Pourquoi la mer du Japon est-elle si agitée en hiver ?
― La hauteur des vagues dépend de la force du vent et de la « distance parcourue »
Dès novembre, les prévisions météo de la côte de la mer du Japon affichent « vagues de 5 mètres ». Le même jour, les plages du Pacifique sont souvent paisibles. Pourtant, c'est le même vent d'hiver. Ce qui change tout, c'est la durée et la distance pendant lesquelles le vent a soufflé sur la mer.
Fin d'automne, sur la côte de Niigata ou de Kanazawa. Sous un ciel gris, des vagues blanches d'écume passent par-dessus la digue.
Le même jour, sur une plage de Shizuoka ou de Chiba, le vent froid est fort, mais le bord de l'eau est étonnamment calme.
Si vous soufflez sur l'eau de votre bain, vous ne créez que de minuscules rides. Alors, où et comment les grosses vagues de la mer grandissent-elles ?
Il y a deux raisons principales
Le vent d'hiver du nord-ouest part de la côte du continent, traverse la mer du Japon et atteint le rivage japonais. Les vagues grandissent tant que le vent les pousse. Plus la distance est longue, plus elles sont hautes.
Il faut aussi du temps pour que les vagues atteignent leur taille maximale. La mousson d'hiver garde souvent la même direction pendant plusieurs jours : les vagues ont tout le temps de grandir.
La hauteur des vagues dépend donc de trois choses : la force du vent, la distance parcourue et la durée du souffle. En hiver, la mer du Japon réunit facilement ces trois conditions.
Les vagues « grandissent » en étant poussées par le vent
Quand le vent effleure l'eau, de fines rides apparaissent d'abord. Elles creusent de petites bosses à la surface. Le vent pousse le côté exposé de chaque bosse et soulève peu à peu la vague. Plus la vague monte, plus elle offre de surface au vent, et plus elle grandit.
Cette croissance n'est pas instantanée. En avançant sous le vent, la vague reçoit de l'énergie sans cesse. Près de la côte d'où le vent part, les vagues sont donc petites, et elles grossissent à mesure qu'on s'éloigne sous le vent. Regardez la figure 1.
Avec le même vent, la distance change tout
En océanographie, on utilise une formule qui estime la hauteur des vagues à partir de la force du vent et de la distance parcourue. Pour un vent fort de 15 mètres par seconde, sur un lac de 10 km de long, les vagues atteignent environ 80 centimètres. Sur la mer du Japon, avec 300 km, elles dépassent 4 mètres. La distance est 30 fois plus grande, mais la hauteur n'est multipliée que par 5 environ : elle croît comme la « racine carrée » de la distance.
Les vagues ne grandissent pas à l'infini. Pour une force de vent donnée, il existe une limite : environ 5 mètres pour un vent de 15 mètres par seconde. Avec le curseur de la figure 2, faites varier la distance parcourue.
La côte pacifique est calme parce que le vent souffle « vers le large »
La mousson d'hiver franchit aussi les montagnes de l'archipel et redescend côté Pacifique. Mais là, sur le rivage, le vent va de la terre vers la mer, donc vers le large. La mer juste devant la côte est l'endroit où le vent vient à peine de commencer à souffler. La distance parcourue est presque nulle : les vagues n'ont pas eu le temps de grandir.
Avec le même vent de 15 mètres par seconde, à 5 km du rivage, on estime les vagues à environ 50 centimètres. C'est pourquoi les plages du Pacifique sont calmes les jours de grand vent froid. Les vagues grandissent en allant vers le large, et c'est loin en mer qu'elles deviennent grosses.
Dans la baie de Toyama, par temps clair et vent faible, de grosses vagues peuvent soudain déferler. Elles ont été levées par un fort vent du nord dans la mer à l'ouest de Hokkaido, puis ont descendu vers le sud sur une longue distance de mer du Japon avant d'atteindre la baie. On les appelle « vagues de Yorimawari » (yorimawari-nami). En février 2008, elles auraient causé de gros dégâts sur la côte. C'est un type de « houle » : des vagues nées au loin qui parviennent jusqu'au rivage.
La hauteur annoncée dans les prévisions est la taille « moyenne » d'un grand nombre de vagues. En réalité, des vagues 1.5 à 2 fois plus hautes s'y mêlent de temps en temps. Les jours d'avis ou d'alerte de vagues sur la côte de la mer du Japon en hiver, ne vous approchez pas des digues ni des rochers pour regarder ou pêcher.
En résumé
Les vagues de la mer grandissent en étant poussées par le vent. Leur hauteur dépend donc de la force du vent, mais aussi de la distance parcourue sur la mer et de la durée du souffle. En hiver, la mer du Japon réunit une longue distance depuis le continent et une mousson qui dure des jours. Sur la côte pacifique, au contraire, le même vent souffle vers le large : les vagues restent petites, avant d'avoir pu grandir.
Une vague est la trace du voyage du vent sur la mer.
Avec le même vent, le visage de la mer change selon l'endroit d'où il vient.
Comment des vagues nées au loin atteignent un rivage sans vent : « Pourquoi de grosses vagues arrivent-elles soudain, même sans vent ? ». La limite de hauteur des vagues : « Jusqu'à quelle hauteur les vagues de mer peuvent-elles monter ? ». Et comment cette même mousson fait tomber la neige : « Pourquoi neige-t-il autant sur la côte de la mer du Japon ? ».
- Versez 2 à 3 centimètres d'eau dans un bac allongé ou une caisse de rangement.
- À l'extrémité d'un petit côté, envoyez du vent à ras de l'eau avec un éventail. Comparez la taille des rides du côté d'où vient le vent et du côté opposé.
- Recommencez ensuite depuis l'extrémité d'un grand côté. Quand la distance parcourue est plus longue, comment changent les vagues à l'autre bout ?
Les vagues devraient être plus marquées sous le vent. Vous pouvez aussi comparer la « hauteur des vagues » des prévisions entre la côte de la mer du Japon et celle du Pacifique.
Pour aller plus loin ― termes, formules et liens avec les coursDu collège à l'université : le niveau de chaque passage est indiqué
- CollègeCe qu'on apprend en sciences au collège
- LycéeCe qu'on apprend en physique et sciences de la Terre au lycée
- Lycée+Approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- Univ.Matières universitaires non vues au lycée (physique de l'océan, génie côtier)
- RechercheQuestions que les chercheurs étudient en ce moment, qui ne font pas encore consensus, même à l'université
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Mer du vent : vagues en train de grandir sous l'effet du vent qui souffle sur place. Elles sont pointues et leurs directions sont désordonnées.
- Fetch (distance de souffle) : distance sur laquelle le vent a soufflé sur la mer, à peu près dans la même direction. C'est un terme des ouvrages techniques sur les côtes et les ports.
- Hauteur significative : moyenne du tiers des vagues les plus hautes. La « hauteur des vagues » des prévisions météo correspond à cette valeur, proche de ce que l'œil perçoit.
CollègeLycéeVérifier par la formule : quelle différence entre un lac et la mer du Japon, à vent égal ?
On utilise une formule issue de mesures, qui estime la hauteur des vagues à partir de la force du vent et du fetch. La vitesse du vent est fixée à 15 mètres par seconde ; seul le fetch change.
| En symboles | H ＝ 0.0016 × U × √( F ÷ g ) |
| En mots | hauteur des vagues ＝ 0.0016 × vitesse du vent × racine carrée de (fetch ÷ accélération de la pesanteur) |
| D'où vient cette formule | L'énergie que le vent transmet aux vagues s'accumule proportionnellement à la distance parcourue. L'énergie d'une vague est proportionnelle au carré de sa hauteur : la hauteur croît donc comme la racine carrée de la distance. Le coefficient 0.0016 a été déterminé à partir de grandes campagnes de mesures en mer du Nord. |
| H | Hauteur significative (mètres) |
| U | Vitesse du vent à 10 mètres au-dessus de la mer (mètres par seconde) |
| F | Fetch (mètres) |
| g | Accélération de la pesanteur (mètres par seconde au carré) |
| Vitesse du vent | 15 mètres par seconde |
| Accélération de la pesanteur | 9.8 mètres par seconde au carré |
| Fetch du lac | 10 km (10000 mètres) |
| Fetch de la mer du Japon | 300 km (300000 mètres) |
| Multiplier le coefficient par la vitesse du vent | 0.0016 × 15 ＝ 0.024 |
| Lac : diviser la distance par la pesanteur | 10000 ÷ 9.8 ≒ 1020 |
| Lac : sa racine carrée | La racine carrée de 1020 vaut environ 32 |
| Hauteur des vagues du lac | 0.024 × 32 ≒ 0.77 mètre |
| Mer du Japon : diviser la distance par la pesanteur | 300000 ÷ 9.8 ≒ 30600 |
| Mer du Japon : sa racine carrée | La racine carrée de 30600 vaut environ 175 |
| Hauteur des vagues de la mer du Japon | 0.024 × 175 ＝ 4.2 mètres |
| Rapport des hauteurs | 4.2 ÷ 0.77 ≒ 5.5 fois |
| Rapport des énergies (carré de la hauteur) | 5.5 × 5.5 ≒ 30 fois |
Pour une distance 30 fois plus grande, la hauteur est multipliée par 5.5 environ et l'énergie par 30 environ. On retrouve directement dans les chiffres l'origine de la formule : l'énergie s'accumule proportionnellement à la distance. 4.2 mètres, c'est à peu près deux fois et demie la taille d'une personne.
LycéeLycée+L'énergie des vagues et la mer pleinement développée
LycéeUne vague à la surface de l'eau n'emporte pas l'eau au loin : c'est le mouvement de montée et de descente qui se propage. L'énergie d'une vague est proportionnelle au carré de son amplitude (sa hauteur). Une vague deux fois plus haute frappe la côte avec une énergie quatre fois plus grande.
Lycée+Quand le vent souffle assez longtemps et assez loin, l'énergie reçue du vent et celle perdue quand les vagues déferlent s'équilibrent, et les vagues ne grandissent plus. On parle de « mer pleinement développée ». La hauteur des vagues est alors proportionnelle au carré de la vitesse du vent : environ 5 mètres pour 15 mètres par seconde, près de 9 mètres pour 20 mètres par seconde. On estime aussi que, pour un fetch de 300 km, il faut que le même vent souffle plus d'une demi-journée pour que les vagues atteignent leur taille maximale.
Univ.Prévision des vagues : comment « prévoir » les vagues
La méthode qui estime les vagues à partir du vent s'appelle la « prévision (ou hindcast) des vagues ». Sverdrup et Munk en ont posé les bases pour préparer les débarquements de la Seconde Guerre mondiale, puis Bretschneider l'a améliorée. D'après leurs trois noms, on l'appelle la méthode SMB. La formule ci-dessus repose sur la loi du fetch tirée du spectre JONSWAP, obtenu lors d'une campagne de mesures en mer du Nord dans les années 1970. Les vagues d'une mer pleinement développée sont décrites par le spectre de Pierson-Moskowitz. Aujourd'hui, les prévisions de vagues de l'Agence météorologique japonaise sont calculées par un modèle numérique « spectral », qui suit l'énergie des vagues par fréquence et par direction.
📖 Démonstration de la formule et pour aller plus loin : Agence météorologique japonaise, « Connaissances sur les vagues » ／ Hauteur significative (Wikipédia en japonais)
RechercheCe qu'on ne sait pas encore bien
- Les détails de la façon dont le vent fait grandir les vagues. Selon une théorie, les bosses de la surface créent des différences de pression du vent ; selon une autre, c'est la couche d'air juste au-dessus de la vague qui joue. Sous vent fort, on ne sait pas encore quelle part revient à chacune : observations et calculs se poursuivent.
- Les moutons sous vent fort et les échanges entre l'air et la mer. La chaleur et les gaz que les vagues déferlantes font entrer dans la mer comptent pour les prévisions du climat, mais leur quantité exacte sous vent très fort reste incertaine.
- La prévision des vagues géantes inattendues. Dans quelles conditions et à quelle fréquence apparaissent ces vagues « scélérates », plus de deux fois plus hautes que leurs voisines ? La recherche est en cours.
Le contenu de cet article est donc, lui aussi, « une explication valable dans l'état actuel des connaissances ». La formule ci-dessus est une estimation ajustée sur des mesures ; les vagues réelles varient aussi avec le relief des fonds et les courants de marée.
Liens avec les programmes (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, 2e année : « Le temps au Japon (la mousson) » | La mousson d'hiver du nord-ouest traverse la mer du Japon |
| Lycée | Physique de base « Propriétés des ondes », Sciences de la Terre de base « Atmosphère et océan » | Une vague est un mouvement qui se propage ; l'énergie est proportionnelle au carré de la hauteur |
| Lycée+ | Physique « Énergie des ondes » | Mer pleinement développée, temps nécessaire pour atteindre la taille maximale |
| Univ. | Physique de l'océan, génie côtier | Prévision des vagues (méthode SMB, JONSWAP, méthode spectrale) |
| Recherche | Interactions atmosphère-océan | Transfert d'énergie du vent aux vagues, vagues géantes inattendues |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Lire les prévisions de vagues d'hiver, bons réflexes au bord de mer les jours de grosses vagues |
- Agence météorologique du Japon (気象庁), « Connaissances sur les vagues »
- Hasselmann, K. et al. (1973), rapport du programme conjoint d'observation des vagues en mer du Nord (JONSWAP), supplément de la revue hydrographique allemande
- Pierson, W. J. & Moskowitz, L. (1964), article sur le spectre des vagues de vent pleinement développées, revue de recherche géophysique
- Goda Yoshimi (合田良實), 耐波工学 ― 港湾・海岸構造物の耐波設計 (Ingénierie de la résistance aux vagues : conception des ouvrages portuaires et côtiers), Kajima Institute Publishing (鹿島出版会)
- Wikipédia en japonais, « 有義波高 » (hauteur significative)
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur et des estimations pour comprendre le mécanisme. La hauteur réelle des vagues varie fortement selon le relief, les courants et les changements de vent. Au bord de la mer, suivez les avis et alertes de vagues de l'Agence météorologique japonaise et les consignes des autorités locales.