Les estimations de la remontée générale du niveau de la mer, de l'ordre de 17 ± 2 cm sur le siècle dernier, masquent une réalité très variable d'une région à l'autre. Qu'en est-il du littoral charentais ? Des séries temporelles de plus de 40-50 ans sont souvent indispensables pour tirer des tendances fiables à long terme sur les composantes du niveau marin : niveau moyen de la mer, ondes de marée et effets météorologiques. Or, de nombreux lots de mesures marégraphiques du littoral charentais " sommeillaient " dans les centres d'archive français, i.e. : La Rochelle-Vieux port (1775-1892), La Rochelle-La Pallice (1885-auj.), île d'Aix (1824-auj.), fort Enet (1859-1873), fort Boyard(1873-1909) et Cordouan (1812-1994). Les objectifs de nos travaux de recherche étaient multiples : inventorier,sauvegarder et numériser des lots de mesures historiques du niveau marin, puis construire des séries temporelles recomposées à partir de ces lots de mesures hétérogènes, temporellement et spatialement, et enfin les exploiter pour mieux décrire et comprendre l'évolution à long terme du niveau de la mer. La qualité des trois séries construites (LaRochelle : 1775-auj. ; Aix-Enet-Boyard : 1824-auj. ; et Cordouan : 1812-1994) a ensuite été éprouvée en détail afin d'évaluer le niveau de précision de notre reconstruction. A partir de ces séries inédites, nous avons pu étudier l'évolution des composantes du niveau marin. Suite à ces travaux, nous fournissons un inventaire le plus exhaustif possible détaillant les mesures de 25 observatoires de Charente-Maritime, de 1775 à aujourd'hui. Les données des séries temporelles ainsi que des éléments permettant d'apprécier leur qualité seront bientôt disponibles en ligne sur REFMAR (refmar.shom.fr), SONEL (www.sonel.org) et au PSMSL (www.psmsl.org). Nos résultats positifs nous ont permis de reconstruire une série encore plus globale, celle du pertuis d'Antioche, à partir des moyennes mensuelles du niveau marin des séries de La Rochelle et d'Aix-Enet-Boyard. Parmi les résultats marquants obtenus,le niveau moyen de la mer s'est élevé de +1,38 ± 0,08 mm/an dans le pertuis d'Antioche sur la période 1860-2010.Ce résultat est cohérent avec Liverpool (+1,2 ± 0,1 mm/an sur la période 1858-1997 [Woodworth, 1999a]) et avec les récents résultats suggérant que l'élévation du niveau marin sur les côtes atlantiques européennes est moins importante qu'au niveau mondial (+1,7 ± 0,3 mm/an sur la période 1870-2004 [Church & White, 2006]).

Les surcotes de tempête sont souvent sous-estimées dans les modèles hydrodynamiques, ainsi que les grandes vagues dans les modèles de vagues. Les causes possibles sont une sous-estimation des vents dans les modèles atmosphériques et/ou une formulation incorrecte de la tension de vent. Les objectifs de cette thèse sont (1) d’estimer les biais par vents forts dans les modèles atmosphériques (2) de développer une nouvelle paramétrisation du coefficient de traı̂née permettant de réduire ce biais (3) d’étudier l’impact des vagues sur la tension de vent. La méthode consiste à étudier la réponse de l’atmosphère et de l’océan à la tension de vent. Dans une première partie, nous utilisons le modèle couplé vagues-atmosphère d’ECMWF. Nous montrons que les vents forts sont sous-estimés, avec un biais de l’ordre de -7 m/s à 30 m/s. Des écarts significatifs existent aussi entre les observations, les bouées et les vents issus de ASCAT-KNMI étant généralement inférieurs à ceux des plateformes et des autres données satellites utilisées dans cette étude (AMSR2, ASCAT-RSS, WindSat, SMOS et JASON-2). La nouvelle paramétrisation développée permet d’obtenir des vents plus forts qu’avec celle d’ECMWF par défaut. Dans une deuxième partie (réponse de l’océan), nous utilisons le modèle global océanique TUGO du LEGOS forcé par le modèle couplé vagues-atmosphère d’ECMWF. Nous montrons qu’une paramétrisation de la tension de vent dépendant des vagues plutôt que du vent est plus appropriée quand l’état de mer est jeune. Elle conduit à des surcotes plus proches des observations (marégraphes et traces altimétriques de JASON-2). L’impact des vagues sur la surcote est significatif, et peut atteindre 20 cm. / Storm surges may be underestimated in hydrodynamic models, as well as large wave heights in wave models. This could come from an underestimation of strong winds in atmospheric models and/or an inappropriate wind stress formulation. The objectives of the present work are (1) to estimate how strong are the biases for high winds in atmospheric models (2) to develop a new drag parameterization that could reduce this bias (3) to investigate the impact of the waves on the wind stress. The method consists of studying the response of the atmosphere and the ocean to the wind stress.In a first part, we use the coupled wave-atmosphere model from ECMWF. We show that strong winds may be underestimated, as much as -7 m/s at 30 m/s.Significant differences also exist between observations, with buoys and ASCAT-KNMI generally showing lower wind speeds than the platforms and other remote-sensing data used in this study(AMSR2, ASCAT-RSS, WindSat, SMOS and JASON-2).The newly empirically adjusted Charnock parameterization leads to higher winds compared to the default ECMWF parameterization. In a second part, we use the global ocean model TUGO fromLEGOS forced with ECMWF coupled wave-atmopshere model. We show that a wave-dependent rather than wind-dependent stress formulation is more appropriate, when the sea state is young and the sea rougher. It yields to simulated surges closer to observations (i.e. tide gauges and JASON-2 altimeter tracks). The wave impact on the surges is significant, and may reach 20 cm.

La protection des zones littorales contre les agressions naturelles provenant de la mer, et notamment contre le risque de submersion marine, est essentielle pour sécuriser les installations côtières. La prévention de ce risque est assurée par des protections côtières qui sont conçues et régulièrement vérifiées grâce généralement à la définition du concept de niveau de retour d’un événement extrême particulier. Le niveau de retour lié à une période de retour assez grande (de 1000 ans ou plus) est estimé par des méthodes statistiques basées sur la Théorie des Valeurs Extrêmes (TVE). Ces approches statistiques sont appliquées à des séries temporelles d’une variable extrême observée et permettent de connaître la probabilité d’occurrence de telle variable. Dans le passé, les niveaux de retour des aléas maritimes extrêmes étaient estimés le plus souvent à partir de méthodes statistiques appliquées à des séries d’observation locales. En général, les séries locales des niveaux marins sont observées sur une période limitée (pour les niveaux marins environ 50 ans) et on cherche à trouver des bonnes estimations des extrêmes associées à des périodes de retour très grandes. Pour cette raison, de nombreuses méthodologies sont utilisées pour augmenter la taille des échantillons des extrêmes et réduire les incertitudes sur les estimations. En génie côtier, une des approches actuellement assez utilisées est l’analyse régionale. L’analyse régionale est indiquée par Weiss (2014) comme une manière très performante pour réduire les incertitudes sur les estimations des événements extrêmes. Le principe de cette méthodologie est de profiter de la grande disponibilité spatiale des données observées sur différents sites pour créer des régions homogènes. Cela permet d’estimer des lois statistiques sur des échantillons régionaux plus étendus regroupant tous les événements extrêmes qui ont frappé un ou plusieurs sites de la région (...) Cela ainsi que le caractère particulier de chaque événement historique ne permet pas son utilisation dans une analyse régionale classique. Une méthodologie statistique appelée FAB qui permet de réaliser une analyse régionale tenant en compte les données historiques est développée dans ce manuscrit. Élaborée pour des données POT (Peaks Over Threshold), cette méthode est basée sur une nouvelle définition d’une durée d’observation, appelée durée crédible, locale et régionale et elle est capable de tenir en compte dans l’analyse statistique les trois types les plus classiques de données historiques (données ponctuelles, données définies par un intervalle, données au-dessus d’une borne inférieure). En plus, une approche pour déterminer un seuil d’échantillonnage optimal est définie dans cette étude. La méthode FAB est assez polyvalente et permet d’estimer des niveaux de retour soit dans un cadre fréquentiste soit dans un cadre bayésien. Une application de cette méthodologie est réalisée pour une base de données enregistrées des surcotes de pleine mer (données systématiques) et 14 surcotes de pleine mer historiques collectées pour différents sites positionnés le long des côtes françaises, anglaises, belges et espagnoles de l’Atlantique, de la Manche et de la mer du Nord. Enfin, ce manuscrit examine la problématique de la découverte et de la validation des données historiques / The protection of coastal areas against the risk of flooding is necessary to safeguard all types of waterside structures and, in particular, nuclear power plants. The prevention of flooding is guaranteed by coastal protection commonly built and verified thanks to the definition of the return level’s concept of a particular extreme event. Return levels linked to very high return periods (up to 1000 years) are estimated through statistical methods based on the Extreme Value Theory (EVT). These statistical approaches are applied to time series of a particular extreme variable observed and enables the computation of its occurrence probability. In the past, return levels of extreme coastal events were frequently estimated by applying statistical methods to time series of local observations. Local series of sea levels are typically observed in too short a period (for sea levels about 50 years) in order to compute reliable estimations linked to high return periods. For this reason, several approaches are used to enlarge the size of the extreme data samples and to reduce uncertainties of their estimations. Currently, one of the most widely used methods in coastal engineering is the Regional Analysis. Regional Analysis is denoted by Weiss (2014) as a valid means to reduce uncertainties in the estimations of extreme events. The main idea of this method is to take advantage of the wide spatial availability of observed data in different locations in order to form homogeneous regions. This enables the estimation of statistical distributions of enlarged regional data samples by clustering all extreme events occurred in one or more sites of the region. Recent investigations have highlighted the importance of using past events when estimating extreme events. When historical data are available, they cannot be neglected in order to compute reliable estimations of extreme events. Historical data are collected from different sources and they are identified as data that do not come from time series. In fact, in most cases, no information about other extreme events occurring before and after a historical observation is available. This, and the particular nature of each historical data, do not permit their use in a Regional Analysis. A statistical methodology that enables the use of historical data in a regional context is needed in order to estimate reliable return levels and to reduce their associated uncertainties. In this manuscript, a statistical method called FAB is developed enabling the performance of a Regional Analysis using historical data. This method is formulated for POT (Peaks Over Threshold) data. It is based on the new definition of duration of local and regional observation period (denominated credible duration) and it is able to take into account all the three typical kinds of historical data (exact point, range and lower limit value). In addition, an approach to identify an optimal sampling threshold is defined in this study. This allows to get better estimations through using the optimal extreme data sample in the FAB method.FAB method is a flexible approach that enables the estimation of return levels both in frequentist and Bayesian contexts. An application of this method is carried out for a database of recorded skew surges (systematic data) and for 14 historical skew surges recovered from different sites located on French, British, Belgian and Spanish coasts of the Atlantic Ocean, the English Channel and the North Sea. Frequentist and Bayesian estimations of skew surges are computed for each homogeneous region and for every site. Finally, this manuscript explores the issues surrounding the finding and validation of historical data

Cette thèse analyse la variabilité des surcotes et des niveaux marins extrêmes dans le Golfe du Lion et les conditions atmosphériques associées à différentes échelles spatio-temporelles de 1905 à 2100. Les analyses se basent sur les données marégraphiques à quatre stations (Port-Vendres, Sète, Grau-de-la-Dent et Marseille), les vents à chacune de ces stations et les champs de pression observés au cours du 20ème siècle et simulés au 21ème siècle, par ARPEGE-climat, selon deux scénarios de changement climatique (A2 et B2). Les séries marégraphiques au pas de temps horaire du Grau de la Dent, Sète et Port-Vendres ont été numérisées et validées sur la période commune 1986-1995 grâce au logiciel NUNIEAU. La série quotidienne des hauteurs d'eau mesurées au Grau de la Dent à 6h TU et les moyennes mensuelles à Marseille ont été utilisées afin d'étudier la variabilité depuis 1905.<br /><br />Les surcotes extrêmes (> 40 cm) sont des événements d'échelle régionale dans le Golfe du Lion, c'est-à-dire qu'elles s'y produisent pratiquement simultanément avec une amplitude similaire. Elles sont principalement forcées par des vents de secteur sud à sud-est, générés par un fort gradient barométrique zonal entre une dépression située entre l'Espagne et les Iles Britanniques et des hautes pressions localisées sur l'Europe centrale. A l'échelle des types de temps (~ 30 millions de km2) et de l'ensemble du domaine centré sur l'Atlantique Nord, les surcotes sont principalement associées à « Greenland Above » (GA), « Blocking » (BL) et à la phase négative de l'Oscillation Nord-Atlantique (ONA), c'est-à-dire lorsque la circulation zonale au dessus de l'Atlantique Nord est décalée au sud de sa trajectoire habituelle. Des surcotes locales peuvent toutefois apparaître par flux de N à NW en fonction de l'orientation de la côte, comme à Port-Vendres et Marseille. <br /><br />A l'échelle du 20ème siècle, la hausse des niveaux marins extrêmes au Grau-de-la-Dent (+ 0.31 mm/an) est associée à la remontée du niveau marin moyen (+ 0.20 mm/an) à laquelle se superpose l'élévation des surcotes (+ 0.12 mm/an), liée à l'augmentation de la fréquence des vents de sud à sud-est dans le Golfe du Lion. Paradoxalement, la fréquence des jours « GA » reste stationnaire au 20ème siècle et la phase moyenne de l'ONA montre une nette déviation positive dans la seconde moitié du 20ème siècle. Cependant, à partir des années 1960, des modifications atmosphériques (augmentation de la pression sur l'Europe Centrale lors des jours « GA » et décalage vers l'est des principaux centres d'action de l'ONA) ont augmenté la probabilité d'occurrence des vents de sud et sud-est et des surcotes dans le Golfe du Lion, durant les phases négatives de l'ONA et les jours « GA ». <br /><br />Au 21ème siècle, la hauteur et la fréquence des surcotes dans le Golfe du Lion restent stationnaires dans les scénarios A2 et B2. Mais des surcotes vont se superposer à un niveau marin moyen inéluctablement croissant. A la fin du 21ème siècle, la fréquence des niveaux marins érosifs dans le Golfe du Lion (> 40 cm NGF) pourrait dépasser 20% de l'hiver dans la scénario B2 et 30% dans le scénario A2, selon les projections basses de la remontée du niveau marin moyen. Selon les projections hautes, le niveau aujourd'hui centennal (> 1 m NGF) pourrait se produire plusieurs fois par hiver dans A2 et B2.

Les estimations de la remontée générale du niveau de la mer, de l’ordre de 17 ± 2 cm sur le siècle dernier, masquent une réalité très variable d’une région à l’autre. Qu’en est-il du littoral charentais ? Des séries temporelles de plus de 40-50 ans sont souvent indispensables pour tirer des tendances fiables à long terme sur les composantes du niveau marin : niveau moyen de la mer, ondes de marée et effets météorologiques. Or, de nombreux lots de mesures marégraphiques du littoral charentais « sommeillaient » dans les centres d’archive français, i.e. : La Rochelle-Vieux port (1775-1892), La Rochelle-La Pallice (1885-auj.), île d’Aix (1824-auj.), fort Enet (1859-1873), fort Boyard(1873-1909) et Cordouan (1812-1994). Les objectifs de nos travaux de recherche étaient multiples : inventorier,sauvegarder et numériser des lots de mesures historiques du niveau marin, puis construire des séries temporelles recomposées à partir de ces lots de mesures hétérogènes, temporellement et spatialement, et enfin les exploiter pour mieux décrire et comprendre l’évolution à long terme du niveau de la mer. La qualité des trois séries construites (LaRochelle : 1775-auj. ; Aix-Enet-Boyard : 1824-auj. ; et Cordouan : 1812-1994) a ensuite été éprouvée en détail afin d’évaluer le niveau de précision de notre reconstruction. A partir de ces séries inédites, nous avons pu étudier l’évolution des composantes du niveau marin. Suite à ces travaux, nous fournissons un inventaire le plus exhaustif possible détaillant les mesures de 25 observatoires de Charente-Maritime, de 1775 à aujourd’hui. Les données des séries temporelles ainsi que des éléments permettant d’apprécier leur qualité seront bientôt disponibles en ligne sur REFMAR (refmar.shom.fr), SONEL (www.sonel.org) et au PSMSL (www.psmsl.org). Nos résultats positifs nous ont permis de reconstruire une série encore plus globale, celle du pertuis d’Antioche, à partir des moyennes mensuelles du niveau marin des séries de La Rochelle et d’Aix-Enet-Boyard. Parmi les résultats marquants obtenus,le niveau moyen de la mer s’est élevé de +1,38 ± 0,08 mm/an dans le pertuis d’Antioche sur la période 1860-2010.Ce résultat est cohérent avec Liverpool (+1,2 ± 0,1 mm/an sur la période 1858-1997 [Woodworth, 1999a]) et avec les récents résultats suggérant que l’élévation du niveau marin sur les côtes atlantiques européennes est moins importante qu’au niveau mondial (+1,7 ± 0,3 mm/an sur la période 1870-2004 [Church & White, 2006]). / Global sea level rise, which is estimated at 17 ± 2 cm over the last century, does not reflect the differences of the sealevel evolution between places across the world. What is the situation along the Charente-Maritime French Atlanticcoast? Time series covering a period of at least 40-50 years are vital to establish reliable long-term trends of sealevel components: mean sea level, tidal constituents and meteorological effects. Many tide gauge data sets of the Charente-Maritime coast have recently been rediscovered in archives: La Rochelle-Vieux port (1775-1892), La Rochelle-La Pallice (1885-today), île d’Aix (1824-today), fort Enet (1859-1873), fort Boyard (1873-1909) and Cordouan (1812-1994). The aims of this thesis were firstly to inventory, to rescue and to digitize historical sea leveldata sets. Secondly, those data sets were put back together in order to construct continuous time series, which have been analysed and led to a better description of long-term sea level changes. In this way, three time series were constructed (La Rochelle: 1775-today; Aix-Enet-Boyard: 1824-today; and Cordouan: 1812-1994) and have been deeply examined to assess the construction validity and quality. From these new time series, we could estimate changes of sea level components. Thanks to this research work, we have been able to provide an inventory as exhaustive as possible, with detailed measurements of twenty five Charente-Maritime’s stations from 1775 to nowadays. All those data will be soon available on REFMAR (refmar.shom.fr), SONEL (www.sonel.org) and PSMSL (www.psmsl.org) websites. From those positive results, we have been able to reconstruct a more global time series (Pertuis d’Antioche) from the monthly mean sea levels of La Rochelle and Aix-Enet-Boyard. Among our results, we can high light that the mean sea level trend on Pertuis d’Antioche is estimated at +1.38 ± 0.08 mm/year, from 1860 to 2010. This result is consistent with Liverpool’s trend (+1.2 ± 0.1 mm/year from 1858 to 1997[Woodworth, 1999a]) and also with recent results suggesting that sea level rise along the European Atlantic coasts isslower than global sea level rise (+1.7 ± 0.3 mm/year from 1870 to 2004 [Church & White, 2006]).

La ville du Havre et son agglomération sont implantées entre l'estuaire de la Seine et le plateau crayeux du Pays de Caux. Ce territoire côtier est soumis à des risques naturels typiques des zones littorales que sont les submersions marines et l'érosion des falaises. L'étude a été réalisée à partir de photographies aériennes et de relevés topographiques aériens LiDAR (laser altimétrique). La ville basse du Havre, construite autour de bassins portuaires, est particulièrement sensible à l'aléa submersion marine. Des inondations urbaines ont déjà eu lieu en 1981, 1983 et 1984. Elles résultent d'une conjonction entre des hautes mers de vives-eaux et des surcotes marines produites par des dépressions et/ou des vents forts. L'étude a visé à cartographier les zones de débordement et d'inondation potentielle de la ville basse du Havre en superposant divers scenarii de niveaux d'eaux statiques et la topographie haute précision de la zone urbaine. Les falaises littorales de la pointe de Caux, situées entre le Cap de La Hève et le Cap d'Antifer subissent une dynamique gravitaire à mouvements de terrain récurrents. L'étude de la zone entre 1985 et 2008 (23 ans) montre un taux d'érosion moyen du haut de falaise de 18 cm/an. L'accumulation de dépôts d'éboulis a formé un talus continu en pied de falaise qui atteint un volume de 36,7 millions de m3. Les dépôts d'éboulis sont localement très variables en taille, volume et composition, du nord au sud du secteur d'étude. Bien que seul 10 % du linéaire du pied de talus soit atteint par les hautes mers en conditions de vives-eaux, le pied de talus peut localement être rogné par la mer et entraîner une déstabilisation de la falaise littorale. L'impact d'une augmentation du niveau marin au Havre est susceptible d'amplifier à long terme l'intensité de ces deux aléas côtiers, mais il apparaît cependant comme faible par rapport à l'influence des facteurs météorologiques.