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Évolutions du niveau d’eau en bassin semi-fermé forcées par le niveau de la mer et le vent : exemple de l’étang de Berre

Authors:
XVIèmes Journées Nationales Génie Côtier – Génie Civil
Le Havre, 2020
DOI:10.5150/jngcgc.2020.014 © Editions Paralia CFL
disponible en ligne – http://www.paralia.fr – available online
Évolutions du niveau d’eau en bassin semi-fermé forcées par
le niveau de la mer et le vent : exemple de l’étang de Berre
Caroline PAUGAM 1, Samuel MEULE 2, Damien SOUS 1, 3,
Vincent FAURE 4, Vincent REY 1
1. Université de Toulon, AMU, CNRS/INSU, IRD, Mediterranean Institute of
Oceanography (MIO), UM AMU 110, Toulon, France.
caroline.paugam@mio.osupytheas.fr ; rey@univ-tln.fr ; sous@univ-tln.fr
2. Aix Marseille Université, CNRS, IRD, INRA, Collège de France, CEREGE, Aix-en-
Provence, France.
meule@cerege.fr
3. Université de Pau et des Pays de l’Adour, E2S UPPA, SIAME - MIRA, Anglet.
4. GIPREB, Berre l’étang.
faure.gipreb@gmail.com
Résumé :
En Méditerranée, le marnage est faible, et les effets barométriques, liées aux régimes
dépressionnaires, contribuent de façon prépondérante aux surcotes. Dans les bassins
semi-fermés, des phénomènes de basculement des plans d’eau peuvent s’ajouter aux
variations du niveau, du fait de la contrainte du vent sur la surface. Dans l’étang de Berre,
le manque de données continues de niveau sur le long terme ne permettait pas d’avoir une
appréciation quantitative des phénomènes contribuant aux variations du niveau d’eau. Le
réseau d’instrumentation HTM-NET, composé actuellement de 16 stations de mesure en
Provence dont deux sur l’étang de Berre, dans les ports du Jaï et de Saint-Chamas, permet
d’acquérir des données de niveau. Une station du réseau est également installée dans le
port de Carro au cap Couronne en méditerranée. Nous pouvons observer d’une part une
évolution du niveau d’eau dans l’étang forcée par les variations du niveau de la mer qui
se transmettent par le canal de Caronte : l’effet de la marée astronomique est perceptible
avec un marnage d’environ 5cm, et le niveau moyen suit de façon systématique les
évolutions du niveau de la mer associées aux effets barométriques, inférieurs à 45cm. A
ce forçage par la mer, s’ajoute un basculement du plan d’eau, du même ordre de grandeur,
entre le nord et le sud de l’étang, par des conditions de vent fort. Des ondes de seiches
dans les ports du Jaï et Saint-Chamas sont mises en évidence : une seiche d’environ 100
min est retrouvée dans les deux sites, correspondant à la résonance selon le grand axe de
l’étang. D’autres seiches sont en revanche propres à des phénomènes de résonance selon
le grand étang d’une part et dans l’étang de Vaïne d’autre part. Les évènements de seiches
sont corrélés à la présence de vent fort et la création d’un basculement dans l’axe du
bassin.
Mots-clés : Basculement, Seiches, Surcotes, Niveaux d’eau, Bassin semi-fermé.
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Thème 1 – Hydrodynamique côtière
1. Introduction
1.1 Les seiches
Les seiches sont des oscillations stationnaires à l’origine de variations du niveau d’eau.
Elles peuvent être observées dans des lacs, des baies, des estuaires ou encore des ports
qui sont ouverts sur la mer. D'abord plurinodales s'amortissant en ondes de mode de plus
en plus faible, les ondes uninodales sont les dernières à se manifester. Ces variations d’eau
dans des ports peuvent entraîner des surcotes de plusieurs centimètres et d’importants
dégâts.
La longueur du bassin correspond à la moitié de la longueur d’onde de la seiche dans un
bassin fermé et au quart de la longueur d’onde en bassin ouvert. Ainsi, les caractéristiques
des seiches dépendent de la configuration du bassin. En revanche, leur génération peut
être variée selon le site étudié : variations de pression atmosphérique (DE JONG et al.,
2003, dans le port de Rotterdam et ARDHUIN et al., 2010, à Port Tudy), instabilités
océaniques (CANDELA et al., 1999, dans le détroit de Sicile), ondes infra-gravitaires
(OKIHIRO et al., 1993) ou encore par des tsunamis (PELINOVSKY et al., 2001, en côte
d’Azur et ICHINOSE et al., 2000, dans le Lac Tahoe en Californie-Nevada).
1.2 Basculement de plan d’eau
En eaux peu profondes, en condition stationnaire et sans création de courants, la
contribution du vent dans la variabilité du niveau de la mer peut être étudiée de manière
satisfaisante par un système d’équation 1DH (équation 1), permettant d’estimer la pente
de surface en fonction de la vitesse du vent W, du coefficient de frottement CD et du
gradient de densité air-mer.


²
 (1)
où : ζ est la surface libre, τs est à tension du vent, g est l’accélération de la gravité (9,81
m/s2), ρa est la densi de l’air, ρw est la densité de l’eau et h la profondeur de l’eau. La
tension du vent correspond à la force de cisaillement que le vent exerce sur la surface de
la mer. Ce dernier est défini en fonction de la vitesse du vent W (équation 2).
² (2)
CD dépend de la rugosité de la surface marine et de la stabilité de la couche limite
atmosphérique. Ce coefficient est variable mais est de l'ordre de grandeur de 1,2.10-3. Le
Golfe du Lion est exposé à des vents forts : mistral et tramontane. Ainsi, les bassins semi-
fermés provençaux sont propices à l’étude des variations du niveau d’eau induit pas le
vent et par les seiches. Notre site d’étude est l’étang de Berre, une lagune située dans les
Bouches-du-Rhône de profondeur moyenne de 6 mètres et maximale de 10 mètres. Il est
constitué de deux parties: le grand étang à l’ouest et l’étang de Vaïne à l’est, séparés par
un haut fond. Le grand axe du bassin (nord-ouest/sud-est) mesure environ 20 km. L’étang
est relié à la mer Méditerranée par le canal de Caronte situé au sud-ouest du bassin. Le
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èmes
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pourtour de l’étang, urbanisé et industrialisé, fait environ 75 km et compte dix ports
dédiés à la pêche et à la plaisance. Il n’existe pas pour le moment d’études permettant de
connaître les évènements responsables de la génération de seiches dans l’étang de Berre,
ni le lien entre ces dernières et les basculements du plan d’eau provoqués par la tension
de surface lors de vents forts. Notre étude a pour but de mettre en évidence les évènements
précédemment définis dans l’étang de Berre, et essayer de comprendre leur génération.
2. Matériel et méthodes
Cette étude s’appuie sur des données de niveaux d’eau provenant du réseau d’observation
HTM-NET (https://htmnet.mio.osupytheas.fr) ainsi que sur les données météorologiques
de Météo-France à Marignane, (voir figure 1).
Figure 1. Stations HTM-NET et Météo-France dans l’étang de Berre et méthode de
projection de la vitesse du vent dans l’axe du bassin.
2.1 Données de niveaux d’eau
Initialement implanté dans le Var depuis 2013, le réseau d’observation HTM-NET s’est
densifié et s’est étendu dans les Bouches-du-Rhône. 16 stations fournissent des données
de température et pression dans l’air et dans l’eau dans le long terme, ayant une période
d’échantillonnage de 2mn. Les niveaux d’eau sont calculés grâce à deux piézomètres,
l’un immergé et l’autre émergé, permettant une correction de la pression atmosphérique
sur la variation du niveau d’eau. Depuis février 2019, deux stations sont implantées dans
l’étang de Berre : une dans le port de Saint-Chamas dans le grand étang, et une dans le
port du Jaï en limite de l’étang de Vaïne. Les variations du niveau d’eau à l’extérieur de
l’étang sont fournies par une station à Carro au cap Couronne.
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Thème 1 – Hydrodynamique côtière
2.2 Données météorologiques
Les données météorologiques issues des messages internationaux d’observation de
surface (SYNOP) de l’Organisation Météorologique Mondiale (OMM) ont é utilisées.
Le réseau permet d’obtenir les données météorologiques tri-horaires de la station située à
Marignane. La rose des vents des données météorologiques de Marignane de février 2019
à février 2020 met en évidence les deux types de vent dominants : nord-ouest (mistral) et
sud-est (figure 2). Ce jeu de données est représentatif des conditions générales du vent à
Marignane.
Figure 2. Rose des vents à Marignane de février 2019 à février 2020.
2.3 Caractérisation du basculement de la surface libre
Les données de niveaux d’eau échantillonnées toutes les 2mn sont moyennées par
tranches de 3 heures. Ainsi, un niveau moyen toutes les 3 heures aux deux stations est
utilisé pour cette étude. On définit le basculement comme la différence de niveaux d’eau
entre le port du Jaï et le port de Saint-Chamas. Pour une pente de la surface libre positive
du nord-ouest vers le sud-est, le basculement sera positif, et inversement. Le basculement
est ensuite représenté en fonction de la composante de la vitesse du vent dans l'axe de
l’étang de Berre (140°). Un évènement de mistral provoquera une vitesse de vent positive
et un vent de sud-est une vitesse négative (figure 1).
2.4 Étude des seiches
Dans un premier temps, une analyse de Fourier de l’ensemble du jeu de données a permis
de déterminer des pics d’énergie correspondants à des événements de seiches. Les
fréquences associées ainsi que les fréquences minimales et maximales délimitant les pics
ont été déterminés.
Vitesse du vent (m/s) Rose des vents – Marignane
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Les seiches ont ensuite été étudiées par intégration des pics d’énergie entre les fréquences
minimale et maximale des pics, sur une fenêtre glissante de 12 heures toutes les 3 heures.
Ainsi, il est possible d’observer l’évolution temporelle des seiches en fonction des
conditions de vent.
3. Résultats
3.1 Variation du niveau dans l’étang de Berre
Le niveau d’eau dans l’étang de Berre est forcé par la marée via le canal de Caronte (figure
3). Le marnage est d’environ 20 cm au port de Carro (figure 1) et est de 5 cm à l’intérieur
de l’étang. On observe un déphasage de la marée d’environ 140 minutes entre la mer et
l’étang. Les variations de pression atmosphérique provoquent des variations de niveau
d’eau en mer, par effet de baromètre inverse. Dans l’étang de Berre, les surcotes et décotes
atmosphériques observées dans le port de Carro se transmettent également dans l’étang
et sans atténuation via le canal de Caronte (figure 3). Sur l’année d’enregistrement, la
pression atmosphérique a varié de 990,6 à 1035,5 hPa à Marignane. Cela représente des
variations de niveaux de 45 cm dans l’étang de Berre dans l’hypothèse isostatique.
Figure 3. Niveaux d’eau aux ports de Saint-Chamas, du Jaï et de Carro.
3.2 Basculements de la surface de l’étang de Berre
Le basculement de la surface libre de l’étang de Berre est bien corrélé avec la présence
de vent fort (figure 4) et est symétrique en cas de mistral ou de vent de sud-est. Lors d’un
mistral de 17 m/s dans l’axe de l’étang, une pente de 1cm/km est observée, ce qui est
moins important que les résultats de LEREDDE et al. (2002) qui avaient obtenu une pente
de 2 cm/km en utilisant un modèle de circulation 3-D dans l’étang de Berre. L’équation
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Thème 1 – Hydrodynamique côtière
1 utilisée avec un CD constant égal à 1,2.10-3 sous-estime les valeurs de basculement et
n’est donc pas un modèle représentatif pour l’étang de Berre (figure 4).
Figure 4. Basculement observé entre Le Jaï et Saint-Chamas en fonction de la vitesse
du vent projetée selon l’axe de l’étang et basculement théorique avec CD = 1,2.10-3.
3.3 Seiches dans l’étang de Berre
Dans le port de Saint-Chamas, 8 pics d’énergie appartenant à la classe des très basses
fréquences sont observés : 8.5, 13, 22.5, 27, 35, 45.5, 63.5 et 100 min. Dans le port du
Jaï, 6 seiches de fréquences 11.5, 15, 19, 22, 31 et 100 min sont observées. La seiche de
100 min est provoquée par une résonance dans le grand axe nord-ouest/sud-est de l’étang
et est retrouvée par les deux stations. En revanche, les autres seiches ne sont pas
communes aux deux sites possiblement du fait de leur séparation par un haut fond entre
le grand étang et l’étang de Vaïne. La figure 5 représente l’évolution temporelle des pics
d’énergie intégrés aux différentes fréquences de seiches pour les deux stations. Les
évènements de seiches sont corrélés aux évènements de vent fort et aux basculements de
la surface de l’eau.
4. Discussions et perspectives
Les données d’observation des niveaux d’eau du réseau HTM-NET de février 2019 à
février 2020 nous ont permis de mettre en évidence la présence de seiches ainsi que des
basculements de la surface libre par le vent dans l’étang de Berre. Le niveau d’eau dans
l’étang est forcé par les variations de pression atmosphérique qui se répercutent via le
canal de Caronte sans atténuation d’amplitude. De plus, la marée est également transmise
avec une atténuation d’environ 75 %. Lors d’évènements de vents forts, la tension du vent
sur la surface est responsable de la création d’une pente de la surface libre dans l’axe de
la direction du vent et est responsable de la création d’un basculement. Ce dernier est
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symétrique en cas de mistral ou de vent d’est/sud-est et peut être de l’ordre de 40 cm pour
un vent de 20 m/s dans l’axe du bassin.
L’analyse des spectres d’énergie ont mis en évidence la présence de seiches dans les ports
du Jaï et Saint-Chamas. Une seiche d’environ 100 min est retrouvée dans les deux sites
et semble correspondre à la résonance selon le grand axe nord-ouest/sud-est de l’étang.
En revanche, d’autres seiches ne sont pas communes et sont issues de la résonance dans
le grand étang pour les seiches de Saint-Chamas et l’étang de Vaïne pour le Jaï. Les
évènements de seiches sont corrélés à la présence de vent et la création d’un basculement
dans l’axe du bassin. Nous pouvons supposer que lors d’un évènement de vent fort, un
basculement se crée et lorsque le plan d’eau retourne à l’équilibre lors de la diminution
de la vitesse du vent, des ondes de résonance se créent. Les diverses configurations de
résonance pourraient être expliquées en comparant ces résultats à ceux du modèle
numérique TELEMAC 3D mis en place dans l’étang de Berre par le GIPREB
(Groupement d’intérêt public pour la réhabilitation de l’étang de Berre). L’étude des
basculements en fonction du vent permettra de mettre en place une formulation du
coefficient de frottement qui pourra être utilisée dans le modèle numérique.
Figure 5. Hauteurs significatives des seiches aux ports de Saint-Chamas et du Jaï,
basculement de la surface libre et conditions de vent.
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Thème 1 – Hydrodynamique côtière
5. Remerciements
Le programme d’observation HTM-NET (https://htmnet.mio.osupytheas.fr) a bénéficié
de co-financements récurrents depuis 2013 de la part du CNRS/INSU, dans le cadre du
programme national « Systèmes d’Observations et d’Expérimentation pour la Recherche
en Environnement » sur le long terme (SOERE), Littoral –Trait de Côte, puis de ILICO-
DYNALIT et de la communauté d’agglomération Toulon Provence Méditerranée (TPM).
Le Conseil Départemental des Bouches-du-Rhône (CD13) est remerc pour les
autorisations d’implantation des stations dans son département, le SHOM pour sa
collaboration et Météo France pour les données météorologiques.
6. Références bibliographiques
ARDHUIN F., DEVAUX E., PINEAU-GUILLOU L. (2010). Observation et prévision
des seiches sur la côte atlantique française. XIème Journées Nationales Génie Côtier –
Génie Civil, Les Sables d’Olonne, 22-25 juin 2010, pp 1-8.
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CANDELA J., MAZZOLA S., SAMMARI C., LIMEBURNER R., LOZANO C.J.,
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DE JONG M.P.C., HOLTHUIJSEN L.H., BATTJES J.A. (2003). Generation of seiches
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ICHINOSE G.A., ANDERSON J.G., SATAKE K., SCHWEICKERT R.A., LAHREN
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Vol. 27(8), pp 1203–1206. https://doi.org/10.1029/1999GL011119
LEREDDE Y., DEKEYSER I., DEVENON J.-L. (2002). T-S Data Assimilation to
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Journal of Coastal Research, vol. 18 (3), 555–567. https://www.jstor.org/stable/4299102
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small harbor. Journal of Geophysical Research: Oceans, Vol. 98(C10), pp 18201–18211.
https://doi.org/10.1029/93JC01760
PELINOVSKY E., KHARIF C., RIABOV I., FRANCIUS M. (2001). Study of tsunami
propagation in the Ligurian Sea. Natural Hazards and Earth System Science, Vol. 1(4),
pp 195–201. https://doi.org/10.5194/nhess-1-195-2001
128
... The sea water density is calculated using the UNESCO seawater equation of state (UNESCO, 1979), using measured temperature and constant salinity (37.5 PSU). Considering the natural variability of lagoon salinity (15 to 45 PSU), this implies a water level computational bias lower 200 than 0.2 cm, which corresponds to the precision of the pressure measurements (Rey et al., 2020). ...
... Apart from the wind, the water levels at the two sites are affected by different forcings. been observed at the Berre lagoon: the seiching period along the NW-SE axis is approximately 100 minutes and has a maximum amplitude of 8 cm (Paugam et al., 2020). The EDF hydroelectric power station released few liquid inflows during the study period, these discharges have a uniform impact on water level throughout the lagoon. ...
... Sampling period at both station is 10 min.Water level data in Berre lagoon are provided by HTM-NET network (https://htmnet.mio.osupytheas.fr), a network of instruments providing long term air and water pressure and temperature measurements along the French south-east Mediterranean coast(Rey et al., 2020). The data used for the present study was recorded from March 2019 to August 2020 with a similar setup as for Vaccarès, 185 i.e. two pairs of piezometers (Keller PAA-36Xiw CTD). ...
Article
Full-text available
The present paper is specifically focused on enclosed or semi-enclosed basins where the wind is the dominant driver of water surface tilting, leading to the so-called wind tide contributing to water levels rise. Wind-induced free surface tilting is studied using the 1-D steady form of the depth-averaged shallow water (Saint-Venant) momentum equation which reflects the depth-averaged local balance between surface slope and wind stress. Two contrasted field sites, the Berre and Vaccarès lagoons, have been monitored providing water level data along a reference axis. This study highlighted the occurrence of wind tides at the two field sites. The bimodal wind exposure ensured the robustness of the observations, with non-linear but symmetric behaviors patterns observed in winds from opposite directions. It is observed that the higher the wind speed, the steeper the slope of the free surface in accordance with the well known basic trend. In addition, a significant effect of depth is observed, with greater surface tilting in the shallower lagoon. The data analysis confirmed the robustness of such a simple approach in the present context. Using the additional assumption of constant, i.e. wind-independent, drag coefficients (CD) allowed a good match with the observations for moderate wind speeds for both sites. However, the depth effect required the CD to be increased in the shallower basin. Classical empirical wind-dependent CD parameterizations provide better wind-tide predictions than the constant-CD approach in very strong wind conditions but totally failed in predicting surface tilting in the shallower site, suggesting that physical parameters other than wind speed should be taken into account for the CD parameterization in very shallow lagoons.
Article
Full-text available
Sea level observations at Cape Bon. Tunisia, and Mazara del Vallo, Sicily, show that large, coherent oscillations exist across the Strait of Sicily with significant energy bands centered at periods of 35.3, 41.6, 50.6, 75.8, and 134.5 min, whose possible structure is confirmed by a numerical approximation to the gravitational barotropic normal modes with realistic topography. It is observed that these oscillations are related to the passage of synoptic weather systems over the region. An investigation on the configuration, phase velocity, and direction of approach of atmospheric disturbances over the region suggests that the oscillations in the Strait of Sicily could be forced by instabilities that develop in large-scale, low pressure fronts that propagate as pressure gravity waves with an approximate phase speed between 24 and 30 m s-1.
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We investigate the potential of local earthquakes to generate tsunamis and seiches within Lake Tahoe. We calculated the long wavelength oscillations generated by 3 hypothetical M w > 7 earthquake scenarios for faults with normal slip directly under and outside the lake basin. The scenarios involving fault slip under the lake are the North Tahoe-Incline Village and West Tahoe-Dollar Point scenarios. The Genoa scenario involves a fault that crops out 10 km east of the lake. Faulting beneath the lake generates a tsunami followed by a seiche that continues for hours with waves as large as 3 to 10 m. The seiche potentially threatens low lying lakeside communities and lifelines. We also compare the spectral characteristics of synthetic tide gauge records with wind swell observations. The fundamental mode calculated for a seiche is consistent with the wind swell observations.
Article
Full-text available
Tsunami propagation is analyzed for the Ligurian Sea with particular attention on the French coasts of the Mediterranean. Historical data of tsunami manifestation on the French coast are analyzed for the period 2000 B.C.–1991 A.D. Numerical simulations of potential and historical tsunamis in the Ligurian Sea are done in the context of the nonlinear shallow water theory. Tsunami wave heights as well as their distribution function is calculated for historical tsunamis and it is shown that the log-normal distribution describes reasonably the simulated data. This demonstrates the particular role of bottom irregularities for the wave height distribution function near the coastlines. Also, spectral analysis of numerical tide-gauge records is done for potential tsunamis, revealing the complex resonant interactions between the tsunami waves and the bottom oscillations. It is shown that for an earthquake magnitude of 6.8 (averaged value for the Mediterranean Sea) the tsunami phenomenon has a very local character but with long duration. For sources located near the steep continental slope in the vicinity of the French-Italian Rivera, the tsunami tide-gauge records in the vicinity of Cannes – Imperia present irregular oscillations with a characteristic period of 20–30 min and a total duration of 10–20 h. For the western French coasts the amplitudes are significantly less with characteristic low-frequency oscillations (period of 40 min–1 h).
Article
Seiches affecting the Port of Rotterdam are generated in the Southern North Sea. Their generation is investigated with observations and numerical simulations. A wavelet analysis of the observations, both at sea and in the harbor, shows that low-frequency energy (0.1-2.0 mHz) does indeed occur at sea prior to each seiche event in Rotterdam. An analysis of 6 years of weather charts indicates that all 51 seiche events in this period (with amplitude exceeding 0.25 m) coincided with the passage of a low-pressure weather system. Some of these low-pressure systems included a sharp cold front (classical or ana), whereas others included a more diffuse cold front (split or kata). Numerical simulations with a hydrodynamic model driven by meteorological observations reproduced the seiches for situations with the sharp cold fronts correctly. The seiches that were simulated for situations with the gradual cold fronts do not agree with the observations, which is ascribed to the inadequate atmospheric forcing of the hydrodynamical model.
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Seiche measured within a small (0.6 by 0.6 km), shallow (12-m depth) harbor is dominated by oscillations in several narrow infragravity frequency bands between approximately 10-3 and 10-2 Hz. Energy levels within the harbor are amplified, relative to just outside the harbor in 8.5-m depth, by as much as a factor of 20 at the lowest (grave mode) resonant frequency (˜10-3 Hz) compared to amplifications of roughly 5 at higher resonant frequencies (˜10-2 Hz). At nonresonant frequencies, energy levels observed inside the harbor are lower than those outside. These amplifications are compared to predictions of a numerical model of seiche excited by linear, inviscid long waves impinging on a harbor of variable depth. The amplification of higher-frequency (˜10-2-Hz) seiches is predicted within a factor of about 2. However, at the grave mode (10-3 Hz), the observed amplification decreases with increasing swell and seiche energy levels, possibly owing to the sensitivity of this highly amplified mode to dissipation not included in the inviscid model. The energy levels of higher-frequency seiche within the harbor were predicted from the offshore sea and swell spectra by the ad hoc coupling of the linear model for the amplification of harbor modes with a nonlinear model for the generation of bound infragravity waves outside the harbor. The predictions are qualitatively accurate only when the swell is energetic and bound waves are a significant fraction of the infragravity energy outside the harbor.
T-S Data Assimilation to
  • Y Leredde
  • Devenon J.-L Dekeyser I
LEREDDE Y., DEKEYSER I., DEVENON J.-L. (2002). T-S Data Assimilation to