Police plus grandePolice plus petite

Les atlas de courants de marée

Imprimer la page

 

1. Historique (exploitation des mesures)

Les navigateurs ont dû se contenter pendant très longtemps des informations issues des mesures. Ils ont pu trouver cette source d'information dans les ouvrages suivants :

  • Publications anciennes : 

    • Mémoire sur les courants de la Manche, de la Mer d'Allemagne et du canal Saint-George de P. Monnier (1835)
    • Exposé du régime des courants observés depuis le XVIème siècle jusqu'à nos jours, dans la Manche et la Mer d'Allemagne de F. Keller (1855 et 1861).
    • Annuaire de courants de la Manche, publié sous la direction de G. Gaussin, pour les années 1879 à 1883.Ces publications regroupent les connaissances accumulées au fil des années, recueillies auprès des navigateurs et particulièrement des pilotes de la Manche jusqu'à la fin du XIXème siècle. Elles se présentent sous forme de textes décrivant le régime des courants dans certaines zones particulières et de planches sur lesquelles les courants sont représentés par des flèches. Ces informations sont surtout qualitatives, mais restent néanmoins précieuses et ont été reprises pour l'essentiel dans les publications plus récentes.
    • Cartes de courants de marée de la Manche
    • Cartes de courants de la côte Ouest de France
    • Courants de marée dans la Manche et sur les côtes française de l'Atlantique, ouvrage n°427 A du Service Hydrographique de la Marine (SHM), rédigé par H. Lacombe et réédité sous le nom d'ouvrage n°550
    • Ouvrages n° 551 à 556 : collection d'atlas de courants des côtes de France édités en 1973

  • Publications modernes :
    • Instructions Nautiques
    • Atlas de courant de marée

 

Jusque dans les années 1980, la collection d'atlas a simplement repris dans un format plus commode les anciennes cartes de courants de marée de la Manche et de la côte ouest de France. Les courants y sont représentés sous forme de flèches situées chacune en un point de mesure. Les vitesses indiquées correspondent aux situations de vive-eau et morte-eau moyennes. Pour une zone donnée, 13 planches sont fournies, correspondant aux heures rondes de six heures avant à six heures après la pleine mer d'un port de référence.

La figure 1 donne un exemple de planche issue de l'ouvrage 556 intitulé "COURANTS DE MARÉE EN  BAIE DE SEINE", publié en 1974.

 

 

Figure 1 : Extrait de l'ouvrage 556 "Courants de marée en Baie de Seine"(SHOM 1974)

 

Pour exploiter ces planches il faut interpoler dans le temps et dans l'espace afin d'évaluer la vitesse et la direction du courant à l'instant et à l'endroit voulus. Il paraît évident, surtout en comparant ces planches à celles des atlas plus récents présentés plus loin, que ce travail ne permet pas toujours d'obtenir précisément le résultat escompté, et que la mise en oeuvre laborieuse d'une navigation à l'estime à partir de ces données peut conduire à des écarts de position très importants.

 

2. Les modèles

Les progrès de l'informatique et de la modélisation hydrodynamique ont permis de remédier aux manques d’information des documents traditionnels relatifs aux courants.

L'idée d'aborder le problème d'un point de vue purement physique, consistant à résoudre les équations de l'hydrodynamique directement dans le milieu de propagation de l'onde de marée n'est pas nouvelle, mais sa réalisation pratique n'a pu aboutir que grâce aux performances actuelles des ordinateurs. Elle consiste à découper le domaine en éléments à géométrie simple, appelés mailles, et à leur appliquer les principes fondamentaux suivants :

  • le principe de conservation, selon lequel la variation de hauteur d'eau dans une maille résulte de la différence entre la quantité d'eau qui y entre et celle qui en sort. Cette différence dépend exclusivement des courants traversant les côtés des mailles ;
  • le principe fondamental de la dynamique, selon lequel les variations de vitesse des courants dans une maille dépendent des forces extérieures s'exerçant sur la colonne d'eau contenues dans la maille. Ces forces sont de trois types :
    • forces de pression dues aux différences de hauteurs d'eau dans les mailles avoisinantes,
    • force de Coriolis due à la rotation de la Terre,
    • forces de freinage, assimilables à des frottements, qui s'exercent au voisinage du fond et des parois des mailles.

 
Ces principes sont formalisés dans un système d'équations, appelé équations de Navier­Stokes.

Il en résulte que les variations de hauteurs d'eau ainsi que les variations de vitesse du courant dans une maille dépendent des hauteurs d'eau et des courants dans les mailles voisines. Toutes les mailles sont interdépendantes et le calcul de la variation des hauteurs et des courants doit être résolu globalement dans tout le domaine étudié.

Mais les mouvements ne peuvent exister que s'il y a un moteur : ce moteur est constitué par la marée aux limites ouvertes du modèle, plus précisément celles qui ne sont pas constituées par un trait de côte. Ce mouvement imposé se propage d'une maille à l'autre dans tout le domaine.

Les calculs sont effectuées à des intervalles de temps réguliers appelés "pas de temp" à partir d'une situation au repos. Les résultats ne sont exploitables qu'après une période de stabilisation correspondant habituellement à deux ou trois cycles de marée.

En pratique, les mailles sont des carrés, des rectangles ou des triangles. Le choix de leur dimension est fondamental : plus celle-ci est petite, plus la résolution, et donc la précision des résultats est bonne. En contrepartie, évidemment, plus les mailles sont petites, plus leur nombre, et donc le nombre de calculs à effectuer, est important pour une emprise donnée.

En outre, le pas de temps n'est pas indépendant de la dimension des mailles : un pas de temps trop important peut générer une instabilité numérique. La diminution de la dimension des mailles s'accompagne inévitablement d'une diminution du pas de temps. Il en résulte une augmentation considérable des temps de calcul et on est amené en pratique à choisir la dimension des mailles de telle sorte que ceux-ci restent raisonnables.

Une autre limitation importante est la connaissance de la bathymétrie. Il est en effet illusoire de vouloir affiner la résolution d'un modèle si la description du milieu n'est pas réalisée à une échelle équivalente. Or les cartes marines ne sont pas établies en vue de fournir une bathymétrie adaptée à la modélisation hydrodynamique. La représentation des profondeurs est en effet issue d'un choix de sondes dont la fonction essentielle est de faire ressortir les éléments intéressant la sécurité de la navigation. Si celle-ci est assurée, la densité des informations est souvent sacrifiée au profit de la lisibilité des cartes, et les reliefs susceptibles de présenter un danger sont accentués, ce qui fausse la représentation objective des fonds.

Le SHOM a entrepris en 1995 de constituer une Base de Données Bathymétriques (BDBS) destinée à rassembler sous forme numérique l'ensemble des données bathymétriques dont il dispose. La modélisation numérique des courants a bénéficié pleinement de ce progrès qui a permis d'atteindre aujourd'hui la résolution souhaitée dans les zones où les fonds tourmentés génèrent des courants très variables.

La figure 2 montre un exemple du maillage adopté pour la réalisation de l'atlas de Bretagne Nord(l'ouvrage 563, SHOM 1999).

Figure 2-1 : Extrait du maillage pour le modèle "NORD-BRETAGNE"
Figure 2-2 : Extrait du maillage pour le modèle "RADE DE BREST", superposé avec la bathymétrie

Les premiers modèles développés au SHOM avaient des mailles carrées. Ce type de modèle est dit " aux différences finies ". Grâce à l'évolution des moyens de calcul, leur dimension a pu être ramenée de 2 km pour le Pas de Calais en 1988 à 150 m pour le modèle de la Rade de Brest en 1994. 

Depuis 1996, les modèles de marée, utilisés pour les atlas, sont calculés à l’aide du code de calcul TELEMAC développé par le Laboratoire d'Hydraulique Saint-Venant (http://www.opentelemac.org/). 

Ce système, dit "aux éléments finis" utilise des mailles triangulaires qui permettent une plus grande souplesse, la taille des mailles pouvant s'adapter à la variabilité du milieu et à la complexité du trait de côte. 

Des exemples de maillages aux abords de la Baie de Morlaix et du port de Trébeurden sont donnés par la figure 2-1. Certaines mailles, en particulier aux abords des ports, ont des dimensions de l'ordre d'une dizaine de mètres comme le modèle de la rade de Brest (figure 2-2).

 

3. Les atlas de courant

Les cartes horaires de courant de marée publiées par le SHOM sous forme d’atlas  permettent d’avoir une idée d’ensemble des courants de marée dans la région Manche-Atlantique sur un cycle de marée (pleine mer - basse mer).
Le premier atlas réalisé à l'aide d'un modèle numérique, celui du Pas de Calais, a été publié en 1988. Les moyens de calcul ne permettaient pas alors de calculer les courants avec une résolution suffisante aux abord de Calais et de Dunkerque.

 

Figure 3 : Extrait de l'ouvrage 557 "courants de marée dans le Pas de Calais"(SHOM 1988)

Les courants mesurés in situ ont dû être utilisés afin de pallier ces insuffisances. Les atlas produits ensuite ont bénéficié des progrès très rapides des moyens de calcul, permettant une diminution de la taille des mailles et donc une augmentation progressive de la résolution.

 

Figure 4 : Extrait de l'ouvrage 561 "courants de marée Baie de Seine "(SHOM 1996)

Par comparaison avec la figure 1, où seules les mesures sont représentées, l'exemple de la figure 4 montre de manière frappante l'amélioration apportée par la modélisation numérique. 

L'insuffisance des points de mesure au niveau de Barfleur est flagrante compte tenu de la variabilité des courants dans cette zone, révélées par la figure 4. La modélisation numérique se révèle en l'occurrence un outil irremplaçable, en particulier dans les zones présentant un intérêt certain (notamment pour la navigation : ports, chenaux).

L'évolution des modèles numériques et le passage aux modèles de courant 3 D se sont traduits non seulement par une meilleure résolution spatiale, mais également, grâce essentiellement à une meilleure prise en compte de la bathymétrie, par une augmentation de la précision des résultats. 

Il en a résulté une évolution de la prise en compte des données observées. Les résultats de mesures, naguère seuls représentatifs de la réalité, ont été remplacés par les résultats de calculs. 

La connaissance de la bathymétrie, de la marée et des courants demeure indispensable pour ajuster certains paramètres de la modélisation et valider les résultats.

Figure 5-1 : Extrait de TELEMAC-2D
Figure 5-2 : Abords de l'Île de Batz

 

4. Les résultats numériques

Le SHOM dispose de tous les résultats des modélisations qu'il a effectué pour réaliser les atlas, sous forme de fichiers numériques.

Les modèles fournissent des informations à chaque point de maillage. Pour une raison évidente de lisibilité, il n'est pas possible de conserver toutes les valeurs calculées sur les cartes de courants imprimées. 

Des cartes à grande échelle sont proposées, mais il subsiste néanmoins une perte d'informations inévitable avec ce type de représentation.

Par ailleurs, en dépit de l'amélioration notable apportée par les modèles numériques, les difficultés relatives à l'utilisation pratique de ces documents ne sont pas totalement effacées. En effet, s'il est possible, grâce à la densité de points, d'éviter de procéder à des interpolations spatiales, le recours à de fastidieuses règles de trois est encore nécessaire pour les interpolations temporelles (prise en compte du coefficient, interpolation entre les heures).

Les résultats obtenus à partir des modèles ont été regroupés dans des fichiers numériques, dont la taille, en constante évolution, est actuellement de plusieurs mégaoctets. 

Les capacités de mémoire des ordinateurs actuels permettent de contenir toutes ces informations sans difficulté, mais si les données ne sont pas disposées selon des mailles régulières, les programmes d'exploitation n'en permettent pas un traitement aisé, et les temps d'accès peuvent être pénalisants dans certains cas, par exemple pour les problèmes de routage, où il peut être nécessaire de procéder par approximations successives sur de longs parcours.
 

Les besoins sont différents selon le type d'utilisation. La meilleure résolution possible est souhaitable pour la navigation côtière ou pour répondre à des besoins écologiques très locaux, mais elle pourrait être pénalisante en termes de ressources informatiques, de temps de calcul ou simplement de lisibilité des documents pour d'autres applications. Des compromis sont donc à rechercher pour optimiser la précision et la rapidité d'accès à l'information.

Les échelles choisies pour les cartes des atlas de courants procèdent de tels compromis. L'exemple des abords de l'Île de Batz présenté sur la figure 5 montre que ce type de représentation s'accompagne nécessairement d'une perte d'informations.

 

5. Exploitation des données


 L'utilisation des fichiers numériques nécessite des programmes informatiques, ne serait ce que pour en extraire les informations utiles. Mais il est évident que ces programmes peuvent aller bien au-delà de la simple extraction des données. Les informations issues des modèles sont en effet susceptibles de répondre à un large éventail de besoins relatifs à l'hydrodynamique.

Les traitements possibles dépendent de ces besoins, mais le plus élémentaire d'entre eux est incontournable : il s'agit de calculer le courant à l'endroit et au moment voulus. L'ordinateur se révèle alors une aide précieuse pour éviter les opérations qu'exige actuellement l'exploitation manuelle des cartes de courants :

  • choix des deux planches horaires encadrant l'heure choisie,
  • estimation du courant au point voulu sur chacune de ces planches (interpolation spatiale),
  • lecture de l'annuaire pour rechercher le coefficient de marée et l'heure de la pleine mer du port de référence,
  • interpolation des vitesse et direction du courant de vive-eau d'une part et de morte-eau d'autre part pour les rapporter à l'heure considérée,
  • interpolation entre les résultats précédents en vive-eau et en morte-eau pour les rapporter au coefficient voulu.

Ces opérations fastidieuses ne sont généralement pas effectuées complètement. Les interpolations se font à vue, ajoutant éventuellement à l'imprécision des résultats, déjà affectée par le défaut de résolution spatiale des cartes de courants.

L'ordinateur résout ces problèmes très aisément et permet, de ce fait, d'envisager une exploitation des fichiers numériques pour des exploitations qui seraient irréalistes par les méthodes manuelles.

La figure 6 qui présente les courants maximums en vive-eau sur un cycle de marée montre un exemple d'exploitation des résultats du modèle 3D de la Rade de Brest (réalisé en 2009) qui fournit des renseignements pouvant constituer une aide à la décision dans certaines circonstances (mouillage de bouée, aquaculture, prévision de plongées, etc.). 

 

Figure 6 : Les courants maximum au niveau du Goulet de Brest (extrait du modèle Rade de Brest réalisé avec TELEMAC-3D)

 

L'élaboration de plusieurs modèles 3D de courant de marée conduit à la nécessité de définir des nouveaux produits susceptibles de fournir des informations pertinentes sur les courants de marée 3D et de répondre aux besoins opérationnels et civils.

 

L'animation ci-dessous illustre le type d’informations que pourra fournir un produit de courant 3D avec une représentation des vitesses de courant en surface, à mi-profondeur et au fond sur un cycle de marée.

(Les vitesses de courant de marée (extrait du modèle Manche 3D réalisé avec TELEMAC-3D)

 

De nombreuses applications ont été recensées le long du littoral qui toutes justifient de disposer à cet endroit d’une très bonne connaissance des courants. Elles concernent par exemple :

  • La navigation de surface à l'estime : quelles que soient les techniques de navigation utilisées, une route vraie est toujours obtenue en prenant en compte les courants. Les logiciels de navigation doivent être aptes à les traiter.
  • la navigation sous-marine  requiert une connaissance générale de la vitesse et direction des courants sur la colonne d'eau pour détecter la présence de courants sous-marins forts pouvant impacter sur les opérations et modifier les conditions de navigation. Cela permet également de repérer les zones de courants faibles ou alternatifs.
  • Le routage est une notion très ancienne puisqu'elle est à l'origine du choix des grandes routes de navigation à une époque où il était essentiel de profiter des vents et courants favorables. Actuellement, la connaissance fine des courants dans des zones de taille relativement réduite comme la Manche permet de développer des logiciels permettant d'optimiser les trajets en terme de temps de parcours ou d'économie de carburant.
  • La pêche, et en particulier le chalutage, est très tributaire des courants. Cette application correspond actuellement à une demande pressante de la part des professionnels.
  • La plongée sous-marine et les autres activités sous-marines, notamment les interventions des plongeurs sont étroitement dépendantes des conditions du courant dans la couche d'eau (vitesses limites, recherche de contre-courant, vitesse en surface, en sub-surface, au fond). Des produits spécifiques pour cette activité devraient être développés.
  • La mise en oeuvre de systèmes sous-marins remorqués (ROV, SPIV,...) et autonomes (drones compris) ne peut être réalisée au-delà d'une certaine force de courant.
  • Les collectivités locales sont demandeuses d'études relatives aux conditions de courants à proximité des côtes pour la mise en valeur du littoral : le choix de sites pour les aménagements portuaires (ports, mouillage, chenaux) ou touristiques (sites balnéaires), les études d'impact ou de suivi de la qualité des eaux, la variabilité du trait de côte, la vulnérabilité des zones de baignades. 
  • Les autorités portuaires ont besoin de données sur les courants pour tous les problèmes relatifs au dragage des chenaux de navigation.
  • Les pilotes de ports ont eux-mêmes une connaissance fine des courants dans les zones où ils opèrent et ont d'ailleurs été parfois sollicités pour valider certains résultats de modélisation. Ils ne sont pas a priori demandeurs de ces informations, mais ils pourraient être intéressés par des logiciels d'application spécifiques.
  • Les sociétés de sauvetage sont demandeurs de données précises sur les courants pour optimiser les opérations de recherche.
  • L’implantation des énergies marines renouvelables (hydrolienne, éolien, etc.) requiert  une connaissance fine des courants dans les zones potentiellement intéressantes.
  • Les plaisanciers et en particulier les régatiers ont besoin de ce type de données et en seront de plus en plus demandeurs en raison du développement de la microinformatique.