Pour Améliorer la Précision des Prévisions
en Recherche et Sauvetage

Peter C. Smith, Donald J. Lawrence, Keith R. Thompson, Jinyu Sheng, Gilles Verner, Judy St. James, Natacha Bernier and Len Feldman

Introduction
Le succès de toute opération de recherche et sauvetage en mer dépend de la précision des renseignements sur la dérive et du délai pour les obtenir. Le Centre de coordination des opérations de sauvetage (RCC) de la Garde côtière canadienne a la responsabilité d'obtenir ces renseignements et de les utiliser dans la planification des opérations de recherche. Le principal outil dont se sert le RCC à cette fin est un logiciel connu sous le nom de CANSARP (Programme canadien de planification de recherche et sauvetage). Pour prédire le mouvement d'un objet perdu en mer depuis sa dernière position connue, le logiciel se base sur les cartes des courants de dérive dans la région considérée, fondées sur des observations historiques, sur un modèle mathématique simple qui évalue la composante éolienne des courants de dérive, ainsi que sur les facteurs empiriques de dérive due au vent (dérive accrue par l'action du vent sur les surfaces exposées). En se servant des prévisions de vent du Centre météorologique canadien (CMC) et en intégrant dans ses calculs les incertitudes liées aux facteurs de dérive due au vent, CANSARP prédit un ensemble de trajectoires de dérive possibles (fig. 1). Ces données servent ensuite à délimiter un secteur de ratissage qui englobe les positions les plus probables de l'objet des recherches.

L'exactitude de ces renseignements est critique durant les premières heures d'une opération de recherche et sauvetage étant donné que:

*L es erreurs de prévision et, par conséquent, le secteur à ratisser augmentent rapidement avec le temps.

* Dans des conditions extrêmes (fortes tempêtes hivernales ou eaux très froides, p. ex.), les risques pour la vie humaine augmentent aussi de façon considérable avec le temps.

De toute évidence, le succès et le coût des opérations de sauvetage dépendent en grande partie de la précision des prévisions à court terme du logiciel CANSARP.

Pour améliorer ces capacités de prévision, la Garde côtière canadienne, le CMC, l'Université Dalhousie et l'Institut océanographique de Bedford ont entrepris un programme conjoint de recherche et développement, conçu pour vérifier l'effet des prévisions améliorées des vents et courants de dérive. Les chercheurs se proposaient d'utiliser comme base de référence les taux de dérive observés lors d'une expérience menée au cur de l'hiver sur la plate-forme Néo-Écossaise afin de comparer divers modèles, y compris CANSARP, dirigé par les modèles de prévision de vents standard ou haute résolution du CMC, ou encore par un nouveau modèle de circulation océanique élaboré à l'Université Dalhousie.

Figure 1. Exemple de prévisions de dérive CANSARP. Le grand cercle représente la zone d'erreur totale probable qui englobe tous les points extrêmes des trajectoires de dérive et les marges d'erreur correspondantes (Verner et al. 1998)

Les Essais en Mer Description
Les essais du CANSARP en mer ont été effectués au mois de février 1996, sur la plate-forme Néo-Écossaise au large de Halifax. Se fondant sur l'expérience du Programme canadien d'étude des tempêtes dans l'Atlantique (CASP; Anderson et Smith, 1989) mené dans les années 1980, l'essai du CANSARP faisait appel à une station de mesures formée de deux courantomètres ancrés, d'une bouée météorologique MINIMET (fig. 2b), et des relevés hydrographiques hebdomadaires ainsi que le déploiement de différents groupes d'objets flottants le long de la station de mesures. Le programme PCETA avait révélé que l'écoulement de surface moyen à fort cisaillement du courant Néo-Écossais se situait grosso modo entre les verticales des isobathes 100 et 170 m (fig. 2a), et que les fortes tempêtes hivernales, environ deux par semaine, modifiaient profondément la situation. Les chercheurs s'attendaient donc à ce que les essais du CANSARP avec des bouées dérivantes, réalisés sur plusieurs semaines, illustrent l'importance de la variabilité des courants et des vents.

Figure 2. a) Courants moyens observés 1985-1986 b) Emplacements des courantomètres et principaux instruments CTP utilisés pour l'expérimentation sur le terrain du logiciel CANSARP, février 1996

Cinq types (ou configurations) différents d'objets flottants ont été utilisés lors de ces essais (fig. 3a). L'Accurate Surface Tracker (AST) de la SEIMAC est une bouée dérivante en forme de baril avec un tirant d'eau de 80 cm et un petit mât qui dépasse à la surface. Elle présente les mêmes caractéristiques de dérive (c.-à-d. de résistance au vent) qu'une personne à la mer et son comportement est bien connu grâce à de nombreuses expériences antérieures. Les bouées Convertible Accurate Surface Tracker (CAST) de la SEIMAC étaient lestées pour immerger à environ 15 m de profondeur (soit celle du moins profond des courantomètres ancrés) afin de suivre les courants à cette profondeur. Les chercheurs ont aussi utilisé trois cibles de recherche et sauvetage plus réalistes: un petit doris (5,2 m) lesté d'un poids de 159 kg et relié à une AST permettant d'en suivre le déplacement, ainsi que des radeaux de sauvetage 4 et 6 places lestés, avec et sans ancre flottante. La plupart des AST étaient munies d'un système de navigation qui donnait leur position à toutes les heures avec une précision de ± 10 m. Les bouées dérivantes CAST et les AST reliées aux radeaux de sauvetage et au doris étaient équipées pour leur part d'un système dont la précision n'était que de ± 150 m.

Chaque semaine, des groupements différents d'objets flottants étaient déployés (fig. 3b).

Résultats des Essais
Les trajectoires des objets flottants (fig.4.) montrent une grande variabilité du champ de dérive en surface entre les quatre essais. Toutes les trajectoires de l'essai1 (fig.4a) vont vers le large, direction sud-ouest, à grande vitesse et suivent apparemment une dorsale topographique (banc Sambro), comme le suggère la circulation de fond moyenne (Sheng et Thompson, 1996). Les trajectoires de l'essai2 (fig.4b) vont généralement dans la même direction, mais à une vitesse beaucoup plus lente. Par contre, au cours de l'essai3 (fig.4c), toutes les bouées sauf quatre (2 CAST et 2 AST) ont été rabattues vers le rivage par les forts vents soufflant du sud entre le 16 et 18 février. Enfin, les trajectoires de l'essai4 (fig.4d) vont vers le large, mais divergent vers l'est et l'ouest à peu près à 44^oN, mettant en évidence l'importance des particularités à petite échelle (~10 km) du champ de courant de surface. Manifestement, le degré de variabilité noté entre les essais et l'absence d'un épisode de vent significatif (tempête) durant toute la période des essais posera des difficultés à tous les systèmes de prévision, même les meilleurs. Néanmoins, on a remarqué une corrélation entre les vitesses de dérive et, d'une part, le niveau de la mer à Halifax et, d'autre part, les composantes perpendiculaires au rivage des courants à faible profondeur par rapport aux courantomètres (Sheng et al., 1999), ce qui permet de conclure que l'on peut, dans une certaine mesure, déduire la dérive à partir de relevés éloignés.

Figure 3. Expérimentation sur le terrain du logiciel CANSARP
a) Types d'objets flottants utilisés
b) Groupements d'objets flottants

Figure 4. Trajectoires des objets flottants au cours des quatre essais de l'expérience CANSARP en février 1996

Pour de Meilleures Prévisions de Vent
Au cours de l'expérience CANSARP, on a utilisé les prévisions de vent de surface produites par le modèle opérationnel du Centre canadien de météorologie, dit Modèle atmosphérique régional aux éléments finis. On a élaboré deux versions de ce modèle : pour fins de contrôle, le modèle opérationnel nord-américain standard à résolution de 35 km et, pour les essais, une version haute résolution (12 km) configurée pour couvrir la zone d'exploitation de CANSARP. L'évaluation préliminaire des deux versions (12 et 35 km) par comparaison d'une série de prévisions aux observations (14 novembre 1995 à 12 UTC) a indiqué que le modèle haute résolution ne donnait pas un gain de précision significatif par rapport au modèle standard. Plus précisément, les prévisions de vitesse et de direction du vent fournies par les deux modèles affichaient des erreurs systématiques et des erreurs-types largement variables quoique à peu près du même ordre par rapport aux observations de 22 stations établies le long de la côte est du Canada. Malgré cette constatation, il a été décidé de tester les deux modèles sur le domaine CANSARP.

Afin de vérifier la capacité du modèle CMC haute résolution à améliorer les simulations CANSARP de la dérive de surface, les chercheurs ont analysé 54 trajectoires de dérive observées sur différentes périodes de 24 heures au cours des essais en mer. Ils se sont servis à cette fin des courants de surface et facteurs de dérive due au vent utilisés couramment par CANSARP, repris du Manuel national de recherche et de sauvetage. Les courbes de déplacement en fonction du temps (fig.5) indiquent qu'il y a très peu de différence entre les prévisions des modèles haute résolution (12 km) et standard (35 km), dans tous les cas étudiés. Ainsi, les champs de vent du modèle haute résolution n'apportent aucun gain de performance mesurable du CANSARP par rapport à celui obtenu avec les champs standard. De plus, dans les cas où le déplacement net de l'objet est faible, une prévision fondée sur la persistance (c.-à-d. dérive nulle) donne de meilleurs résultats que les deux modèles utilisés. Cette constatation est vérifiée par les moyennes globales de déplacement pour l'ensemble des 54 trajectoires étudiées, sauf en ce qui concerne les radeaux de sauvetage (RS4, RS6). Il se peut que cette divergence soit attribuable à l'influence prédominante du forçage éolien sur le comportement dynamique des radeaux de sauvetage. Toutefois, la conclusion préliminaire reste que le nouveau modèle haute résolution n'améliore pas les simulations CANSARP.

Figure 5. Evolution de la dérive sur 24 heures de divers types d'objets flottants. Comparaison entre le déplacement observé des objets (persistance) et les simulations CANSARP avec prévisions de vent par modélisation standard et haute résolution).
a) Bouée AST n^o 10054, 27 février 1996
b) RS6 n^o 24541, 5 février 1996
c) Bouée AST n^o 4760, 24 février 1996
d) Bouée CAST n^o 3320, 28 février 1996
e) Doris n^o 24548, 1^er février 1996

Vers un Modèle Plus Performant
Dans le but d'améliorer les prévisions de dérive en surface, les chercheurs ont également modifié un modèle de circulation tridimensionnel, mis au point à l'université Dalhousie (Sheng et Thompson 1993), pour pouvoir calculer les trajectoires de dérive d'objets flottants et les comparer aux simulations CANSARP. Ce modèle est fondé sur l'hypothèse que l'écoulement peut être estimé par sommation de deux composantes :

a) Une composante à variation saisonnière extraite du champ de densité observé;

b) Une composante due au vent et aux courants à l'extérieur des limites du modèle.

L'écoulement de surface hivernal attribuable aux différences de densité a été estimé au moyen d'une méthode de diagnostic robuste proposée par Sheng et Thompson (1996), qui suppose un équilibre dynamique du champ de fond et son invariance sur une échelle de temps inférieure à une saison.

La composante due au vent et aux courants hors limites est obtenue en appliquant la méthode spectrale dite de Galerkin où la structure verticale du courant est représentée par la combinaison linéaire d'un nombre limité (10) de fonctions de base. Cette méthode permet de rendre la majeure partie de la variabilité à court terme du champ tout en simplifiant considérablement le calcul.

Les trajectoires des objets flottants ont été dérivées du modèle par intégration de l'équation suivante :

dx(t)/dt = u(x,t) + aw(x,t) ,

où x(t) est la position de l'objet au temps t, u(x,t), la vitesse du modèle, w(x,t), la vitesse du vent et a le facteur de dérive. Les facteurs de dérive appliqués aux intégrations du modèle de Dalhousie provenaient de relevés et de modélisations réalisés récemment et non du Manuel national de recherche et de sauvetage utilisé pour les fins des simulations CANSARP. La formulation du modèle et sa mise en oeuvre sont expliquées plus en détail dans Thompson et al. (1999).

Comparison of Trajectories
Representative model trajectories compare reasonably well with the observed trajectories (Figure 6). The model captures the strong southwestward displacement in Trial #1 as well as the onshore displacement in Trial #3. But the offshore motions in Trials #2 and #4 appear to be underestimated.

Comparaison des Trajectoires
Les trajectoires représentatives du modèle se comparent relativement bien aux trajectoires observées (fig.6). Le modèle estime bien la forte dérive en direction sud-ouest notée durant l'essai1 ainsi que la dérive vers le rivage lors de l'essai3, mais il semble sous-estimer les dérives vers le large des essais3et4.

Comparaison des erreurs aux courtes échelles de temps (de 0 à 30 heures)Pour obtenir des comparaisons plus quantitatives, les chercheurs ont porté sur un graphique l'expression statistique de trois séries d'erreurs sur les 30 premières heures de dérive (fig.7):

* Les déplacements observés représentant les erreurs des prévisions fondées sur la persistance (dérive nulle),

* Les écarts des prévisions CANSARP par rapport aux positions observées des objets flottants,

* Les écarts du modèle Dalhousie par rapport aux positions observées.

Dans cette figure, les écarts statistiques des prévisions CANSARP sont indiqués à la fois par rapport aux positions observées (à gauche) et aux écarts du modèle Dalhousie (à droite), après 6, 12, 18 et 24 heures, sous formes de croix représentant les rayons des zones circulaires renfermant respectivement 25, 50 et 75% des objets flottants, soit les rayons des zones de recherche typiques. À cette échelle de temps particulièrement significative dans les opérations de recherche-sauvetage, le modèle Dalhousie surpasse nettement le programme CANSARP pour tous les essais, et les prévisions fondées sur la persistance (comparaison des panneaux de gauche et de droite) dans le cas de l'essai3 seulement.

Après 24 heures, les rayons de la zone renfermant 50 % des objets flottants de l'essai 1 d'après le programme CANSARP et le modèle Dalhousie divergent grosso modo par un facteur de trois, ce qui représente un facteur de neuf dans les superficies. Les prévisions fondées sur la persistance (panneaux de gauche) sont également plus exactes que les prévisions CANSARP pour tous les essais sauf l'essai3.

Comparaison des erreurs aux longues échelles de temps (de 0 à 140 heures)Les mêmes mesures statistiques des déplacements observés des objets flottants sont présentées dans les panneaux de gauche de la figure8, mais sur une plus longue période. Par exemple, le panneau supérieur de gauche montre qu'après 100 heures, seulement la moitié des objets flottants de l'essai1 se trouvait à moins de 10 km du point de départ; le panneau inférieur gauche indique que la moitié des objets flottants de l'essai4 avait dérivé de moins de 20 km en 100 heures. Par conséquent, la prévision fondée sur la persistance devrait être meilleure pour l'essai4 que pour l'essai1.

Les panneaux de droite de la figure8 montrent des statistiques similaires en ce qui concerne les déplacements observés par rapport aux positions prévues par le modèle Dalhousie. D'après le panneau supérieur de droite, la moitié des objets flottants de l'essai1 se trouve après 100heures à peu près à 40km des positions prévues, ce qui représente un facteur d'amélioration de 2,5 (6,3) du rayon de recherche par rapport aux prévisions fondées sur la persistance. Pour les essais2, 3et4, les rayons des zones renfermant la moitié des objets flottants sont plus proches de 20 km après 100heures, et le gain de précision par rapport aux prévisions fondées sur la persistance est moindre.

Conclusions
Cette étude mène aux conclusions principales suivantes :

1) Les estimations de dérive obtenues des modèles CANSARP et Dalhousie n'affichent aucun gain de précision notable lorsqu'elles sont fondées sur les prévisions de vent fournies par le modèle haute résolution (12 km) du CMC plutôt que sur celles du modèle faible résolution (35km).

2) Aux échelles de temps critiques en recherche et sauvetage, soit de 0 à 30 heures, le modèle Dalhousie dépasse nettement en précision le modèle CANSARP et également, à un moindre degré, les prévisions fondées sur la persistance. Pour l'essai1 par contre, le rayon prévu de la zone renfermant la moitié des objets flottants selon la technique fondée sur la persistance dépasse celui de la modélisation par un facteur de 3 (9).

3) Aux échelles de temps plus longues (140 heures), les prévisions du modèle Dalhousie sont encore une fois meilleures que celles fondées sur la persistance, en particulier pour l'essai1.

Compte tenu des résultats ci-dessus et des gains d'efficacité des opérations de recherche et sauvetage qu'ils laissent espérer, nous avons recommandé d'incorporer les prévisions du modèle Dalhousie (ou de ses équivalents) au système CANSARP pour accroître les possibilités de secourir plus rapidement un plus grand nombre de marins en détresse.

Remerciements

Les auteurs tiennent à remercier M. A. Patterson, de la Garde côtière canadienne, pour son appui et les conseils prodigués depuis le début, pour les facteurs de dérive due au vent qu'il leur a aimablement fournis ainsi que pour le soutien opérationnel dont ils ont pu bénéficier. Ce projet a été financé par le Fonds des nouvelles initiatives de recherche et de sauvetage du Secrétariat national de Recherche et sauvetage (SNRS).

Références

Anderson, C. and P.C. Smith. 1989. Oceanographic observations on the Scotian Shelf during CASP.
Atmosphere-Ocean, 27(1), 130-156.

Sheng, J. and K.R. Thompson. 1993. A modified Galerkin-spectral method for three-dimensional, barotropic, wind-driven circulation, J. Geophys. Res., 98, 7011-7022.

Sheng, J. and K.R. Thompson. 1996. A robust method for diagnosing regional shelf circulation from scattered density profiles. J. Geophys. Res., 101(10), 25647-25659.

Thompson, K.R., J. Sheng, P.C. Smith, L. Cong and. G. Verner. 1999. Assessing the skill of an operational model of circulation on the Scotian Shelf. Journal of Geophysical Research, submitted.

Verner, G., St. James, J., Bernier, N., Feldman, L., Smith, P.C., Lawrence, D.J., Thompson, K.R., and Sheng, J. 1998. Improved coastal environmental CANSARP, New Initiatives Fund Project Report, EC-2/95, Dept. of Fisheries and Oceans, 63 pp.