Storm surges and coastal flooding: status and challenges

Surcotes et submersions marines : état de l'art et défis

UMR 7266 LIENSs, CNRS-Université de La Rochelle, FRANCE,
xbertin@univ-lr.fr

Abstract

Storm surges and associated coastal flooding are among the most damaging natural disasters, as it was illustrated recently in the Gulf of Mexico, the Bay of Bengal or the Philippines. Storm surges correspond to sea-level anomalies, driven by atmospheric pressure, wind and short waves. In shallow waters, the wind contribution is usually dominant upon the other forcing, which causes coastal areas bordered by extensive shelves and located along the track of major storms to be exposed to very large surges. For a given wind speed, the surface stress can also be amplified by sea-states, for instance in the presence of young and steep waves. The Coriolis effect associated with the Earth rotation is also an important process because it deviates wind-driven flows to the right (to the left) in the Northern (Southern) hemisphere, which can result to an Ekman setup along the coast located to the right-side (resp. left-side) of the storm track. Finally, wave dissipation in surf zones induces gradients of radiation stress, which drives a wave-setup easily reaching several tens of cm and therefore contribution to the whole storm surge. Coastal flooding usually happens when a large storm surge peak at the same time of a high tide, although the importance of this concomitance depends and surge to tidal range ratio. Coastal flooding can occur through dike and barriers overflowing, breaching, or a combination of both mechanisms. Along the coastline exposed to big waves, wave overtopping can also induce significant flooding and damage sea-front. However, resolving short-wave phases to account for this phenomenon implies a very fine resolution, which poses a serious challenge in terms of computational resources.

Résumé

Les surcotes et les submersions marines associées sont parmi les catastrophes naturelles les plus destructrices, comme cela a été illustré récemment dans le Golfe du Mexique, le Golfe du Bengale ou les Philippines. Les surcotes correspondent à des anomalies du niveau de la mer, entraînées par la pression atmosphérique, le vent et des vagues. En eau peu profonde, la contribution de vent est en général dominante sur les autres mécanismes, ce qui explique que les zones côtières bordées par de larges plateaux continentaux et situées sur le trajet de tempêtes majeures peuvent être exposées à de très fortes surcotes. Pour une vitesse du vent donnée, la contrainte de surface peut aussi être amplifiée par l'état de mer, par exemple en présence de vagues jeunes et cambrées. L'effet de Coriolis associé à la rotation de la terre est aussi un processus important parce qu'il dévie les masses d'eau transportées par le vent vers la droite (la gauche) dans l'hémisphère nord (sud), ce qui peut entraîner un transport d'Ekman et une surcote plus importante le long de la côte située à droite (resp. à gauche) de la trajectoire de la tempête. Enfin, la dissipation des vagues dans les zones de déferlement induit des gradients de tension de radiation, ce qui génère une surélévation du plan d'eau le long du rivage pouvant atteindre facilement plusieurs dizaines de cm et donc contribuer aux surcotes significativement. Les submersions marines se produisent d'habitude quand une grande tempête atteint un niveau maximal en même temps qu'une marée haute, bien que l'importance de cette concomitance dépende du ratio entre la surcote et le marnage. Les submersions marines peuvent résulter d'un débordement au dessus des digues et des barrières, de brèches, ou d'une combinaison des deux mécanismes. Le long du littoral exposé à de grandes vagues, le franchissement par paquet de mer peut aussi induire une inondation significative et endommager le bord de mer. Cependant, la prise en compte de ce phénomène implique des résolutions spatio-temporelles très fines, ce qui constitue un défi sérieux en termes de ressource informatique.