# Introduction

Face au changement climatique, la vulnérabilité des zones côtières basses et sableuses est particulièrement importante (Nicholls et Hoozemans, 1996). En effet, ces zones fragiles sont particulièrement soumises aux caprices de la mer et notamment aux tempêtes entraînant l’érosion et la submersion des zones côtières. La plupart de ces événements violents se produisent lors du passage d’une forte dépression (Bouligand et Pirazzoli, 1999). Cette dernière est responsable de l’apparition de vents violents qui poussent la masse d’eau vers les côtes et entraîne la formation des pics de niveaux marins extrêmes (Bouligand et Pirazzoli, 1999; Pirazzoli et al, 2006; Ullmann et Pirazzoli, 2007).

Le Golfe du Lion est situé au nord-ouest du bassin méditerranéen occidental (figure 1). Les côtes françaises s’étendent sur environ 200 kilomètres de Port-Vendres à Marseille et sont ouvertes au sud ou au sud-est sur la Méditerranée (figure 1). Elles sont principalement composées de vastes étendues basses et sableuses sauf à ses deux extrémités où le littoral présente une alternance de baies entrecoupées par des caps rocheux. Le golfe du Lion est soumis au climat méditerranéen qui n’est pas exempt de phénomènes violents. Même s’il ne se situe pas sous les principales trajectoires des perturbations de l’Atlantique (Rogers, 1997), de fortes dépressions peuvent néanmoins y transiter (Alpert et al, 1990). Le 8 novembre 1982, le quotidien « La Provence » titrait : « Vent fou sur la Provence, […] bateaux brisés : tempête de sud-est, rafales entre 90 et 100 km/h ». Le lendemain, il titrait : « Tempêtes : 11 morts et des dégâts considérables; La mer a envahi les Saintes-Maries » en référence à ce qui s’était déroulé la veille. Le 18 décembre 1997, on pouvait lire à la une de ce même quotidien : « Neige et tempête sur toute la région […] à Salins de Giraud, une digue frontale a cédé […] vents de sud-est de 120 km/h ». Le lendemain : « Tempête : l’inondation est venue de la mer ». Ces deux épisodes restent encore aujourd’hui considérés comme des tempêtes particulièrement destructrices, en particulier pour les infrastructures côtières.

Face à ces aléas, le Golfe du Lion présente des enjeux particulièrement importants. Le littoral y est en effet densément peuplé et concentre de nombreuses activités socio-économiques. C’est le cas par exemple du tourisme balnéaire des côtes héraultaises ou encore des importants flux commerciaux et pétroliers du port autonome de Marseille. Les enjeux sont également naturels, notamment pour la Camargue, zone protégée mais menacée par les pics de niveau marin atteints lors des tempêtes qui ont entraîné un recul du trait de côte de plus de 100 mètres en un siècle (Sabatier et Suanez, 2003). Ce Golfe est donc particulièrement vulnérable face aux tempêtes et concentre une multitude de « points chauds » où les risques sont sérieux.

Différents modes de variabilité atmosphérique régissent le climat de l’Europe : des conditions météorologiques locales et instantanées jusqu’aux lentes oscillations climatiques agissant à de très vastes échelles spatiales. Partant du constat que le climat est un système multi-scalaire dynamique, l’objectif de cette étude est d’analyser comment les tempêtes dans le Golfe du Lion, qui sont des événements ponctuels et localisés, sont intégrées à ces conditions atmosphériques agissant à différentes échelles spatio-temporelles. Le but est de comprendre comment le changement climatique « global » au 20ème siècle a pu modifier le système climatique et avoir un impact sur les tempêtes à l’échelle du Golfe du Lion.

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Figure 1 : Localisation de la zone d’étude et des stations météo-marines

# Données et méthodes

Pour répondre à la problématique de cette étude, les conditions atmosphériques des tempêtes sont isolées à différentes échelles spatio-temporelles :

- A l’échelle locale et régionale avec l’analyse des directions tri-horaires du vent de trois stations météorologiques du Golfe du Lion (~ 22 000 km2; figure 1) de 1961 à 2003 à Cap Couronne (42,2°N-5,05°E) et de 1949 à 2003 à Sète (41,1°N-3,4°E) et à Port-Vendres (43°N-3,02°E).

- A l’échelle synoptique qui correspond essentiellement à l’activité des perturbations tempérées dont la surface d’influence couvre environ 1 million de km2 (figure 2) et dont la durée de vie est généralement comprise entre 2 et 6 jours. Les données quotidiennes (6h TU) de pression atmosphérique de surface sont utilisées ici de 1905 à 2002. Elles sont issues des ré-analyses du NCAR (National Center for Atmospheric Research). Ces données, exprimées en hectopascals (hPa), ont une résolution spatiale de 5° de longitude et de 5° de latitude et couvrent l’ensemble du globe.

- A l’échelle de l’Oscillation Nord-Atlantique (ONA), qui correspond au balancement en opposition de phase entre la masse d’air subtropicale et subpolaire (Jones et al, 1997) et qui influence une surface couvrant plus de 80 millions de km2 de l’Atlantique Nord et des continents bordiers (figure 2). Ce phénomène atmosphérique a pour principales conséquences des changements de la pression de surface et des variations de la direction et vitesse de la circulation atmosphérique, notamment des vents d’ouest. L’ONA est définie par un indice (IONA exprimé en hPa) qui est calculé quotidiennement comme la différence entre la pression atmosphérique au niveau des Açores et celle sur l’Islande (Jones et al, 1997). Lorsque l’ONA est en phase négative, la pression atmosphérique au niveau des Açores est plus basse que la normale et celle au niveau de l’Islande est légèrement moins creuse. L’IONA est donc logiquement négatif. Inversement, une valeur positive d’IONA indique que la pression est anormalement élevée au niveau des Açores et plus basse autour de l’Islande. Dans cette étude, l’ONA sera surtout analysée via les moyennes mensuelles.

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Figure 2 : Espace d’influence des conditions atmosphériques de l’échelle régionale (en orange), synoptique (en jaune) et à l’échelle de l’Oscillation Nord-Atlantique (en bleu).

# Tempêtes dans le Golfe du Lion : conditions atmosphériques moyennes

Les côtes du Golfe du Lion sont principalement ouvertes sur la Méditerranée vers le sud ou le sud-est (figure 1). A l’échelle locale, les tempêtes capables d’engendrer des pics de niveau marin extrême au niveau du littoral sont celles associées aux vents de mer de secteur sud-est (90°-180°) dont la vitesse dépasse 5 m/s. Ces vents sont alors capables de pousser la masse d’eau méditerranéenne vers les côtes du Golfe du Lion (Ullmann et al, 2007; Ullmann et Pirazzoli, 2007). De plus, lors d’un épisode tempétueux, le vent souffle de secteur sud-est de façon synchrone dans l’ensemble du Golfe (Ullmann et Pirazzoli, 2007). Le fait que les tempêtes soient d’échelle régionale témoigne d’un mode de variabilité atmosphérique agissant à une plus vaste échelle spatiale que le Golfe du Lion.

A l’échelle synoptique, la figure 3 présente la géographie barométrique moyenne des jours où le vent souffle de 90°-180° > 5 m/s de façon synchrone à Cap Couronne, Sète et à Port-Vendres de 1961 à 2003. Les résultats sont ici présentés du Jour J-5 au Jour-J pour analyser l’évolution de la situation synoptique lors de la formation de telles tempêtes. A partir de 5 jours avant le jour-J, une dépression se forme sur l’Atlantique Nord au niveau de l’Islande (figure 3). Elle suit ensuite une trajectoire méridionale jusqu’à stagner et se renforcer autour du Golfe de Gascogne où elle atteint le minimum de 1000 hPa le jour-J (figure 3). Le vent tournant dans le sens antihoraire autour d’une dépression, l’ensemble du Golfe du Lion se trouve alors sous des vents de sud-est > 5 m/s.

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Figure 3 : Pression atmosphérique moyenne (hPa) des jours où le vent souffle de 90°-180° et > 5 m/s à Cap Couronne, Sète et Port-Vendres de 1961-2002. La pression atmosphérique moyenne est calculée pour les jours J-5 aux jours J.

Les conditions atmosphériques des tempêtes sont enfin isolées à l’échelle de l’ONA. La fréquence mensuelle des vents de 90°-180° > 5 m/s aux trois stations météorologiques est calculée par classe d’IONA mensuel moyen. Le même calcul est effectué pour la fréquence mensuelle des jours où une dépression < 1000 hPa se trouve autour du Golfe de Gascogne ([15°W-0°W], [40°N-45°N]). Très nettement, plus la moyenne mensuelle d’IONA est négative, plus la fréquence mensuelle des vents de sud-est est importante dans l’ensemble du Golfe du Lion (figure 4). De la même manière, plus la fréquence mensuelle des jours où une dépression transite autour du Golfe de Gascogne augmente plus la moyenne mensuelle d’IONA devient négative (figure 4). Une moyenne mensuelle de l’IONA indique donc une probabilité du risque de tempêtes de sud-est dans le Golfe du Lion.

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Figure 4. Fréquence mensuelle moyenne (%) des vents de 90°-180° > 5 m/s à Cap Couronne, Sète et Port-Vendres par classe d’indice mensuel moyen d’Oscillation Nord-Atlantique de 5 hPa de 1961 à 2002. Idem pour la fréquence des dépressions < 1000 hPa sur un secteur de [15°W-0°W], [40°N-45°N].

La formation des forts vents de sud-est dans le Golfe du Lion est donc principalement associée aux phases négatives de l’ONA. Mais toutes les phases négatives ne sont pas obligatoirement associées à de tels vents. Cela explique qu’entre une moyenne mensuelle très positive (+20 hPa) et très négative (-20 hPa), la différence de fréquence des vents de 90-180° est de 20% uniquement (figure 4a). Rappelons que lorsque l’ONA est en phase négative, la pression atmosphérique au niveau des Açores est plus basse que la normale et celle au niveau de l’Islande est légèrement moins creuse (figure 5). Cette situation favorise les trajectoires méridionales des dépressions sur l’Atlantique qui peuvent alors transiter par le Golfe de Gascogne et ainsi entraîner l’apparition des vents de sud-est dans le Golfe du Lion (Rogers, 1997; Ullmann, 2008 ; figure 5). En d’autres termes, les conditions atmosphériques à l’échelle de l’ONA interagissent avec la circulation atmosphérique à l’échelle synoptique et ont finalement un impact sur les conditions de vent dans le Golfe du Lion. Via ces interactions, une partie de l’information des tempêtes du Golfe du Lion, qui sont des événements ponctuels et brefs, est intégrée aux lentes oscillations climatiques de l’ONA opérant à une échelle spatiale de plus de 80 millions de km2 (Ullmann, 2008).

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Figure 5. Représentation schématique des conditions atmosphériques associées (a) aux phases positives de l’ONA et (b) aux phases négatives (http://www.ifremer.fr).

# Tempêtes et Oscillation Nord-Atlantique : variabilité au 20ème siècle

Dans la seconde moitié du 20ème siècle, la fréquence annuelle des vents de 90°-180° > 5 m/s montre une augmentation significative aux trois stations météorologiques du Golfe du Lion, de + 0,28 %/an à Cap-Couronne, de + 0,14 %/an à Sète et de + 0,13 %/an à Port-Vendres (significativité à plus de 99% par un test en T de Student) (figure 6a,b,c). Cette augmentation s’accompagne logiquement d’une intensification et d’une multiplication des pics de niveau marin extrême dans le Golfe du Lion (Ullmann et al, 2007; Ullmann 2008). Mais paradoxalement, l’IONA annuel moyen montre une déviation positive durant la même période et surtout à partir de 1975 (figure 6d). Dans la seconde moitié du 20ème siècle, la variabilité lente des conditions atmosphériques à l’échelle de l’ONA nous donne donc une faible idée, voire une idée fausse, sur l’évolution des conditions météorologiques associées aux tempêtes à l’échelle du Golfe du Lion (Ullmann, 2008).

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Figure 6. Fréquence annuelle (en %) des vents de 90°-180° (a) de 1961 à 2002 à Cap Couronne, (b et c) de 1949 à 2002 à Sète et à Port-Vendres.

En trait tireté rouge, la fréquence annuelle moyenne calculée de 1961 à 2003. (d) Moyenne annuelle de l’indice d’Oscillation Nord-Atlantique (en hPa) de 1949 à 2003. Les traits gras superposés représentent les variations filtrées par un filtre de Butterworth passe-bas ne retenant que les périodes plus longues que 30 ans, afin de visualiser les variations lentes.

# Relation tempêtes / Oscillation Nord-Atlantique : variabilité au 20ème siècle

Afin de tenter d’expliquer le paradoxe observé dans la section précédente, les corrélations glissantes sont calculées de 1949 à 2002 (1961-2002 à Cap Couronne) entre l’IONA mensuel moyen et la fréquence mensuelle des vents de 90°-180° aux trois stations météorologiques du Golfe du Lion. Très nettement, à partir de 1975, la corrélation devient de plus en plus négative aux trois stations considérées (figure 7). Ce renforcement de la corrélation indique que les phases négatives de l’ONA deviennent de plus en plus favorables à la formation des vents de sud-est dans le Golfe du Lion.

Des changements dans les conditions moyennes de l’ONA peuvent intervenir sur la relation entre l’ONA et les conditions météorologiques à l’échelle régionale (Wakelin et al, 2003). En effet, le renforcement de la relation entre les phases négatives de l’ONA et les vents de sud-est dans le Golfe du Lion peut être expliqué par le décalage vers l’est des deux principaux pôles barométriques de l’ONA à partir de 1975 : l’anticyclone des Açores et la dépression d’Islande (Wakelin et al, 2003; Ullmann 2008). A l’échelle synoptique, ce changement a augmenté la probabilité de passage d’une forte dépression autour du Golfe de Gascogne durant les phases négatives de l’ONA (Ullmann, 2008). Par conséquent, il a augmenté le risque d’occurrence des tempêtes et des forts vents de sud-est à l’échelle du Golfe du Lion lorsque la phase de l’ONA est négative.

Dans le contexte du changement climatique, la question des impacts anthropiques sur le climat est particulièrement importante. Ulbrich et Christoph (1999) ont montré que le décalage vers l’est des deux pôles barométriques de l’ONA à partir de 1975 peut être en partie attribué à l’augmentation de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre d’origine anthropique et donc au changement climatique au sens strict du terme. En effet, deux expériences de simulation de la pression atmosphérique ont été réalisées avec un modèle de circulation général. La première simule la pression atmosphérique de 1900 à 1990 en forçant le modèle avec une concentration fixe en CO2 atmosphérique, égale à celle observée au début du 20ème siècle. Autrement dit, l’objectif de cette expérience est la simulation de la variabilité naturelle du climat. La deuxième expérience simule la pression atmosphérique en forçant le modèle avec l’augmentation de la concentration en CO2 atmosphérique telle que celle observée au cours du 20ème siècle, dont l’origine est désormais clairement attribuée aux activités anthropiques (IPCC, 2007). La première expérience ne montre aucun changement significatif de la position des deux principaux pôles barométriques de l’ONA alors qu’ils se déplacent clairement vers l’est dans la deuxième expérience (Ulbrich et Christoph, 1999). Des changements similaires dans les conditions barométriques moyennes à l’échelle de l’ONA ont également été simulés par d’autres modèles climatiques et toujours sous l’influence de l’augmentation de la concentration atmosphérique en gaz à effet de serre (Carnell et al., 1996).

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Figure 7. Corrélations glissantes par segment de 60 mois entre l’indice d’Oscillation Nord-Atlantique (IONA) mensuel moyen et la fréquence mensuelle des vents de 90°-180° (a) de 1961 à 2002 à Cap Couronne, (b et c), de 1949 à 2002 à Sète et à Port-Vendres.

# Conclusion

Les tempêtes du Golfe du Lion sont associées au passage d’une dépression autour du Golfe de Gascogne qui engendre des forts vents de mer de secteur sud-est, capable de pousser et d’accumuler la masse d’eau vers les côtes et d’entraîner inondations et submersions marines. Cette circulation atmosphérique est principalement associée aux phases négatives de l’Oscillation-Nord Atlantique qui favorisent le passage des dépressions autour du Golfe de Gascogne. La circulation atmosphérique sur l’Atlantique Nord et l’Europe peut donc être synthétisée comme un système multi-scalaire dynamique dans lequel des modes de variabilité atmosphérique agissant à différentes échelles spatio-temporelles interagissent entre eux.

Dans la seconde moitié du 20ème siècle, la fréquence des vents de sud-est augmente significativement dans l’ensemble du Golfe du Lion. Paradoxalement, la phase de l’Oscillation Nord-Atlantique présente une déviation positive. Des changements dans les conditions atmosphériques moyennes à l’échelle de l’ONA (décalage vers l’est de la dépression d’Islande et de l’anticyclone des Açores) ont progressivement modifié la dynamique du système de la circulation atmosphérique, notamment aux échelles plus fines que l’Oscillation Nord-Atlantique. En effet, durant les phases négatives de l’ONA, ces changements ont augmenté la probabilité d’occurrence des dépressions d’échelle synoptique transitant autour du Golfe de Gascogne et donc le risque de tempêtes et de forts vents de sud-est à l’échelle du Golfe du Lion.

L’approche par intégration d’échelles spatio-temporelles semble pertinente pour analyser le changement climatique et ses impacts, notamment sur les événements extrêmes aux échelles fines, régionales et locales.