q 2 O c 2 D D O O gt eosiooJd sed 1se u JnepuojoJud 17 ajjenbel ins ans sexe Hereu e auf eun p ejjeuuorsueuuipui z
12. 2013 ont ensuite t soumises dans le mod le calibr Le test de validation a t concluant le niveau d eau dans le lagon et la vitesse dans la passe de Tiputa obtenus par simulation sont en effet similaires aux donn es d observation avec une hausse du niveau d eau d environ 0 8 cm et une vitesse de courant maximale de 4 0 m s Figure 18 et Figure 19 RAPPORT TECHNIQUE PR166 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Obs ims Reefcrest 0 35m m s Reetcrest 0 15m m s Reefcwst 0 Om Obs Reef crest 0 35m m crest 0 35m jm Reef crest 0 15m m a 0 15m im Reel crest 0 pm 00m m U La U Reef Flat 00 00 00 00 12 00 00 00 2011 08 24 08 25 2011 08 25 08 26 Obs M Obs rm emm crest 0 35m m Reef crest 0 35m m Reet crest 0 15m m crest 0 15m m mv Reef crest 0 Gen m mm Reef cres 00m m NLagoon O Lagoon 00 00 00 00 00 00 2011 08 24 08 25 2011 08 24 Figure 17 Sensibilit de la hauteur de la cr te r cifale au niveau d eau quatre endroits du lagon Dans le sens des aiguilles d une montre partir du graphique en haut gauche lagon d Utoto platier r cifal d Utoto lagon d Otupipi et lagon nord RAPPORT TECHNIQUE PR166 18 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiro
13. RAPPORT TECHNIQUE 166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Figure 44 Repr sentation tridimensionnelle de la bathym trie d riv e Gros plan sur la bande Avatoru Tiputa perspective sud Figure 45 Repr sentation tridimensionnelle de la bathym trie d riv e du lagon de Rangiroa perspective RAPPORT TECHNIQUE 166 37 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague tropical Orama Nisha 1983 A Ae EN rd 7 1 f A RAPPORT TECHNIQUE PR166 SUIS eV el NSE 31278 TUES eV Gunu lt SE Ewe d ee e e m SPC CPS SECRETARIAT THE PACIFIC COMMUNITY SECR TARIAT G N RAL DE LA COMMUNAUT DU PACIFIQUE
14. diminu de facon quasi lin aire de 26 m s 4 m s en deux jours Une seiche ne peut se produire quand s applique un champ de vent s att nuant de mani re aussi progressive Cette diminution lin aire peu marqu e s explique par la fixation d une valeur constante de 47 km pour le rayon de vent maximum comme expliqu au point 5 Des modifications ont t apport es au mod le afin de pouvoir tudier les effets potentiels d une seiche dans le lagon ph nom ne qui serait caus par une diminution brutale du for age des vents Le mod le est donc pr sent uniquement forc par la mar e exclusion du forcage des vents et des vagues La valeur retenue pour l l vation initiale du plan d eau est prise vers le pic du cyclone l on enregistre une importante surcote due aux vents dans la partie orientale Figure 29 L encore on a extrait du mod le les donn es relatives l l vation du plan d eau pour les parties orientale et occidentale du lagon Figure 36 Les donn es font clairement apparaitre une oscillation verticale du niveau d eau tour de r le entre les deux c t s du lagon La p riode de cette oscillation est d environ 2 h 40 ce qui coincide avec la formule de Merian Par cons quent bien que la simulation ne fasse tat d aucun ph nom ne de seiche durant le cyclone Orama Nisha avec un rayon de vent maximum Rmw pr cis entrainant une diminution brutale du for age des vents une seiche pourrait selon toute
15. gauche du domaine XBeach coin nord ouest la houle du large atteint une hauteur significative de 5 7 m tandis qu proximit de Tiputa coin est elle n est que de 4 2 m la m me profondeur C t lagon la hauteur de houle maximale Hs max oscille entre 3 7 m et 4 8 m de l ouest l est du domaine L l vation de la surface libre varie de mani re moins marqu e le long des limites 6 1 Param trage du modele En raison des temps de calcul importants n cessaires l ex cution d un mod le XBeach sur un domaine d une telle grandeur la simulation a t ax e sur les conditions de houle et de niveau d eau au pic du ph nom ne Nous nous sommes pench s sur deux sc narios de houle un champ de houle du large pr sentant une hauteur significative de 5 8 m et une direction moyenne de 295 et un champ de houle g n r dans le lagon pr sentant une hauteur significative de 4 8 m et une direction moyenne de 255 Les conditions de houle susmentionn es ont t choisies par rapport au niveau d eau maximal Figure 30 Une valeur constante a t attribu e au niveau d eau dans le domaine respectivement 1 6 m et 0 6 m de hauteur pour le forcage des vagues dans le lagon et le forcage des vagues au large Un vent constant de 26 m s assorti d une direction de 258 est appliqu de facon uniforme dans le mod le Le mod le simule les conditions de houle cyclonique sur une p riode d une heure hors phase de mise en train
16. niveau 20 m 85 m et 250 m pour les zones de la pente r cifale aucun relev n avait t effectu RAPPORT TECHNIQUE PR166 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 18109 e1ejed eun a ejuauo opd ej suep 1neu pns ebere e 4 itt MA K EX ww 4 E LE ta 4 RS A 1 y EV pgs 4 15 DE a T ej ne 2 2 01 I RARE vs ARTE TO EE EE ASE SAVANT VA VENT Z NZ WS AZ LAA TD DA NIS YAKE NL k Viv ae ech A 1244 d LA 0000908 4 D gt CH OL j ww e dt 4 eee e KT Ports
17. ont t test s en faisant varier le nombre de couches cach es l importance relative et les biais Par ailleurs des donn es de sortie d une qualit l g rement sup rieure ont t obtenues en int grant outre la r flectance des trois bandes spectrales verte bleue et rouge la valeur de leurs pixels Le meilleur r seau a alors t appliqu au reste des donn es recueillies face la bande Avatoru Tiputa La r gression lin aire entre les donn es collect es et les donn es de sortie du donne un r sultat de 0 93 Figure 39 RAPPORT TECHNIQUE PR166 33 34 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 R square of regression 0 93907 Error variance 1 8232 20 10 Figure 39 R gression lin aire entre les donn es recueillies face la bande Avatoru Tiputa et la profondeur pr dite tir e du RNA Le trait bleu est la correspondance biunivoque parfaite 10 Error Histogram with 20 Bins lero Error Instances Figure 40 Histogramme des erreurs enregistr es entre le jeu 5 g S de donn es bathym triques wm sg m C 4 ai 7 Qo o oan recueillies face la bande Avatoru Tiputa et la bathym trie pr dite tir e du RNA Le trait errors vertical marron correspond la situation aucune err
18. t extraite de la mod lisation HD du cyclone Orama Nisha D apr s les observations sur le terrain et les simulations le d ferlement d ondes courtes sur une pente r cifale escarp e engendre des ondes longues infragravitaires Pomeroy et al sur le platier r cifal Les ondes infragravitaires en question g n r es par le m canisme de for age au point de d ferlement Simmons se dissipent pour la plupart une fois qu elles se propagent sur le platier r cifal en raison du frottement avec le fond un rythme toutefois inf rieur aux ondes courtes Les tudes ont donc conclu la dominance des ondes infragravitaires dans le lagon en arri re du r cif Lors du cyclone Orama Nisha de grandes vagues ont d ferl sur la pente r cifale sud Compte tenu de la surcote provoqu e par les vagues et la mar e de temp te le niveau d eau sur le platier r cifal tait lev gt 2 m ce qui a d limiter la dissipation des ondes infragravitaires par frottement avec le fond Par cons quent des ondes de basse fr quence ont certainement p n tr dans le lagon et se sont d plac es en direction du nord vers Avatoru Tiputa En termes d oscillations le lagon de Rangiroa pourrait donc pr senter des caract ristiques similaires celles d un bassin semi ferm si des ondes longues infragravitaires s introduisaient dans le lagon depuis le r cif sud Pour un bassin rectangulaire semi ferm les p riodes d oscillation sont calcul es de la m
19. CHNIQUE 166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 2 M THODOLOGIE tudier les caract ristiques hydrodynamiques et le risque de submersion associ s un cyclone violent frappant de Rangiroa n cessite de bien appr hender les forces dominantes et les m canismes l oeuvre durant un tel ph nom ne Afin d valuer le risque de submersion marine on classe les tats de mer caract ristiques des pisodes cycloniques en deux cat gories e Onde de temp te l vation du niveau de la mer r sultant d une modification de la pression atmosph rique et de la surcote due aux vents de temp te vague provoqu e par la pression des vents cycloniques se propageant sur la surface de la mer De plus durant un pisode de ce type pr sentant des vents violents et une forte houle on s attend ce que les ph nom nes ci apr s surviennent e Vitesse lev e des courants de surface Ensachage important du lagon e Forte surcote due aux vents dans le lagon Les mar es ne devraient quant elles jouer qu un r le secondaire en modulant le niveau de la mer au large Un module hydrodynamique coupl une analyse spectrale de la houle a t retenu en vue de mod liser les m canismes susmentionn s notamment la g n ration des vagues et l onde de temp te ainsi que les interactions entre les vagues le
20. EXE D RIV E L IMAGE SATELLITE THEOS rte nnne nennen 33 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 R SUM Dans le cadre du projet financ par l Union europ enne UE Soutien la r duction des risques de catastrophes dans les Pays et lerritoires d outre mer du Pacifique le gouvernement de la Polyn sie francaise a demand la Division g osciences et technologies appliqu es du Secr tariat g n ral de la Communaut du Pacifique CPS d tudier l impact du cyclone Orama Nisha survenu en 1983 sur l atoll de Rangiroa Un mod le num rique couplant les vagues et les courants a tout d abord t mis au point gr ce la suite logicielle MIKE21 t calibr l aide de donn es oc anographiques recueillies au cours d une campagne men e sur le terrain pendant six mois voir rapport compl mentaire d taillant l acquisition des donn es oc anographiques Les conditions m t orologiques associ es au cyclone Orama Nisha ont ensuite t utilis es pour forcer le mod le Lors du cyclone Orama Nisha d apr s le modele une vague de 5 8 m a t g n r e c t oc an face Avatoru Dans la partie m ridionale de Rangiroa une vague plus importante hauteur de houle significative Hs 8 9 m a cr une forte surcote au niveau du r cif sud entre 1 5 m et 2 m environ Au la
21. F 988 992 984 988 980 984 976 980 972 976 968 972 964 968 960 964 956 960 952 956 948 952 88 Below 948 Figure 22 Image Google Earth superpos e sur un clich repr sentant le champ de pression engendr par le cyclone Orama Nisha et la trajectoire du cyclone ligne noire avec pr cision des valeurs de pression au centre provenant de la base de donn es IBTrACS RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Le mod le permet d obtenir des informations sur l incidence des for ages atmosph riques vent et pression engendr s par le cyclone Orama Nisha sur les eaux du lagon et de l oc an Au fur et mesure que le cyclone s intensifie la vitesse de rotation des vents s accroit et donne lieu de plus grandes vagues D apr s la simulation les hauteurs de houle significatives maximales Hs g n r es face Avatoru et au large du sud approchent respectivement 5 8 m et 9 0 m Figure 23 et Figure 24 En raison de l tendue de l atoll de Rangiroa la houle engendr e dans le lagon atteint une hauteur significative maximale de 6 0 m dans la partie orientale En face d Avatoru et de Tiputa les hauteurs maximales calcul es par le mod le s l vent 3 5 m et 4 8 m respectivement De plus le champ de houle mod lis indique qu une vague de Hs 12 m frappe d A
22. L 00 0009 00 000 00 0052 00 000 000061 000001 00005 00001 li 000 lt Il 000 Il e O L i 62 O O gt gt O gt O TD a Q O Wei D TD 5 C gt TD TD gt ac D TD O C CC Ke O 5 O 42 O E e D TD O gt RAPPORT TECHNIQUE PR166 eesiogJd sed eau ans avait e eun p EL 00 0005 00 00 005 lt 00 000 00 008 TECHNIQUE 166 00 000 00 005 Co co O L Le KA ET Q gt O O gt TD EL Ra D 2 C gt O O D gt D D O O O Q 2 O C C 2 D O bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague tropical Orama Nisha 1983 4 CALIBRATION 4 1 Recueil de donn es oc anographiques Pendant six mois une quipe compos e d agents de la Divisio
23. a mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 U Reef Flat 0 5 0 0 00 00 00 00 00 00 00 00 2011 08 27 08 28 2011 08 27 08 28 m Model Lagoon 100 100 0 80 0 80 0 60 0 60 0 40 00 00 00 00 2011 08 27 2011 08 27 Figure 18 Validation du mod le l aide du niveau d eau observ dans le lagon durant l pisode de houle de sud Hs 4 0 m Dans le sens des aiguilles d une montre partir du graphique en haut gauche lagon d Utoto platier r cifal d Utoto lagon d Otupipi et lagon nord 18 00 2011 08 27 Figure 19 Validation du mod le l aide de la vitesse de courant observ e dans la passe de Tiputa durant l pisode de houle de sud Hs 4 0 m Les observations sont indiqu es en noir et les r sultats du mod le en rouge L unit de mesure est le m tre par seconde RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 o APPLICATION CYCLONE ORAMA NISHA Le jeu de param tres calibr a t appliqu afin de mod liser le cyclone Orama Nisha Le domaine a t largi de la mani re d taill e au point 3 3 Aux limites on a forc les donn es de mar e extraites de FES2012 un mod le de mar e international r cent Les donn es tir es du mod le FES2012 coincident avec les
24. al de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 OFFSHORE Figure 30 Donn es relatives la houle Hs et l l vation de la 2 surface libre extraites du mod le de vague coupl Les donn es sont extraites aux quatre coins du domaine XBeach les sites d extraction autour d Avatoru sont indiqu s sur l image N 8 en haut droite Le graphique en haut gauche pr sente la hauteur de houle du LAN large Hs et l l vation de la surface libre au large Le graphique E bas gauche indique la hauteur de houle dans le lagon Hs et im l l vation du plan d eau dans le lagon Sur les deux graphiques Sp le point le plus l ouest est pr sent sous la forme d un trait continu tandis que la s rie chronologique correspondant au point le plus l est est repr sent e par une ligne en pointill s Figure 31 Submersions marines engendr es par une houle simul e d une hauteur de 4 8 m dans le lagon de secteur sud ouest 255 et avec une surcote de 1 7 m La carte indique la profondeur d eau tous les points de la grille ou les terres pr sentent une altitude sup rieure 1 m RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Figure 32 Submersions marines engendr es par une houle simul e de 3 5 m dans le lagon de secteur su
25. ani re inclure un champ de houle du sud pour lequel le ph nom ne d ensachage est particuli rement marqu en raison de l absence quasi totale d ilots au niveau du r cif Se concentrer sur un champ de vagues pr cis permet de r duire les temps de calcul car on restreint la discr tisation directionnelle Nous avons opt pour neuf faisceaux avec une ouverture angulaire de 90 270 Puisque nous nous int ressons la houle et aux vagues locales induites par le vent la discr tisation spectrale a t d finie sur 25 faisceaux pr sentant une fr quence minimale de 0 055 Hz et un facteur de fr quence de 1 1 Bien que les ondes infragravitaires rev tent une importance consid rable dans la mod lisation de la transformation des vagues sur des pentes r cifales escarp es des mod les comme MIKE21 et SWAN n ont pas la capacit de prendre en compte ce param tre Les conditions du niveau d eau et des courants proviennent du mod le hydrodynamique et ont t actualis es en int grant syst matiquement chaque tape la contrainte de radiation Le niveau d eau devrait selon toute vraisemblance jouer un r le essentiel dans le mod le spectral de houle car il modulera le ph nom ne d ensachage sur l ensemble du platier r cifal sud Comme pour les transferts d nergie non lin aires entre les diff rentes composantes d onde nous avons opt pour des interactions entre quadruplets de fr quences de vagues par la m thode DIA Discre
26. ani re suivante L p cT 1 Pour le lagon de Rangiroa qui poss de une longueur transversale d environ 30 km proximit d Avatoru Tiputa ainsi qu une profondeur d peu pr s 30 m la p riode des oscillations libres est T 58min T 19 min T 2 3 8 2 7 La p riode des ondes infragravitaires serait de 25 s 250 s partir du mode 7 la p riode d oscillation libre correspond la gamme de fr quences des ondes infragravitaires En th orie une r sonance pourrait donc se produire suite au d ferlement d ondes courtes sur la pente r cifale sud qui entrainerait la propagation d ondes infragravitaires dans le lagon RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 CONCLUSION Dans le cadre de la pr sente tude de mod lisation nous nous sommes appuy s sur les donn es topographiques et bathym triques recueillies par G oPolyn sie ainsi que sur les donn es oc anographiques rassembl es Rangiroa par la Division SOPAC de la CPS en collaboration avec le gouvernement de la Polyn sie fran aise Un mod le bidimensionnel MIKE21 de Rangiroa associant les courants et les vagues t calibr Le champ de vent et de pression associ au cyclone Orama Nisha a t g n r l aide du mod le param trique de Young et Sobey Nous avons alors forc dans le modele coupl
27. cr te r cifale pr sente une hauteur de 0 0 m l ensachage est trop violent ce qui fait que le niveau d eau dans le lagon est trop lev Figure 17 et que le courant de flot disparait l int rieur de la passe de Tiputa Avec une hauteur de 0 15 m le mod le r ussit d crire avec pr cision l quilibre entre les for ages l int rieur de la passe de Tiputa vitesse de courant de flux et de reflux et obtient des r sultats qui rejoignent les donn es d observation Pour ce qui est du niveau d eau mar e haute durant l pisode de houle de sud les donn es de sortie correspondent aux relev s effectu s En revanche le niveau d eau mar e basse est nettement inf rieur 10 celui observ La mer se retire du lagon principalement travers les passes d Avatoru et de Tiputa Dans la passe de Tiputa les r sultats de la simulation concordent avec la vitesse de courant Comme le profileur mouill dans la passe d Avatoru a t d rob aucune v rification n a t possible Le r sultat le plus satisfaisant a t obtenu avec une valeur gamma haute 5 0 une valeur alpha basse 0 2 et une carte de rugosit de Nikuradse constante 0 04 la Figure 16 et la Figure 17 les donn es de sortie pour lesquelles le meilleur jeu de param tres a t d fini sont compar es aux donn es d observation Les donn es correspondant au pic enregistr lors de l pisode de houle de sud Hs 4 0 m du 27 08 2013 au 29 08
28. d ouest 255 et avec une surcote de 1 7 m La carte indique la profondeur d eau tous les points de la grille o les terres pr sentent une altitude sup rieure 1 m Figure 33 Mod lisation tridimensionnelle dans XBeach de l impact d un champ de houle du large de 5 8 m Aucune submersion n est constat e d apr s la simulation On a fait pivoter l image d environ 90 ce qui fait que la passe d Avatoru appara t en bas la passe de Tiputa en haut le lagon droite et l oc an gauche RAPPORT TECHNIQUE PR166 27 28 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 6 3 R sonance dans le lagon existe deux types de r sonance les seiches dans un bassin ferm et les seiches dans bassin semi ferm aussi appel es r sonances portuaires Les seiches sont des ondes stationnaires de longue p riode dans un bassin ferm ou une partie isol e d un bassin Rabinovish 1993 Les p riodes de r sonance des seiches aussi connues sous le nom de p riodes propres sont fonction de la g om trie d un bassin et de sa profondeur Les for ages externes vent pression barom trique influent toutefois de mani re consid rable sur l amplitude d une seiche La r sonance se produit lorsque les fr quences dominantes des for ages externes coincident avec les fr quences propres du bassin Les r sonances portua
29. de houle du large n a eu qu un effet tr s limit sur l ilot habit RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 1 INTRODUCTION Rangiroa est le deuxi me plus grand atoll au monde et le centre urbain de l archipel des Tuamotu Deux de ses lots situ s la pointe nord sont habit s en permanence et rassemblent quelque 2 500 habitants Cet atoll de forme elliptique s tend sur environ 80 km de longueur et entre 5 et 32 km de largeur renferme un lagon peu pr s 1 450 km Le lagon est reli l oc an par deux passes principales la passe de Tiputa et la passe d Avatoru au nord de l atoll La jonction entre le lagon et l oc an se fait galement par le biais de nombreux hoa des chenaux troits situ s sur la ceinture de atoll de m me que via le platier r cifal lorsque celui ci est submerg par des vagues Durant la saison cyclonique 1982 1983 plusieurs cyclones intenses ont frapp l atoll de Rangiroa Lisa Nano Orama Veena et William Bien qu une fr quence aussi lev e reste tout fait exceptionnelle ces ph nom nes ont mis en vidence la n cessit de renforcer la pr paration et la sensibilisation aux situations d urgence Dans le cadre du projet financ par l UE Soutien la r duction des risques de catastrophes dans les Pays et Territoires d outre mer du Pacifique le gouvernement d
30. donn es recueillies par le capteur de pression sur la pente r cifale en face d Avatoru Figure 20 Par ailleurs la friction du vent ou coefficient de tra n e a t affin e de fa on tenir compte de la vitesse lev e des vents induits par le cyclone Une hausse lin aire a t d finie pour la friction du vent Le coefficient de tra n e augmente de mani re lin aire de 0 001255 0 002 pour des vents allant de 7 25 m s Figure 20 Comparaison entre les donn es de mar e observ es proximit d Avatoru en bleu et les donn es de mar e extraites du mod le FES2012 en rouge Hauteur en m tres 5 1 Production de s ries chronologiques bidimensionnelles du champ de vent et du champ de pression associ s au cyclone Orama Nisha Les donn es relatives au cyclone proviennent de la base International Best Track Archive Stewardship IBTrACS Le champ de vent et de pression g n r par le cyclone a t calcul l aide du mod le param trique de Young et Sobey 1981 Le mod le param trique en question d termine le champ de pression et de vent cyclonique partir de trois param tres d entr e K le rayon de vent maximum V oss la vitesse de vent maximale et x la pression au centre du cyclone La base de donn es IBTrACS ne contient aucune information sur le rayon de vent maximum du cyclone Orama Nisha Nous avons donc utilis une valeur classique 47 km chaque pas de temps Les donn es de so
31. e la Polyn sie fran aise a demand la Division SOPAC de la CPS d tudier les incidences du cyclone Orama Nisha survenu 1983 sur de Rangiroa Un mod le num rique a t mis au point afin d am liorer la compr hension de l tat de mer dans le lagon lors d un cyclone il a permis d obtenir des donn es extr mement int ressantes qui devraient appuyer les actions de sensibilisation de la population Par ailleurs le mod le bidimensionnel tabli pour Rangiroa pourra tre consult lors de l laboration de projets de gestion du littoral dans le lagon de Rangiroa La Division SOPAC de la CPS en collaboration avec le gouvernement de la Polyn sie fran aise et avec le concours de G oPolyn sie une soci t locale men pendant six mois une vaste campagne d acquisitions de donn es Rangiroa Divers types de donn es ont t recueillies donn es monofaisceaux et multifaisceaux donn es GPS RTK c est dire obtenues l aide d un GPS cin matique en temps r el et donn es oc anographiques Les donn es en question ont servi r aliser des simulations relatives l atoll en couplant un mod le spectral de vague avec un mod le de courant l aide du logiciel MIKE 21 d velopp par DHI Apr s calibration les conditions connues du cyclone Orama Nisha ont t forc es dans le mod le base de donn es IBTrACS International Best Track Archive for Climate otewardship www ncdc noaa gov ibtracs RAPPORT TE
32. et technologies appliqu es en collaboration avec le Service de l urbanisme de la Polyn sie francaise TABLE DES MATI RES Sie 2 ee 3 lt c 4 2 1 Mod le coupl module hydrodynamique et analyse spectrale de la houle maillage flexible MIKE21 de DHI 4 2 2 Mod eA BE eG 3 DOMAINE MAILLAGEELESIBLE sss 6 Domame cellis e Omm 6 3 2 Donn es dispers es et 6 3 8 Ettel 9 mec 14 4 1 Recueil de donn es oc anographiques sss 14 4 2 Observations relatives au param trage la calibration et la sensibilit du mode le 15 5 APPLICATION CYCLONE ORAMANIGHA nnnm nennen nnn nnn nnns 19 5 1 Production de s ries chronologiques bidimensionnelles du champ de vent et du champ de pression associ s au cyclone 19 LES TOT mcm 21 6 MOD LISATION DES SUBMERSIONS MARINES DANS SDBEACH 25 Param trage E 25 ee 25 6 3 R sonance dans l IAGO Te 28 MERC te BE 31 c PR NT URS 32 gt 33 ANN
33. eur Le RNA ensuite t appliqu l ensemble des pixels dans la zone peu profonde du lagon De plus les donn es bathym triques extraites pour la partie dissimul e par des nuages nord est du lagon ont t retir es La Figure 41 et la Figure 45 pr sentent les donn es bathym triques obtenues En vue d am liorer encore la bathym trie pr dite on s est employ int grer dans les param tres d entr e du r seau le type de fond associ chaque pixel Toutefois utiliser une classification non supervis e par la m thode des k moyennes entraine des erreurs qui se r percutent dans les donn es de sortie du r seau D autres m thodes seront prochainement mises l essai RAPPORT TECHNIQUE PR166 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague tropical Orama Nisha 1983 Repr sentation tridimensionnelle de la bathym trie d riv e du lagon de Rangiroa Profondeur en m tres du moins profond en mauve au plus profond en vert Figure 41 RAPPORT TECHNIQUE PR1 66 35 36 bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Figure 42 Repr sentation tridimensionnelle de la bathym trie d riv e dans la partie orientale du lagon Figure 43 Repr sentation tridimensionnelle de la bathym trie d riv e du lagon de Rangiroa perspective nord est
34. gressivement r duit la r solution jusqu un maximum de 2 km Diff rentes perspectives du maillage flexible sont repr sent es ci apr s Figure 1 Figure 2 Figure 3 et Figure 4 3 2 Donn es dispers es et interpolation Plusieurs sources de donn es ont t utilis es afin d tablir la bathym trie du domaine Donn es multifaisceaux Figure 15 Donn es monofaisceaux le long de la bande Avatoru Tiputa dont le trac est indiqu la Figure 7 Donn es RTK au niveau du platier r cifal Le transect est visible la Figure 7 Donn es bathym triques d origine satellitaire pour les eaux peu profondes et les patates coralliennes qui apparaissent clairement la Figure 7 Donn es bathym triques moins pr cises tir es de Sandwell pour le large Les donn es multifaisceaux n ont pas t recueillies sur l ensemble de la pente r cifale voir rapport technique La zone de couverture correspondante est repr sent e la Figure 15 En vue de d terminer la bathym trie des parties non tudi es sur la pente r cifale on a calcul la distance moyenne entre la cr te r cifale et trois courbes de niveau 20 m 85 m et 250 m pour le jeu de donn es multifaisceaux La cr te r cifale a ensuite t num ris e l aide d une polyligne On a appliqu la polyligne une zone tampon gale la distance moyenne de chacune des trois courbes Les polylignes ainsi obtenues ont t utilis es comme courbes de
35. ifier les donn es RTK et am liorer l interpolation En vue d interpoler les donn es dispers es sur le maillage flexible on a tabli des lignes d arr t et d fini des zones prioritaires de mani re locale et g n rale Deux lignes d arr t ont t fix es e r cifale e l extr mit sup rieure de la pente entre le lagon et la zone intertidale dans le sud Une fois les donn es dispers es hi rarchis es de mani re g n rale les donn es multifaisceaux les donn es RTK les donn es monofaisceaux et les donn es bathym triques d origine satellitaire pr sentent une importance r duite Cependant des r gles de priorisation ont galement t fix es au niveau local notamment en ce qui concerne les patates de corail pour lesquelles les donn es recueillies par satellite sont cruciales Nous avons utilis la m thode de Sibson interpolation par voisins naturels ce qui a permis d extrapoler au del de l enveloppe convexe des donn es dispers es surface de d limitation 1 000 96 Les r sultats de l interpolation sont fournis la Figure 9 3 3 largissement du domaine Au vu de l tendue du domaine requis pour la mod lisation du cyclone Orama Nisha le domaine initial ax sur Rangiroa ci apr s domaine 1 a tre largi de maniere notable afin d y int grer la trajectoire du cyclone et la propagation de la houle cyclonique Comme la calibration avait t r alis e pou
36. ires ou s ches c ti res correspondent un type particulier de mouvements de seiche survenant dans des bassins partiellement ferm s La plupart du temps ces ph nom nes sont provoqu s par des ondes longues p n trant par l ouverture du bassin Parmi les principales propri t s des r sonances portuaires figure le fait que des mouvements verticaux m me relativement restreints peuvent s accompagner du d placement de masses d eau consid rables l horizontale Le lagon d un atoll tel que celui de Rangiroa qui est entour par une ceinture intertidale ne comportant que deux ouvertures troites peut pr senter des caract ristiques similaires celles d un bassin ferm pour ce qui est de la formation de seiches Bassin ferm Bassin semi ferm 1 gt e s p gt 5555555 M 553334 Figure 34 Profil de la surface pour les quatre premi res p riodes de seiches dans un bassin rectangulaire ferm gauche et semi ferm droite de m me profondeur Rabinovich 2009 ressort de la simulation r alis e pour le cyclone Orama Nisha que les vents g n rent un fort gradient du niveau d eau de l ouest l est du lagon Figure 28 d une hauteur de 1 3 m 2 1 m environ Lorsque les vents mollissent sous l effet de la gravit les eaux du lagon retrouvent leur quilibre hydrostatique savoir un plan d eau horizontal Sous l action de la gravit la masse d eau oscillerait d
37. iroa se compose de nombreux lots s par s par d troits chenaux intertidaux En revanche le r cif sud comporte un nombre tr s limit d llots ce qui entra ne des changes hydrologiques consid rables entre l oc an et le lagon Au nord la plupart des flots ont t r unis afin de simplifier le domaine De plus nous n avons pas tenu compte des chenaux intertidaux troits entre les lots dont la bathym trie complexe n a pas t tudi e ce qui a permis d viter de cr er des mailles tr s fines et partant de limiter les temps de calcul Quatre ouvertures seulement situ es au nord ont t prises en consid ration les deux passes profondes de Tiputa et d Avatoru et deux passes peu profondes mais relativement larges au nord est 550 m et 1 km La r solution du domaine varie selon les zones La pente r cifale la cr te r cifale et les passes de Tiputa et d Avatoru sont d limit es par des mailles triangulaires contraintes sur une superficie maximale de 2 000 Pour le platier sud la r solution du maillage ne d passe pas 10 000 m Dans le lagon la vaste tendue d eau peu profonde le long du littoral pr sente une r solution de 60 000 m2 tant donn que l eau est assez profonde au milieu du lagon plus de 30 la r solution maximale a t fix e 250 000 m La r solution du maillage a toutefois t affin e autour des principales patates de corail Enfin partir de 200 m de profondeur on a pro
38. n un mod le XBeach a t tabli en vue de d terminer le risque de submersion sur la bande Avatoru Tiputa Les conditions de la houle et du niveau d eau ont t tir es du mod le coupl et ont servi de param tres d entr e dans XBeach tant donn qu une seule condition aux limites pouvait tre int gr e dans XBeach pour ce qui est de la houle des mod les distincts ont t tablis pour la submersion c t lagon et c t oc an 2 1 Mod le coupl module hydrodynamique et analyse spectrale de la houle maillage flexible MIKE21 de DHI Le mod le coupl MIKE21 maillage flexible est un systeme dynamique compos de sept modules notamment le module hydrodynamique et le module d analyse spectrale de la houle Le module hydrodynamique et le module d analyse spectrale de la houle sont combin s ou coupl s afin de simuler de mani re dynamique les interactions entre les vagues et les courants Con u en deux dimensions le module hydrodynamique repose sur les quations de Saint Venant Il permet notamment de d terminer les l ments suivants Submersion et exondation afin de mod liser de facon pr cise l hydrodynamique du platier r cifal sur l ensemble de atoll e Gradients de pression barom trique et cisaillement du vent de mani re simuler la mar e de temp te e Contrainte de radiation afin de prendre en consid ration l ensachage du lagon RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl
39. n SOPAC de la CPS et du gouvernement de la Polyn sie fran aise a conduit une campagne d acquisition de donn es sur l atoll de Rangiroa Durant la campagne des donn es bathym triques multifaisceaux Figure 15 et des donn es oc anographiques ont t recueilies Figure 14 Des pr cisions sur les donn es collect es sont fournies dans les deux rapports compl mentaires portant sur les lev s bathym triques multifaisceaux et sur l acquisition des donn es Les donn es oc anographiques recueillies ont servi la calibration du mod le Figure 14 Carte spatiale IKONOS 2002 de Rangiroa indiquant les sites de mouillage des instruments oc anographiques Se r f rer au rapport compl mentaire pour obtenir des informations d taill es sur l acquisition des donn es oc anographiques L GENDE IM o li Figure 15 Carte repr sentant la couverture des lev s Les traits rouges correspondent aux lev s multifaisceaux dans le lagon La ligne bleue repr sente les lev s multifaisceaux effectu s sur la pente r cifale externe Couverture sondeur multifaisceaux int rieur lagon Couverture sondeur multifaisceaux ext rieur lagon 14 RAPPORT TECHNIQUE 166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 4 2 Observations relatives au param trage la calibration et la sensibilit du mod le C
40. naa Figure 27 ce qui correspond aux informations recueillies sur le cyclone projet Hs m Above 12 0 112 120 104 112 95 104 BB 96 BO BB 72 80 64 72 56 64 48 56 40 48 32 40 24 32 16 24 08 16 Below 08 Figure 23 Simulation du champ de houle Hs g n r par le cyclone Orama Nisha L image correspond au pas de temps pr sentant les hauteurs de houle significatives maximales aux alentours de Rangiroa Figure 24 Gros plan tir de la simulation du champ de houle Hs g n r par le cyclone Orama Nisha RAPPORT TECHNIQUE 166 21 22 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Au pic du cyclone l hydrodynamique dans le lagon est influenc e par plusieurs forces Provoqu par une houle de 9 m hauteur significative dans la zone du r cif sud l ensachage entra ne une hausse rapide du niveau d eau dans le lagon La diff rence entre le niveau d eau dans le lagon et l oc an est alors sup rieure 1 5 m Figure 26 Ce gradient hydrostatique influe sur l coulement unidirectionnel sortant dans les deux passes La vitesse de courant maximale simul e au centre de la passe de Tiputa s l ve 6 m s environ Elle culmine plus de 10 m s certains endroits plus proches du littoral La contrainte du vent cr e une surcote importante dans le lagon en direction de l est Figure 28 Au pic du cycl
41. od le bathym trique r aliste du lagon des donn es compl mentaires taient cependant requises soit pour les endroits auxquels le bateau sur lequel tait install l chosondeur multifaisceaux n a pas pu acc der soit tout simplement pour les zones o les lev s n ont pas pu tre r alis s en raison des conditions m t orologiques En vue de combler les lacunes dans le jeu de donn es bathym triques l quipe a fait l acquisition d une image satellite enregistr e par THEOS Figure 37 et s est employ e en extraire la bathym trie des eaux peu profondes Figure 37 Image satellite de Rangiroa enregistr e par THEOS L image a t trait e de mani re transformer en valeurs de r flectance les valeurs associ es chaque pixel de chaque bande Les r flectances ont ensuite servi de donn es d entr e dans un r seau de neurones artificiels RNA de la mani re indiqu e la Figure 38 Donn es Couche cach e Couche de sortie Donnees d entr e de sortie Figure 38 R seau de neurones artificiels prouv qui a t utilis au cours de l extraction des donn es bathym triques De gauche droite input donn es d entr e hidden couche cach e output couche de sortie et output donn es de sortie Le a t prouv et valid l aide d un chantillon de donn es monofaisceaux et multifaisceaux recueillies dans le lagon en face de la bande Avatoru Tiputa De nombreux jeux diff rents
42. ompte tenu du temps n cessaire pour ex cuter un mod le coupl dans un domaine pr sentant plus de 100 000 l ments il n tait pas envisageable d adopter une proc dure de calibration aussi compl te que celle d crite dans le rapport technique compl mentaire sur la mod lisation par XBeach de l impact de la houle Nous avons donc opt pour une approche plus pragmatique fond e sur l exp rience et sur la litt rature scientifique Pour ce qui est du module hydrodynamique les for ages pris en compte dans le mod le sont les suivants e rugosit du fond e des vents e forcage des vagues par le biais de la contrainte de radiation calcul e dans le module d analyse spectrale de la houle e viscosit turbulente e de mar e e force de Coriolis Aux fins de la calibration la rugosit du fond et la friction du vent ont t utilis es Nous nous sommes servis de la viscosit turbulente d termin e gr ce la formulation de Smagorinsky avec une valeur constante de 0 28 valeur par d faut Les donn es enregistr es au moyen d un capteur de pression sur la pente r cifale ont t employ es pour forcer les conditions de mar e aux quatre limites Les vents extraits d un mod le de vagues WaveWatch de la Polyn sie fran aise Ardhuin IFREMER ont servi de donn es d entr e dans le mod le Le choix des formulations pouvant tre utilis es dans un mod le spectral de vague est rest
43. onc autour de son point d quilibre hydrostatique jusqu ce qu elle perde son nergie par dissipation Ce ph nom ne est connu sous le nom de seiche uninodale oscillation fondamentale et se caract rise par la plus longue p riode de seiche possible Si ce type de seiches se produisait dans le lagon de Rangiroa le niveau d eau serait alternativement haut et bas dans les parties occidentale et orientale du lagon RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Lorsque la masse d eau se trouve dans un bassin rectangulaire ferm la seiche peut tre estim e l aide de la formule bien connue de Merian Raichlen 1966 Rabinovich 1993 2 L T Era L d signe la longueur du bassin et sa profondeur Lorsque l on a un profil bathym trique parabolique la p riode fondamentale de seiche devient T 1 110 Dans le lagon de Rangiroa L 80 km et H 30 m les valeurs approximatives de la p riode de seiche sont donc les suivantes T 2 h 35 forme rectangulaire et T 2 h 52 forme parabolique Le niveau d eau des deux c t s du lagon partie orientale et partie occidentale a t extrait du mod le Figure 30 D apr s la simulation aucune seiche n a t g n r e Rangiroa pendant le cyclone Orama Nisha Lorsque le cyclone a poursuivi sa progression plus au sud de l atoll la vitesse du vent a
44. one le mod le fait ainsi tat d un cart de 0 8 m entre le niveau d eau dans la partie occidentale et la partie orientale du lagon Surface elevabon rm water level im emm West East Section 0 10 0 20 02 26 83 01 40 00 000 Figure 25 Coupe transversale ouest est du lagon de Rangiroa zone grise repr sentant la simulation du gradient d l vation du plan d eau induite par les vents courbe bleue La vitesse de courant dans le lagon au pic du cyclone est illustr e la Figure 29 Dans la partie occidentale on observe un courant dominant en direction du nord d la contrainte de radiation sur le r cif sud et au gradient d l vation du plan d eau Le gradient hydrostatique qui d coule de la diff rence de niveau entre l oc an et le lagon joue sur les flux dans la passe avec un coulement permanent hors du lagon au pic du cyclone Le long du littoral sud et nord o les eaux sont suffisamment peu profondes la circulation est largement domin e par la contrainte du vent ce qui g n re un courant en direction de l est La surcote importante due aux vents qui poussent l eau vers la partie orientale cr e son tour un gradient hydrostatique tandis que la gravit engendre un courant en direction de l ouest vers le milieu du lagon RAPPORT TECHNIQUE PR166 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Sign Wave Height m
45. probabilit se produire dans le lagon Toutefois l amplitude de l oscillation serait relativement faible et d croitrait rapidement principalement en raison des ouvertures dans le lagon sur le r cif ou via les passes Surface elevaton West m Wind speed Lagoon m s Surface elevation East m 18 24 16 d lt 20 13 18 L X 16 10 14 0 8 12 06 0 8 04 6 0 2 4 C PIS AAA DRE n PRA I DA DEE man AAS D VE MS MERS OT a 12 00 00 00 12 00 00 00 12 00 00 00 1983 02 25 02 26 02 27 02 2 Figure 35 S rie chronologique de l l vation du plan d eau dans les parties orientale en rouge et occidentale en bleu du lagon Rangiroa donn es extraites du mod le La vitesse du vent dans le centre du lagon est indiqu e en ordonn e droite courbe verte RAPPORT TECHNIQUE PR166 29 bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Surface elevation East m Surface elevation West m 00 00 010 0200 7 03 00 7 04 00 1983 02 26 Figure 36 l vation du plan d eau dans les parties orientale en rouge et occidentale en bleu du lagon de Rangiroa donn es extraites d une simulation ne tenant pas compte du forcage des vents et des vagues L l vation initiale du plan d eau retenue dans la pr sente simulation a
46. r le domaine 1 on s est employ conserver tel quel le maillage triangulaire lors de l extension du domaine Les dimensions du domaine ont ainsi t modifi es 6 degr s de latitude de 18 5 12 5 et 6 5 degr s de longitude de 149 5 143 Le domaine comprend pr sent 89 811 noeuds et 174 646 triangles La r solution des mailles triangulaires ajout es autour de la grille existante est moins pr cise avec une surface autoris e maximale de 0 0008 degr carr par l ment environ 5 km2 Les autres atolls pris en compte ont t num ris s et repr sent s dans le domaine sous la forme de trous Enfin alors que la profondeur de chaque noeud du domaine 1 a t conserv e celle des noeuds p riph riques a t d finie par interpolation des donn es bathym triques de Sandwell l aide d un sch ma lin aire Aux quatre limites du domaine les donn es dispers es ont t remplac es par une valeur constante de 4 000 m de profondeur de mani re renforcer la stabilit du mod le La repr sentation tridimensionnelle de la bathym trie obtenue est visible la Figure 10 RAPPORT TECHNIQUE 166 ue JnepuojoJg 01 ANS eusiN eujeJQ 8U0 9 9 1 sep e ep eJpeo np e ep ejjeuuorsueuuipu OL 00 000S 00 000p 00 009 00 0007
47. reint Formulation spectrale Les deux types de formulations spectrales ont t test s la formulation enti rement spectrale et la formulation param trique d couplage directionnel Bien que cette derni re requi re des temps de calcul nettement plus r duits elle ne r pond pas aux besoins de la pr sente tude En effet elle ne permet de mod liser que de mani re impr cise la transformation des vagues une chelle assez large et ou des applications pour lesquelles une mer form e compl tement d velopp e ne repr sente pas l tat dominant C est donc la formulation enti rement spectrale qui a t retenue car elle simule de mani re plus efficace la croissance la d croissance et la transformation des vagues dues au vent ce qui joue un r le d terminant dans la mod lisation de la houle cyclonique Formulation temporelle Le module d analyse spectrale de la houle labor par DHI comporte deux types de formulation temporelle une formulation quasi stationnaire et une formulation instationnaire La formulation quasi stationnaire n cessite en g n ral des temps de calcul moins importants Elle se limite n anmoins aux applications pour lesquelles le forcage volue lentement dans le temps et dans l espace ce qui ne correspond pas vraiment aux caract ristiques d une houle induite par des vents cycloniques C est pourquoi nous avons opt pour la formulation instationnaire La p riode de calibration a t choisie de m
48. rge d Avatoru sous l effet combin de la mar e et de la pression atmosph rique la surcote a atteint O 7 m Dans le lagon sous l influence de la mar e de l ensachage de la pression atmosph rique et de la contrainte du vent le niveau d eau s est lev de 1 7 m par rapport au niveau moyen de la mer Au pic du cyclone le vent soufflait plus de 26 m s au dessus du lagon en direction de l est cr ant ainsi un fort gradient d l vation du plan d eau peu pr s 80 cm avec une l vation de la surface libre d environ 1 3 m dans la partie occidentale et de plus de 2 1 m dans la partie orientale Le forcage des vents s est att nu au fur et mesure que le cyclone se d placait vers le sud de Rangiroa sans toutefois provoquer de ph nom ne de seiche d apr s les simulations Cependant tant donn qu une valeur constante pour le rayon de vent maximum 47 km a t utilis e chaque stade du cyclone on a obtenu une diminution peu marqu e et quasi lin aire du for age des vents rendant impossible la survenue d une seiche Enfin les conditions de pic du cyclone aux alentours de la zone habit e ont t extraites et utilis es comme conditions aux limites dans le mod le XBeach en vue d valuer de mani re approximative la submersion engendr e par le ph nom ne Le mod le XBeach a montr que la submersion s tait uniquement produite dans le lagon ce qui coincide avec l unique t moignage recueilli par nos soins Le champ
49. rier de mani re sensible lt 0 4 m s Le d ferlement d une forte houle de sud sur le r cif au sud entraine une hausse notable du niveau d eau dans le lagon En cons quence un gradient d l vation du plan d eau gradient hydrostatique se cr e du r cif sud jusqu l entr e de la passe de Tiputa Sous l effet de la gravit le courant g n r de haut partie sud en bas entr e de la passe de Tiputa du gradient peut soit renforcer l coulement de l eau hors du lagon si la mar e est descendante soit entrer en opposition avec le courant de flot l int rieur de la passe La Figure 16 et la Figure 17 illustrent la comp tition entre le courant de flot et le courant g n r par le gradient d l vation du plan d eau Au d but de l pisode de forte houle de sud partir du 25 08 2013 midi la vitesse de courant maximale dans la passe de Tiputa s accroit lorsque l eau reflue du lagon tandis que le courant de jusant mar e descendante voit sa vitesse et sa dur e se r duire progressivement au fur et mesure que les vagues d ferlant sur le r cif sud grossissent Une hauteur r cifale de 0 35 m n engendre pas d ensachage suffisamment important pour contrer de mani re satisfaisante le courant de flot l embouchure de la passe de Tiputa L l vation de la surface libre tant sous estim e Figure 17 le courant induit par le gradient hydrostatique ne parvient pas s opposer au courant de flot Figure 16 Lorsque la
50. rtie obtenues sont trait es comme suit e Ajustement g ostrophique Le mod le param trique fournit des informations sur le vent dit g ostrophique Un ajustement est ensuite effectu afin de d terminer le vent la surface de r f rence normalis e conform ment Harper et al e Asym trie due la progression du cyclone est tenu compte de l asym trie du vent induite par la progression du cyclone Harper et al Le facteur d ajustement Delta fm est d fini 0 5 sa valeur par d faut angle de vent maximal Teta max est fix 115 la valeur g n ralement utilis e dans l h misphere Sud e Angle associ aux vents entrants Les frottements entre l air et l eau sont pris en compte car ceux ci entra nent une d viation du vent vers le centre du cyclone Sobey et al RAPPORT TECHNIQUE 166 19 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Wind Speed m s Above 32 5 300 325 275 300 25 0 27 5 22 5 29 200 225 175 200 15 0 17 5 12 5 15 0 B 100 125 A 25 50 below Figure 21 Image Google Earth superpos e sur un clich repr sentant le champ de vent apr s ajustement et la trajectoire du cyclone Orama Nisha ligne noire avec pr cision des valeurs de pression provenant de la base de donn es IBTrACs Pressure hPa BE Above 1004 1000 1004 996 1000 992 996
51. s occidentale et orientale du lagon Pour finir un modele XBeach portant sur la bande Avatoru Tiputa a t param tr afin de reproduire les submersions marines survenues lors du cyclone Orama Nisha D apr s la simulation les conditions de houle du large n ont pas engendr de submersion En revanche l int rieur du lagon le niveau d eau s est lev principalement en raison de l ensachage provoqu par les conditions au large ce qui a entrain d importantes submersions RAPPORT TECHNIQUE 166 31 32 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 8 SOURCES Mod le de mar e international FES2012 http www aviso oceanobs com en data products auxiliary products global tide fes2004 fes99 description fes2012 html Base de donn es IBTrACS http www ncdc noaa gov oa ibtracs Mod le de vagues WaveWeatch III relatif la Polyn sie fran aise Ardhuin IFREMER ftp ftp ifremer fr ifremer cersat products gridded wavewatch3 HINDCAST RAPPORT TECHNIQUE PR166 Mod le bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 9 ANNEXES Annexe A Bathym trie d riv e de l image satellite THEOS Dans le cadre du projet une campagne d acquisition des donn es bathym triques a t organis e pendant six mois dans le lagon de Rangiroa En vue d tablir un m
52. s souhaitez obtenir des informations plus d taill es veuillez vous r f rer au manuel d utilisation du logiciel MIKE21 en anglais 2 2 Mod le XBeach Consulter le rapport technique sur les submersions marines d origine cyclonique labor par la Division SOPAC RAPPORT TECHNIQUE 166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 3 DOMAINE MAILLAGE FLEXIBLE La composante maillage flexible procure un degr de flexibilit optimal pour d crire les caract ristiques bathym triques l coulement ambiant et les conditions de houle On en effet recours des maillages non structur s tenant compte des limites et de la profondeur Lorsque le domaine tudi est vaste comme c est le cas pour de Rangiroa il faut veiller choisir la solution la mieux adapt e de mani re trouver le bon compromis entre r solution pr cision du mod le et temps de calcul raisonnables 3 1 Domaine de Hangiroa Durant la phase de calibration le domaine de calcul a t limit Rangiroa et ses environs imm diats afin de r duire la dur e de calcul Une calibration de qualit n cessite d ex cuter de nombreux mod les ce qui peut tre contraignant en termes de temps Le domaine demeure n anmoins assez vaste 160 km en abscisse et 90 km en ordonn e comprend 101 968 l ments et 52 89 noeuds Le r cif nord de Rang
53. te Interaction Approximation Bien qu elle implique des temps de calcul importants cette solution est commun ment adopt e lorsque l on cherche mod liser les caract ristiques essentielles d un spectre de vagues en d veloppement RAPPORT TECHNIQUE 166 15 16 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 Nous avons en outre proc d plusieurs essais infructueux associant des interactions entre triplets et quadruplets de fr quences de vagues Bien que des tests de sensibilit aient t r alis s pour les param tres de dissipation par moutonnement et de forcage par le vent nous avons avant tout cibl la calibration du mod le spectral de vagues sur les param tres de d ferlement gamma et alpha et sur la rugosit du fond La fourchette de valeurs gamma habituellement utilis e entre 0 5 et 1 4 environ entraine une trop forte dissipation Comme sugg r dans le manuel d utilisation labor par DHI la fourchette en question peut tre largie jusqu 5 Pour ce qui est du param tre de d ferlement les valeurs 0 5 0 7 1 2 et 5 ont t test es C est avec les valeurs hautes gamma 2 et gamma 5 que les r sultats rejoignent le mieux les donn es recueillies Par ailleurs la valeur de calibration employ e pour alpha oscille entre 0 2 et 1 2 En vue de tester la dissipation par frottement avec le fond nous avons
54. ue Kn calcul e l aide de l expression tablie par Jonsson et Carlsen 1966 Qn a 5 977 5 213 0 194 gt 2 016389 71 f fy 0 24 for gt lt 2 016389 n O a repr sente le mouvement orbital au fond La valeur constante sert calibrer le taux de dissipation par frottement avec le fond e modele de dissipation de l nergie de la houle due au d ferlement est donn par Battjes et Janssen 1978 Le terme source s exprime de la fa on suivante d apr s Eldeberky et Battjes 1996 2 Qp f Sit 0 LOT ger gy O 1 0 est une constante de calibration Q d signe la fraction des vagues d ferlantes f repr sente la fr quence moyenne et X est le rapport entre l nergie totale dans le train de houle al atoire et l nergie dans un train de houle pr sentant la plus grande hauteur de vague envisageable La hauteur de houle maximale d pend du param tre de d ferlement y O d correspond la profondeur d eau Le param tre de d ferlement sert de param tre de calibration max Pour ce qui est de l analyse spectrale de la houle les calculs peuvent tre r alis s l aide d une formulation param trique d couplage directionnel ou d une formulation enti rement spectrale Les formulations enti rement spectrales sont bas es sur l quation de conservation de l action d onde d crite par et al 1994 et Young 1999 oi vou
55. vation de la surface libre g n r e par le cyclone Orama Nisha Les courbes de niveau illustrent les diff rents niveaux d l vation allant de 0 0 m 2 2 m Les vecteurs d crivent le champ de vent 1 m s Surface elevation m 22 20 22 18 20 16 18 14 16 1 2 14 10 12 TOUTES 147 80 147 70 147 60 147 50 147 40 147 30 147 20 Figure 29 l vation de la surface libre g n r e par le cyclone Orama Nisha Les courbes de niveau illustrent les diff rents niveaux d l vation allant de 0 0 m 2 2 m Les vecteurs d crivent la vitesse et la direction des courants Afin de faciliter la visualisation la longueur des vecteurs est limit e 1 m s les vitesses sup rieures 1 m s sont mises en vidence par des traits plus pais RAPPORT TECHNIQUE PR166 Modele bidimensionnel coupl de Rangiroa mod le hydrodynamique et mod le spectral de vague Cyclone tropical Orama Nisha 1983 6 MOD LISATION DES SUBMERSIONS MARINES DANS XBEACH En vue d tudier les submersions marines qui se produisent le long de la bande Avatoru Tiputa un mod le XBeach t param tr et forc par les conditions de houle et de niveau d eau extraites du mod le coupl au pic du cyclone Les donn es issues du mod le coupl aux quatre coins du domaine XBeach sont indiqu es la Figure 30 Sur la figure on observe une forte variation de la hauteur de houle au niveau des limites au large et du lagon En haut
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