Onde de tempête

paix · 12 septembre 2009

J'avais envie de parler d'onde de tempête, alors je le fais ici. Qui m'aime me suive, et si personne ne me suivi, je ne serais pas vexé... :lol: Au moins, je me serais éclaté.

Je met l'Agnus Dei de S. Barber, parce que l'onde de tempête tue plus sûrement que les vents ou les inondations.

C'est parti. Océan, c'est pour désigner tout morceau d'eau salée ou douce qui est affecté par une onde de tempête, histoire de faire simple....

On va aussi considérer que nous sommes dans l'Hémisphère Nord. Dans l'hémisphère Sud, c'est la même chose à peu de chose près, à l'exception que tout est inversé à cause de la force de Coriolis... :whistling:

Trivialement, une onde de tempête, c'est de la flotte qui se trouve là où elle ne devrait pas l'être. :rain:

Bon allez, maintenant, on détaille parce que là, c'était trop simple.

À une station d'enregistrement du niveau de l'océan, on connait le niveau moyen de l'océan. Ce niveau moyen, variable d'une station à l'autre, est placé arbitrairement à zéro, c'est pour cela qu'il s'agit du niveau zéro. On mesure donc les hausses et les baisses de niveau par rapport au niveau moyen de la station.

La station mesure uniquement la hauteur totale de l'océan par rapport à ce zéro. Si on a le niveau zéro, on peut aussi prévoir les marées, qui seront une hausse (marée haute) ou une baisse (marée basse) de ce niveau. Et dans un monde parfait, la hauteur mesurée à la station serait la hauteur prévue suite à la marée.

Dans une tempête, le niveau de l'océan mesuré à la station montera bien au dessus du niveau théorique de la marée. Ce niveau mesuré sera appelé marée de tempête. Si maintenant, on soustrait à la hauteur de la marée de tempête, qui est la valeur mesurée, la hauteur de la marée, on obtient l'excédent non prévu par les marée. Il s'agit de l'onde de tempête, la flotte qui n'est pas sa place.

La marée de tempête est donc envisageable également comme étant la somme de la marée, et de l'onde de tempête. Si la marée est basse, l'onde de tempête restera de toute façon identique, mais la marée de tempête sera atténuée. Le contraire se produira à marée haute.

Un petit dessin, pour être plus clair. L'onde de tempête est faible, mais elle est poussé par une forte marée, ce qui fait que la marée de tempête est élevée. En anglais, marée se dit tide, marée de tempête se dit storm tide, et onde de tempête se dit storm surge :

Et une précision, en anglais un mot, shallow, désigne ce qui est peu profond. Malheureusement, ce mot n'existe pas en français, à part le bidouillage « peu profond » et le mot superficiel qui parfois peut passer.

Si on continue avec ce genre de délires, il existe peu de phénomènes pour expliquer l'onde de tempête, en tout six

On va commencer avec le plus simple, j'ai nommée..la pluie.

En général, l'ouragan apporte des précipitations sur les terres bien avant que le festival ne commence. Un fleuve et ses affluents peuvent donc être déjà à saturation et être en crue quand l'onde de tempête arrive. C'est un phénomène qui ne participe pas directement à l'élévation du niveau des océans, mais il peut aider la marée à monter en « remplissant » déjà certains coins, ce qui permet à la marée d'aller remplir des endroits plus intéressants.

On peut aussi ajouter l'effet des marées. Les marées sont un phénomène complexe, mais simplement, une marée haute aidera l'onde de tempête. Au contraire une marée basse desservira l'onde. L'étude des marées est aussi intéressante, car elle permet de comprendre le mouvement de l'océan près de la côte, et d'anticiper partiellement la réaction de l'onde.

On continue avec un effet plus direct, celui de la pression atmosphérique. En général, dans un ouragan, la pression n'est pas très élevée. Or, la pression est la force qui « appuie » sur la surface de l'océan. Quand la pression baisse, l'air appuie moins sur l'océan, et donc celui-ci se dilate.

Le phénomène n'est pas très important, mais n'est pas non plus négligeable. On estime qu'une baisse de 1 hectopascal, soit 10 kilopascals, permet à l'océan de se soulever de 10 millimètres, soit 0,01 mètres.

Quand on a des bestioles qui ne pèsent plus que 910 hPa, cela donne tout de même dans le mètre supplémentaire, ce qui n'est pas rien.

Une autre cause est le vent. En plein Océan, le vent en lui même n'a que peut d'effet sur l'onde de tempête, puisqu'il tourne en rond autour de l'œil. Près des terres, c'est différent. Dans le quadrant Nord Ouest, à la gauche de l'ouragan, le vent va souffler des terres vers l'océan. Alors que dans le quadrant Nord Est, à la droite de l'ouragan, le vent souffle de l'océan vers les terres. Il se produit donc un déplacement d'eau qui part de la côte à gauche, fait un demi tour, et revient sur la côte à droite.

On passe à la spirale d'Ekman. Le vent en soufflant à la surface de l'océan, frotte un peu. Cela crée les vagues. Mais cela crée aussi des courants, avec déplacement d'eau. Dans l'hémisphère Nord, la force de Coriolis provoque une déviation de tout ce qui bouge vers la droite. Cela peut-être une bonne excuse lors d'une soirée arrosé, d'expliquer que l'on dévie à cause de Coriolis...

Pour l'eau, c'est identique. Quand le vent frotte l'océan, il met la couche superficiel en mouvement, mais ce mouvement est dévié à 45° par la force de Coriolis. Et cette couche d'eau frotte la couche d'en dessous, et le courant dévie un peu plus vers le droite. Et ainsi de suite, le courant dévie, de couche en couche, vers la droite. Dans le même temps, le courant faibli dû au frottement. La force de Coriolis, qui dépend de la vitesse du corps faiblit. Se forme donc une spirale d'Ekman, avec des vecteurs vitesse de plus en plus petits qui dévient vers la droite. Ce phénomène se retrouve dans l'atmosphère, même si il est moins marqué car l'air est plus fluide, moins visqueux que l'eau.

Le résultat est un courant qui s'effectue à 90° en moyenne sur la droite du vent, avec transport de matière. On nomme ce courant transport d'Ekman.

Et enfin les vagues. Ce sont des ondes, donc à la base, il n'y aucun transport de matière. L'explication restera simple, parce qu'elle pourrait être complexe. :whistling:

En plein océan, une parcelle d'eau va effectuer un cercle, passer par un minimum et un maximum de hauteur, et revenir à peu de choses près à sa place.

Ce mouvent circulaire se propage en profondeur, avec perte d'énergie par friction. Les cercles décrit par les particules deviennent donc de plus en plus petit.

La vague, en surface, se déplace bien sûr, mais par propagation du mouvement circulaire. Une parcelle d'eau met en mouvement sa voisine, et revient à sa place, et ainsi de suite. À aucun moment, une parcelle d'eau ne se déplace.

Près des côtes, ce modèle n'est plus valable. Les vagues évoluent selon des modèles très différents et variées. On retiendra surtout que pour un fond océanique qui remonte doucement et régulièrement, les vagues auront plutôt tendance à « s'écraser ». Les particules d'eau décrivent alors des ellipses, mais reviennent à leur place. Si le fond continue à remonter, les ellipses ne seront plus fermés, et il se produira un déplacement net d'eau. Les vagues seront alors généralement atténué. L'onde de tempête sera, pour sa part, amplifiée et récupéra une partie de l'énergie et du déplacement d'eau des vagues.

Si le fond remonte brusquement, la vague n'aura pas le temps de se briser et de s'étaler proprement. La vague sera poussé vers le haut, et la crête de la vague, en déséquilibre au sommet, va se briser. La vague sera dite déferlante, et il s'agit de l'image typique des vagues, qui vont et viennent dans un grand fracas et se répandent en écume.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/comm...on-i18n-mod.svg

C'est bien beau toute cette histoire, mais comment savoir si l'onde de tempête sera forte ou faible ?

On va intégrer tous les phénomènes décrits précédemment, dans deux cas caricaturaux totalement opposée, la situation étant généralement à mi chemin entre les deux extrêmes.

Il y a un truc aussi à comprendre avant, et qui est encore plus important pour les tsunamis, la force de l'onde de tempête n'est pas donnée par sa hauteur, mais par son énergie et le déplacement de matière. Une vague de 30 mètres de haut complètement isolée restera une vague et n'ira pas plus loin que la plage. Une onde ou un tsunami, c'est la même chose. Si il n'y a qu'un faible transport de matière et d'énergie, ce n'est pas une hauteur de 30 mètres qui permettre à l'océan d'envahir les terres.

Déjà, en plein océan, il n'y a pratiquement pas d'onde de tempête. La baisse de la pression est le principal contributeur, mais ce paramètre ne pourra faire varier le niveau que d'un mètre tout au plus, un mètre cinquante dans les cas extrêmes. Le transport d'Ekman a tendance à disperser cette onde sur les côtés, puisqu'il s'effectue vers la droite à 90° et aide un peu à faire monter le niveau, mais cela se compte en dizaines de centimètres, pas plus. Les vagues n'ont aucune raison de déferler au de s'empiler. Le vent en plein océan n'a aucun effet, puisqu'il n'y a pas de point de départ et d'arrivé. Et la pluie se dilue dans cette l'océan. En tous, le niveau de l'océan n'est pas modifié de plus de deux mètres, et souvent moins. De plus, cette onde est plutôt symétrique. Bref, les beaux schéma de cyclone en plein océan avec une onde de tempête à droite sont faux.

Deux situations maintenant :

Si le fond de l'océan remonte régulièrement et doucement, les terres derrières sont généralement plates.

Dans ce cas l'onde de tempête est généralement puissante et meurtrière. Le transport d'Ekman, qui ne peut s'effectuer quand en eaux profondes, s'atténue très loin des côtes. La dispersion latérale de l'eau est donc annulée, et l'onde est par conséquent plus concentrée. En terrain peu profond, les vagues ont tendance à « s'empiler », et le vent aide bien les choses. Il résulte que l'onde sera haute et puissante, et le manque de relief permettra à l'onde de pénétrer très loin les terres.

Le seul point positif est que les vagues au sommet de l'onde sont généralement moins puissantes puisqu'elles déferlent très peu.

Si le fond de l'océan remonte brutalement, les terres derrières sont généralement plus élevés.

Dans ce cas, le transport d'Ekman pourra poursuivre son œuvre jusqu'à proximité des côtes, et dispersera l'onde latéralement. Les vagues se briseront et libéreront de l'énergie, mais contribueront peu à la montée des eaux. Le vent aura toujours le même effet, et maintiendra une dissymétrie de l'onde. L'onde sera donc généralement plus faible, et le relief contiendra la montée des eaux.

Le seul point négatif, les déferlantes peuvent alors être très dangereuses.

Un modèle a été développé à la NOA pour prévoir l'onde de tempête d'un ouragan, le SLOSH (Sea Lake and Overland Surge from Hurricanes). Le NHC prévoit de l'utiliser pour émettre des alertes et vigilances pour les ondes de tempêtes. Actuellement, les vigilances et alertes cycloniques concernent uniquement les vents, et on évoque souvent l'échelle de Saffir Simpson qui ne parle que de vents, Or, le vent n'est pas tout. L'onde de tempête est souvent meurtrière, et elle dépend de facteurs divers et variées, et non uniquement du vent.

L'instant de maths à présent... tout ceci peut être évalué assez précisément par cette équation

S_p=(0,070*ΔP)*F_SF_M

S_p est le niveau de l'onde de tempête en mètre.

ΔP est la différence de pression avec la pression minimale P₀ telle que ΔP=1010-P₀

F_S est le « shoaling factor », absolument intraduissible en français, qui désigne un peu près le facteur de correction de la profondeur de l'océan. Shoal désigne quelque chose qui est peu profond, mais n'a pas exactement la même signification que shallow. Pour faire simple, plus le fond de l'océan remonte doucement et reste plat, plus le shoaling factor est élevé. En regardeant l'équation, on voit tout de suite qu'un plus grand shoaling factor fait monter l'onde de tempête, ce qui est tout à fait en cohérence avec les deux cas décrits précédemment.

Le shoaling factor ressemble à ceci :

Ce qui précéde nécessite tout de même une explication. Le shoaling factor est la petite courbe rouge, et la lecture du facteur se fait sur l'axe de droite. L'axe des abscisse situe différent lieux. On part de la frontière entre Mexique et Texas, et on arrive en Floride. Tous les noms de lieux se retrouvent facilement sur Wikipedia si vous êtes totalement perdu.

Le petit encart à droite, avec les jolis courbes vertes, donne trois profils de plancher océanique. L'axe des abscisses est en haut, et se dirige vers la droite. C'est la distance en milles depuis la côte. L'axe de droite donne la profondeur. La courbe notée point côtier 10, reprend le profil depuis Timbalier Bay. Un fond qui remonte brusquement, ce qui se retrouve avec un faible shoaling factor. La courbe notée point côtier 12, reprend le profil depuis Biloxi. Un fond plutôt plat et continu, donc un fort shoaling factor.

La courbe bleu du bas est un des éléments qui permet le calcul du shoaling factor. Il s'agit de l'éloignement à la côte de la profondeur 10 brasses, c'est à dire 20 mètres quasiment.

F_M, graphiquement pour être plus clair. Quand l'ouragan tape à 80° par rapport à la côte, c'est à dire avec un angle légèrement fermé, l'onde est concentré près du centre de l'ouragan, le facteur est donc le plus élevé dans ce cas.

Ce calcul permet de plutôt bon résultat :

Pour Katrina, 8.5 m estimée pour une onde mesurée de 7.9 - 8.5 m

Pour Rita, 5.2 m estimée pour une onde mesurée de 4.9 - 5.5 m

Mais aussi des résultats plus inexacts :

Pour Ike, 4,1 m pour 5,9 à 6,5 m mesuré.

Cette disparité est liée au rayon de l'ouragan qui n'est pas pris en compte.

Pour Katrina, son rayon était assez étendu, mais l'estimation est plutôt juste. Alors que pour Ike, même si le rayon soit encore plus grand, l'estimation est franchement à côté.

Ceci s'explique principalement par le fait que la formule donnée est volontairement simplifiée, et la description de l'ouragan se résume à sa pression.

Pour Katrina, elle s'est échoué en catégorie 3, avec des vents de 110 nœuds, mais une pression de catégorie 4 avec 928 hecto Pascals. Cependant, et c'est ici que c'est important, la pression était représentative de Katrina, dans le sens que les vents n'étaient certes pas très violent, mais son rayon était très large. Si la pression était représentative des vents uniquement, la pression aurait du être de 950 hecto Pascals environ, soit une correction de 20 hecto Pascals.

Pour Ike, la pression était assez basse à l'échouage, soit 950 hecto Pascals, mais les vents restaient plutôt soutenus pour une telle pression avec des vents de 95 nœuds alors que le rayon d'Ike était exceptionnel. Pour retrouver l'onde de tempête produite par Ike, il faudrait considérer une pression de 920 hecto Pascals, soit une correction de 30 hecto Pascals.

Si Ike avait atteint la catégorie 4, ou même 3, dans le Golfe du Mexique, en gardant le même rayon, cela aurait été impressionnant.

C'est la principale faiblesse de cette formule, elle ne tient pas suffisamment compte de la structure de l'ouragan. Un ouragan très large aura toujours une onde plus dévastatrice.

Maintenant, on pourrait essayer de trouver exactement le facteur correctif de la pression en fonction des vents et du rayon de l'ouragan, mais là cela devient technique...

Cette formule ne s'applique en aucun à une dépression de chez nous. Si on retrouve les mêmes facteurs, l'asymétrie et la distribution des vents sont largement différentes de celle d'un ouragan.

Je voudrais juste placer un exemple historique, le 30 Janvier 1953, dans un flux de Nord Ouest, une forte dépression quitte l'Islande et se dirige vers la Mer du Nord. Dans la nuit du 31 au 1er, des vents violents de Nord Ouest vont créer une onde destructrice.

La Mer du Nord est assez plate et peu profonde, et est une mer fermé. Le seul point de sortie est le détroit de Douvres, très étroit, et qui ne changera rien à l'affaire. La mer sera poussé contre les côtes, sans aucune issue possible, selon les mêmes mécanismes que pour un ouragan. En Hollande, le niveau montera de plus de 5 mètres. Et pourtant, la pression n'est jamais tombé sous les 970 hecto Pascals.

Le calcul de la hauteur de l'onde est plus complexe et ne peut être résumé à la formule précédente car une dépression des latitudes moyennes a une structure radicalement différente.

L'onde de tempête est la plus meurtrière des armes d'un ouragan, et c'est pour cela que j'ai voulu en parler.

Les exemples sont légions, et je ne retirais ici que quelques cas.

En 1900, à Galveston, un fameux ouragan dévastera l'île avec une onde tempête 4,5 mètres. La formule ci-dessus donne un résultat sensiblement équivalent. Le nombre de mort sera estimé à 8000, variant selon les sources de 6 à 12 000. Cela représente aussi environ 20% de la population avant l'ouragan.

Le pire fut sans doute atteint en 1970 au Pakistan Oriental, futur Bangladesh. La forme en entonnoir des côtes, une forte marée, un puissant cyclone, ont poussé 10 mètres d'eau sur les terres. Le bilan est effroyable, et incertain, s'étalant de 300 000 à 500 000 morts, soit bien plus que le tsunami de 2004, et ce qui représente un taux de mortalité de 20% au moins. La moitié seront des enfants de moins de 10 ans, une surmortalité impressionnante quand on sait qu'ils ne représentaient que le tiers de la population avant le cyclone. Les conséquences politiques seront immenses, et le cyclone contribuera largement à l'indépendance du Bangladesh l'année suivante.

En 1991, au Bangladesh encore, le même scénario qu'en 1970 se répète, peut-être même en pire. Je ne sais trouver des valeurs de l'onde de tempête. On estime que 138 000 personnes au moins sont mortes. Cependant, il est possible que les évacuations menées avant l'arrivée du cyclone aient sauvées des vies.

En 2005, bien que du côté le moins exposé de Katrina, la Nouvelle Orléans sera noyé. Ici, l'onde de tempête seule n'est pas responsable. La situation très particulière de la Nouvelle Orléans, et la faiblesse des digues, conduiront l'océan à remplir la cuvette logeant la Nouvelle Orléans. L'eau du lac Ponchartrain et des canaux sera repoussée vers le Sud, vers la Nouvelle Orléans. Une défaillance en série des digues fera le reste.

En 2008, Nargis accompagné de fortes pluies et d'une onde de tempête, dévastera la Birmanie.

Cette photo satellite, tristement célèbre, montre l'étendue des dégâts.

Le nombre de mort et les dégâts ne seront jamais précisément connus. Au moins 150 000 personnes sont mortes, mais cette estimation pourrait atteindre le million de mort aussi, rien n'est sûr. Dans le Sud du delta, 75 à 95% des habitations ont été détruites.

Le plus gros risque à prendre face à une onde de tempête est de rester sur place. Rester chez soi, et encore pire, être en voiture, conduira à une mort certaine. La seule chose valable à faire est de partir le plus loin possible, et si on est coincé chez soi, de se retirer dans la pièce la plus intérieur de la maison.

Références

http://slosh.nws.noaa.gov/sloshPub/

http://www.nhc.noaa.gov/HAW2/english/storm_surge.shtml

http://www2.sunysuffolk.edu/mandias/38hurricane/index.html

http://www.nwas.org/ej/2006-EJ9/index.html

http://www.deltawerken.com/

http://oceanmotion.org/

Wikipedia

PS / J'ai inclus une image de l'onde de tempête de Katrina.

Modifié 12 septembre 2009 par paix