Reconstruction et analyse des hauteurs d'eau historiques mesurées à Saint-Nazaire depuis 1821

Le projet relatif à la reconstruction et au contrôle de la série analogique des hauteurs d'eau observées à Saint-Nazaire vise à étendre les connaissances sur l'évolution des composantes du niveau de la mer. Cette étude, financée par le MEEM, par la région des Pays de la Loire et par le SHOM, s'inscrit dans le cadre du programme international GLOSS (Global Sea Level Observing System) de la Commission océanographique intergouvernementale (COI) de l'UNESCO. Elle a pour objectif de sauvegarder le patrimoine historique que sont les observations du niveau de la mer des décennies et siècles passées à Saint-Nazaire. Dans ce but, un important travail de numérisation des données analogiques, conservées pour la majorité au SHOM et au GPM de Nantes Saint-Nazaire, est mis en œuvre.

 

Observatoire marégraphique de Saint-Nazaire (Yann Ferret, crédits SHOM, octobre 2013)

Observatoire marégraphique de Saint-Nazaire (Yann Ferret, crédits SHOM, octobre 2013). Cliquer sur la photo pour l'agrandir

 

Contexte général

L'étude du changement climatique global et son influence sur les variations du niveau marin à plus ou moins long terme constitue un enjeu sociétal fort. A ce titre, l'analyse de chroniques historiques pluriséculaires de hauteurs d'eau se révèle être un moyen idéal pour parvenir à fournir des arguments pertinents quant aux tendances observées. Actuellement en France, seules les séries de Brest, Marseille et du littoral charentais, ont une durée supérieure à 100 ans et sont disponibles au format numérique. Pourtant un état des lieux des données historiques de hauteur d'eau met en évidence le fait que malgré un patrimoine marégraphique français conséquent, la majorité de ces mesures du niveau de la mer est encore sous forme analogique et n'est donc pas prise en compte dans les études. Dans ce contexte, cette présente étude permet de pérenniser l'ensemble des connaissances acquises à Saint-Nazaire depuis 1821.

 

Objectifs de l'étude

  • Pérenniser l'ensemble des mesures du niveau marin réalisées à Saint-Nazaire depuis 1863 et constituer une chronique cohérente de qualité ;
  • d'appréhender l'influence locale de la Loire et/ou des modifications anthropiques sur l'évolution des composantes du niveau marin observées ;
  • d'améliorer la connaissance de l'évolution du niveau marin sur le littoral atlantique français, puis d'intercomparer nos résultats avec d'autres séries pluriséculaires du niveau de la mer à l'échelle du littoral européen, voire mondial ;
  • d'apporter des éléments primordiaux pour l'étude séculaire des niveaux extrêmes (amélioration des statistiques dans le cadre de mise en place des PPRL – PPRI par exemple).

 

Contextes géographique et historique de l'observatoire marégraphique de Saint-Nazaire

Saint-Nazaire se situe à l'embouchure de la Loire et est soumis à un régime de marée semi-diurne macrotidal. Dès 1863 un observatoire marégraphique y est installé, et les mesures continues de hauteurs d'eau débutent alors.

Au cours du temps, cette station de mesure marégraphique a évolué, principalement sous l'effet des modifications anthropiques de la géographie de Saint-Nazaire :

  • Du fait du développement portuaire, d'importantes surfaces ont été gagnées sur la Loire depuis le 19ème siècle et le trait de côte a énormément évolué ;
  • Depuis 1863, la localisation de l'observatoire des marées a changée. Jusqu'en 1950, il se trouve à l'extrémité de la jetée du Vieux Môle et à partir de 1950-51, il est délocalisé sur la jetée Est du nouvel avant-port d'alors. Cette position est encore actuelle ;
  • Les marégraphes utilisés pour réaliser les mesures de hauteurs d'eau ont évolué au cours du temps. Jusqu'à récemment, ce sont différents appareils à flotteur qui se sont succédés. Depuis 2007, la station de Saint-Nazaire a été intégrée au réseau de mesure RONIM et a été modernisée avec l'installation d'un marégraphe radar opéré par le GPM de Nantes Saint-Nazaire.

Evolution du contexte géographique de Saint-Nazaire et de son observatoire de marée depuis le 19ème siècle.

Evolution du contexte géographique de Saint-Nazaire et de son observatoire de marée depuis le 19ème siècle (Yann Ferret, crédits SHOM, 2014). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

Etapes successives nécessaires à la construction de la série marégraphique historique de Saint-Nazaire

La recherche et l'inventaire des archives marégraphiques

La majorité des archives papiers relatives à l’observatoire de Saint-Nazaire sont conservées au SHOM (1863-1920) et au GPM Nantes Saint-Nazaire (1936- aujourd’hui). Néanmoins une recherche minutieuse a dû être faite dans d’autres centres d’archives dans le but d’inventorier et d’analyser tous les documents en lien avec la mesure marégraphique à Saint-Nazaire : les archives du Service historique de la Défense (SHD) de Rochefort et de Vincennes, les archives départementales de Loire-Atlantique à Nantes et les archives municipales incluant les archives de l’écomusée de Saint-Nazaire.

 

Dispersion spatiale des archives relatives à l'Observatoire de marée de Saint-Nazaire (Yann Ferret, crédits SHOM, 2015). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

Dispersion spatiale des archives relatives à l’Observatoire de marée de Saint-Nazaire (Yann Ferret, crédits SHOM, 2015). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

Deux types principaux de documents y ont été trouvés : (1) ceux comportant des mesures de hauteurs d’eau à Saint-Nazaire, et (2) ceux apportant des informations relatives à ces dernières (métadonnées).

Les documents relatifs aux mesures de hauteurs d'eau correspondent principalement à :

  • des marégrammes couvrant régulièrement 15 jours à 1 mois de mesures dès lors qu'un marégraphe effectuait des mesures automatiques continues ;
  • des registres papiers, correspondant soit à des observations de hauteurs d'eau relevées par l'opérateur sur une échelle de marée à un pas de temps régulier (10 à 15 minutes), soit à la retranscription manuscrite des hauteurs d'eau extraites des marégrammes à un pas de temps variant entre 15 minutes et 1 heure. Ces derniers registres sont régulièrement associés aux journaux bi-mensuels de marées dans lesquels sont renseignées les heures et hauteurs d'eau des PM et BM.

Informations et synthèse des données relatives aux mesures de hauteurs d'eau à Saint-Nazaire recensées jusqu'à présent

Informations et synthèse des données relatives aux mesures de hauteurs d'eau à Saint-Nazaire recensées jusqu'à présent (Yann Ferret, crédits SHOM, 2016).

 

Au final, la totalité de ces documents permet de couvrir une période longue d’environ 190 ans (de 1821 à aujourd’hui) et de reconstruire au moins 125 ans de mesures continues du niveau marin à Saint-Nazaire.

Par ailleurs, l’objectif final du projet étant de reconstituer une série homogène et cohérente de hauteurs d’eau, il est nécessaire de connaître de nombreux éléments avec certitude pour pouvoir mettre en relation des observations faites à des époques différentes par des personnes diverses. Il s’agit entre autre d'identifier avec précision, le plan utilisé comme plan de référence (par ex., le zéro du marégraphe, le zéro hydrographique) lors de l’acquisition des mesures, les caractéristiques de l’observatoire de marée et des marégraphes utilisés alors, le système de temps de l’époque, …

Pour obtenir toutes ces informations, des documents d’origines diverses doivent être dépouillés et analysés : feuilles de contrôle des marégrammes lorsqu’elles existent, notes prises par les observateurs de marées, rapports de nivellements effectués par différentes institutions (SHOM, Ponts et Chaussées, IGN), correspondance, gravures, plans et cadastres, …

Exemples de documents renseignant sur les caractéristiques de l'Observatoire de marée de Saint-Nazaire. A gauche : Croquis du marégraphe Chazallon en place à Saint-Nazaire, fait par l'observateur de marée en 1906 (cote DD 2 – 1807, SHD Vincennes) ; A droite : Plan de la base du puits de tranquillisation pour le marégraphe de Saint-Nazaire sur lequel sont visibles les zéros hydro et de l'échelle de marée (1861, cote 4S333, Archives départementales de Loire Atlantique)

Exemples de documents renseignant sur les caractéristiques de l’Observatoire de marée de Saint-Nazaire. A gauche : Croquis du marégraphe Chazallon en place à Saint-Nazaire, fait par l’observateur de marée en 1906 (cote DD 2 – 1807, SHD Vincennes) ; A droite : Plan de la base du puits de tranquillisation pour le marégraphe de Saint-Nazaire sur lequel sont visibles les zéros hydro et de l’échelle de marée (1861, cote 4S333, Archives départementales de Loire Atlantique). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

La numérisation des données analogiques (données papiers)

La numérisation des données est un travail fastidieux mais essentiel à ce type d'étude car ce n'est qu'une fois converties en format numérique que les données historiques peuvent être analysées et utilisées pour répondre au questionnement scientifique.

Les registres de marées étant manuscrits et leur lecture n’étant souvent pas aisée, les valeurs horaires de hauteurs d’eau doivent être saisies manuellement. Lors de cette étape, il est possible d’identifier les valeurs aberrantes et/ou potentiellement erronées (erreur de lecture de l’observateur, mauvaise utilisation du matériel de mesure, …) et de les corriger lorsque les métadonnées le permettent.

Les marégrammes nécessitent quant à eux d’être scannés avant l’extraction du signal. La difficulté de cette tâche réside surtout dans l’état de conservation parfois mauvais des marégrammes à traiter et dans leurs dimensions. A l’exception de ceux correspondant à des rouleaux de plusieurs mètres de longs, l’ensemble des marégrammes papiers à disposition a aujourd’hui été scanné. Après avoir été scannés, les marégrammes sont digitalisés, afin d’extraire les données de hauteurs d’eau en fonction du temps grâce au logiciel NUNIEAU (NUmérisation des NIveaux d’EAU) développé par le CETE Méditerranée (CEREMA, depuis 2014)

Schéma illustrant les étapes successives inhérentes à la numérisation des données marégraphiques

Schéma illustrant les étapes successives inhérentes à la numérisation des données marégraphiques (Yann Ferret, crédits SHOM, 2014). Cliquer sur la figure pour l'agrandir

 

Ainsi, 2 années ont été nécessaires pour mettre au format numérique ces données inédites du niveau marin.

  • l’ensemble des registres recensés a été numérisé (environ 500.000 valeurs de hauteurs d’eau horaire)
  • l’ensemble des marégrammes définis comme prioritaires, car inédits, a été numérisé grâce à Nunieau (environ 500 documents desquels ont été extrait plus de 8000 courbes journalières de marée).

 

L'homogénéisation en hauteur et en temps

Le système de temps utilisé n'est pas le même en fonction des époques (Temps Solaire Vrai, Temps Solaire Moyen d'un point, temps Universel) et la notion de référence verticale peut également évoluer au cours du temps (le zéro du marégraphe est-il resté le même ? Correspond-il au zéro hydrographique ? Est-ce que ce dernier est stable depuis le 19ème siècle ?, …).

Dans le but d’obtenir une série reconstruite cohérente dans le temps et validée, il est nécessaire de prendre en considération l’ensemble des informations relatives aux mesures de hauteurs d’eau disponibles (métadonnées), et de i) corriger les mesures lorsque cela est nécessaire et possible, ii) exclure certaines données de qualité trop incertaine, et iii) uniformiser les mesures (en temps et en hauteur). Ce travail de définition de la qualité des données est primordial pour toutes les études ultérieures s’appuyant sur les données (évolution du niveau de la mer, niveaux extrêmes…).

Pour ce qui est de l’homogénéisation temporelle, toutes les données digitalisées sont converties en Temps Universel (UTC), système utilisé de nos jours. Pour cela, les données en Temps Solaire Vrai (TSV) sont converties en Temps Solaire Moyens (TSM) grâce au calcul de l’équation du temps. Par la suite, une correction basée sur la différence de longitude entre la position de Saint-Nazaire et Greenwich a été appliquée pour finalement parvenir à l’UTC. Pour les périodes plus récentes, il a fallu surtout veiller à convertir les heures locales (heures d’été / d’hiver) en UTC lorsque cela était nécessaire.

L’uniformisation verticale de la série marégraphique a consisté à réduire toutes les mesures de hauteurs d’eau à un niveau de référence commun. Il a été choisi d’utiliser le zéro hydrographique défini actuellement à Saint-Nazaire car ce dernier est extrêmement bien repéré par rapport à d’autres niveaux de référence (ex : ellipsoïde, cote NGF, …). Ce travail n’a pu être effectué que pour les périodes pour lesquelles nous connaissions avec certitude le zéro vertical utilisé lors des mesures.

Malgré la quantité importante de documents analysés, il subsiste encore des doutes ou des imprécisions quant aux corrections à apporter pour rendre cohérente la série marégraphique de Saint-Nazaire. En effet, nous avons vu qu’il était parfois délicat de connaitre avec certitude les altitudes des niveaux de références car les métadonnées peuvent fournir des informations incohérentes entre elles.

Schéma synthétisant les relations entre les différentes références verticales utilisées à Saint-Nazaire depuis le début du 19ème siècle. Les cotes données entre parenthèses ont été déduites.

Evolution du référentiel vertical utilisé au cours du temps pour caler le zéro instrumental (Crédits SHOM, Yann Ferret, 2016)

 

Validation des données

A l’issue de la digitalisation de ces données, ces dernières doivent être validées avant toute analyse ultérieure (évolution du niveau de la mer, niveaux extrêmes…). Cette étape a pour objectif de qualifier les mesures inédites en fonction de leur qualité. Pour cela, il a été nécessaire de prendre en considération l’ensemble métadonnées relatives aux mesures de hauteurs d’eau disponibles et des procédures ont été adaptées ou développées pour permettre de détecter et corriger/supprimer les anomalies dans les mesures. Cette action a été réalisée grâce à l’utilisation de différentes méthodes (analyse des résidus en temps et en hauteurs des PM et BM, comparaisons inter-série, utilisation des données de pression atmosphérique pour évaluer l’effet du baromètre inverse) associées à une inspection visuelle des données. Cela a permis d’identifier les périodes pour lesquelles les données étaient de mauvaise qualité (environ 16 % des données numérisées). Il a ainsi été possible de mettre en évidence que l’observatoire des marées de Saint-Nazaire était régulièrement soumis à un envasement de la base du puits de tranquillisation et d’identifier des périodes pour lesquelles les données étaient certainement mal calées. A partir de ces données validées, les niveaux moyens journaliers, mensuels et annuels ont pu être calculés.

Calcul des niveaux moyens journaliers (NMj), mensuels (NMm) et annuels (NMa) à Saint-Nazaire à partir de la série marégraphique reconstruite qualifiée (haut) ; corrections temporelles (milieu) et en hauteurs (bas) appliquées pour rendre la série cohérente.

Calcul des niveaux moyens journaliers (NMj), mensuels (NMm) et annuels (NMa) à Saint-Nazaire à partir de la série marégraphique reconstruite qualifiée (haut) ; corrections temporelles (milieu) et en hauteurs (bas) appliquées pour rendre la série cohérente.

 

L’analyse de ce jeu de données inédit permettra d’étudier l’évolution séculaire des niveaux moyens mensuels validés à Saint-Nazaire.

 

Les données issues de ce travail seront distribuées sur le site REFMAR, pour ce qui est des données haute-fréquence, et sur le site SONEL pour ce qui est des niveaux moyens journaliers, mensuels et annuels correspondants.

 

Pour en savoir plus

 

Références

 

Dernière mise à jour de la page : 05/09/2018

D'autres séries marégraphiques reconstruites :

Liste des programmes, projets et reconstructions de données marégraphiques à découvrir ici