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Séminaire LEGOS – 11 mars 2010 - 1 - Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ.

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1 Séminaire LEGOS – 11 mars Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ cm M-H Rio

2 Séminaire LEGOS – 11 mars Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ M-H Rio Plan de lexposé Introduction Calculer une Topographie Dynamique Moyenne, pourquoi? 20 ans damélioration du géoïde et ses implications pour le calcul de la TDM Les différentes méthodes destimation des plus petites échelles spatiales de la TDM Calcul dune nouvelle TDM haute résolution par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ La méthode Calcul des observations synthétiques de vitesse: nouveau modèle dEkman Calcul des observations synthétiques de hauteur Résultat Validation Conclusions et Perspectives

3 Séminaire LEGOS – 11 mars Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi? Rappel des enjeux La mesure altimétrique orbite hOhO hAhA =h O -h A = N + h Géoïde mal connu Mesuré avec précision par laltimètre Signal dintérêt en océanographie Répétitivité des missions altimétriques = N + Anomalies de hauteur SLA h ellipsoid N η geoid Sea level MDTh

4 Séminaire LEGOS – 11 mars Accéder à 17 ans ( ) de hauteurs altimétriques absolues (et donc de vitesses géostrophiques) Assimilation dans les modèles de prévision océanique Calcul de transports absolus Etudes de processus (interactions flot moyen / tourbillons…) Cas des anomalies altimétriques calculées à CLS: P= Pour reconstruire la topographie dynamique absolue h à partir de h p = p il faut connaître avec précision la Topographie Dynamique Moyenne On cherche à calculer la Topographie Dynamique Moyenne correspondant à la période Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi? Rappel des enjeux Les principales applications:

5 Séminaire LEGOS – 11 mars (SMO CLS01) Géoide - = TDM 9399 mcm = G + h - G = Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe ModèleGRIM4S4GRIM5S1CHAMP3SGGM02S EIGEN3S EIGEN4SITG- GRACE03S GGM03S EIGEN5S EIGEN- GRGS.RL02 Année HS DonnéesGeodetic satellites 33 months CHAMP 2 years GRACE 3 years GRACE 4 1/2 years GRACE 4 years GRACE 4 1/2 years GRACE 20 ans damélioration des modèles de géoïde Filtrage spatial nécessaire

6 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

7 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

8 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

9 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

10 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

11 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

12 Séminaire LEGOS – 11 mars SMO CLS01-EIGEN-GRGS 300 km 2009 SMO CLS01-EIGEN-GRGS 133 km 300 km: meilleur compromis entre résolution et précision pour le calcul de TDM par méthode directe avec les modèles GRACE les plus récents Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO Géoïde) filtré à 300 km

13 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : Vers la haute résolution 1- en améliorant les petites échelles du géoïde (ex EGM08) TDM DNSC08 2- en moyennant des sorties de modèles océaniques TDM GLORYS 3- en combinant la TDM directe grande échelle à des données océanographiques in-situ TDM Niiler et al, 2008 TDM Rio et al, 2005

14 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ Méthode Méthode directe TDM=SMO-Géoïde filtrage TDM grande échelle=Ebauche Méthode synthétique Calcul des petites échelles de la TDM (hauteur et vitesse) par combinaison de données in-situ et altimétriques Analyse Objective Multivariée TDM haute résolution Rio and Hernandez, 2004 – Rio et al, 2005

15 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ Lanalyse objective multivariée Les équations de base Permet lestimation optimale de la TDM en hauteur et vitesse à partir dun jeu dobservations de hauteurs et vitesses moyennes Hypothèse: les observations en entrée doivent être de moyenne nulle on part dune ébauche grande échelle (remove-restore) Nécessite de connaître: Les échelles à-priori du signal à estimer (TDM haute résolution – Ebauche): Variance et rayons de corrélation Les erreurs sur les observations

16 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de lébauche cm SMO CLS01- EIGEN-GRGS.RL02 Filtrage optimal TDM grande échelle (~400km) Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

17 Séminaire LEGOS – 11 mars Erreur associée cm Calcul de lébauche Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

18 Séminaire LEGOS – 11 mars Propriétés statistiques des échelles de la TDM < 400km TDM GLORYS1V1 – (TDM GLORYS1V1) f400 Ecart-type calculée par bulles de 3° de rayon km Rayons de corrélation Rcx Rcy Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

19 Séminaire LEGOS – 11 mars h geoid (u,v) A chaque position r et date t pour lequel on dispose dune mesure in-situ h (r,t) ou u(r,t),v(r,t): - On traite la donnée in-situ pour se ramener à un contenu physique cohérent avec laltimétrie - On retranche lanomalie altimétrique à la hauteur/vitesse in-situ - On interpole lanomalie de hauteur/vitesse à la position/date de la mesure in-situ. =h (u a,v a ) Calcul destimations synthétiques de la TDM (hauteurs et vitesses) Rio and Hernandez, Rio et al, 2005 Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

20 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul des estimations synthétiques de vitesses = u g (x,y,t) - u g (x,y,t) = v g (x,y,t) - v g (x,y,t) Déduit de laltimétrie Déduit des trajectoires des bouées dérivantes: Retrait de la composante dEkman Filtrage à 3 jours cm/s Vitesses des bouées dérivantes droguées à 15m calculées en temps différé et distribuées par lAOML pour la période

21 Séminaire LEGOS – 11 mars Les équations dEkman Grilles de tensions de vent ERA INTERIM Modèle choisi Rio and Hernandez, 2003 β et déterminés par la méthode des moindres carrés par boîte de 5° et par saison (3 mois glissants) Jeu de bouées couvrant la période Modélisation des courants dEkman 45° Filtrés entre 30h et 20j βθ 1 Calcul des estimations synthétiques de vitesses

22 Séminaire LEGOS – 11 mars Jan-Fev-Mars Jui/Aou/Sep Paramètre β En été couche de surface plus stratifiée => De diminue => β augmente β*1000 hémisphère sud nord Modélisation des courants dEkman

23 Séminaire LEGOS – 11 mars Jan-Fev-MarsJui/Aou/Sep Paramètre θ z=-15 m strat+ > strat- |θ||θ| hémisphère sud nord => θ augmente Modélisation des courants dEkman En été couche de surface plus stratifiée => De diminue

24 Séminaire LEGOS – 11 mars RMS U par année RMS V par année RMS des vitesses bouées RMS nouveau modèle (ajusté sur ) RMS ancien modèle (ajusté sur ) Ancien modèle meilleur avant 1999! Différences RMS entre vitesses bouées corrigées des courants dEkman et vitesses altimétriques sur la période Modélisation des courants dEkman

25 Séminaire LEGOS – 11 mars Ajustement des paramètres β et θ par année β Modélisation des courants dEkman On observe une nette dépendance des paramètres β et θ avec le temps Augmentation du paramètre damplitude β Diminution de |θ| - la direction des courants dEkman se rapprochent du lit du vent

26 Séminaire LEGOS – 11 mars Moyennes globales des modules par année Tension de vent (ERA INTERIM)Vitesses bouées dérivantes Vitesses bouées - altiVitesses altimétriques Modélisation des courants dEkman Calculé à partir des cartes globales Données interpolées le long des trajectoires des bouées dérivantes

27 Séminaire LEGOS – 11 mars Modélisation des courants dEkman Lat<-40-4040 bouée alti Ekman* bouée alti Ekman* bouée alti Ekman* Ekman*: courants dEkman calculés en utilisant lancien modèle (ajusté sur ) Moyennes des modules par année et latitudes

28 Séminaire LEGOS – 11 mars On observe une augmentation des vitesses agéostrophiques mesurées par les bouées dérivantes depuis 2002, à toutes les latitudes. Deux explications possibles: Réelle modification de la circulation océanique agéostrophique depuis 2002? Défaillance du système de mesure des courants à 15m par les bouées SVP Deux pistes à létude (R. Lumpkin, communication personnelle): - changement de design (bouées SVP -> mini SVP) à partir de problème de détection de perte de la drogue Modélisation des courants dEkman Augmentation de la stratification: D e diminue En accord avec ce que lon observe Tendance opposée à ce que lon observe Quelle que soit lexplication, dans le cadre de notre étude, on cherche à rendre les vitesses bouées cohérentes avec les vitesses géostrophiques altimétriques: il nous faut donc modéliser et prendre en compte cette tendance

29 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de Beta par an, latitude et saison β =β year + β month β year β month

30 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de θ par an, latitude et saison θ = θ year + θ month θ year θ month

31 Séminaire LEGOS – 11 mars RMS U par année RMS V par année RMS des vitesses bouées RMS nouveau modèle (ajusté sur ) RMS ancien modèle (ajusté sur ) RMS nouveau modèle (ajusté par année, mois et par latitude) Différences RMS entre vitesses bouées corrigées des courants dEkman et vitesses altimétriques sur la période

32 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de super observations de vitesses synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Usynth Vsynth cm/s Vitesses synthétiques utilisées pour le calcul de la CMDT RIO05

33 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de super observations de vitesses synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Usynth Vsynth ERRUsynth ERRVsynth cm/s

34 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul des observations synthétiques de hauteur = h(x,y,t) - h(x,y,t) Profileurs ARGO CTD de 1993 à 2008

35 Séminaire LEGOS – 11 mars Profils T,S = Hauteur dynamique par rapport à une profondeur de référence Pref Pour calculer une estimation de hauteur synthétique, il faut: Retirer la variabilité océanique due aux variations de densité jusquà Pref Ajouter une estimation de la TDM à Pref Coefficient à déterminerSLA Climatologie synthétique Type Levitus TDM grande échelle (=ébauche) Calcul des observations synthétiques de hauteur

36 Séminaire LEGOS – 11 mars m 400m 1200m 1900m Calcul des coefficients de régression:

37 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de super observations de hauteurs synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° cm Observations synthétiques utilisées pour le calcul de la CMDT RIO05 Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul

38 Séminaire LEGOS – 11 mars Calcul de super observations de hauteurs synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° cm Erreurs associées Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul

39 Séminaire LEGOS – 11 mars Ebauche de départ Résultat

40 Séminaire LEGOS – 11 mars TDM CNES-CLS09 Résultat

41 Séminaire LEGOS – 11 mars Erreur destimation cm cm/s Résultat ERR H ERR UERR V

42 Séminaire LEGOS – 11 mars EIGEN3S basé sur 2 ans de données GRACE + climatologie Levitus/1500m dans la bande de latitude [-40,40] Filtrage gaussien à 400 km SVP à 15m, Période Paramètres fittés sur Par boîtes et par saison (été, automne, hiver, printemps) CTD, XBT de 0 à Pref=1500m, Période Global, ½° (pas de Méditerranée) Modèle de géoïde utilisé pour lébauche: Technique de filtrage de lébauche: Données de vitesses bouées utilisées Modèle dEkman Données T/S utilisées Résolution finale CMDT RIO05CMDT CNES-CLS09 EIGEN-GRGS.RL02.MEAN basé sur 4 1/2 ans de données GRACE Filtrage optimal SVP à 15m, Période Paramètres fittés sur Par latitude, par année et par mois (moyenne glissante sur 3 mois) CTD, ARGO Pref variable 200/400/900/1200/1900 Période Global, ¼° (pas de Méditerranée) Les principales modifications par rapport au calcul de la CMDT RIO05

43 Séminaire LEGOS – 11 mars VALIDATION Statistiques globales de comparaison vs Ug bouee Vg bouee Ug mdt +U alti Vg mdt +V alti Trajectoires bouées SVP de janvier 2009 à février 2010 ( ) CNES- CLS09 RIO05MAX08GLORYSDNSC08Ebauche DIFF RMSU 12.1 (11.8) DIFF RMSV 11.3 (11.3) Au 0.58 (0.61) Av 0.56 (0.56) Rc 0.77 (0.78) Par comparaison à un jeu de vitesses bouées indépendantes

44 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Courant des Aiguilles cm

45 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Courant des Aiguilles Module des vitesses en cm/s

46 Séminaire LEGOS – 11 mars CNES- CLS09 RIO05MAX08GLORYSDNSC08Ebauche DIFF RMSU 13.0 (12.9) DIFF RMSV 12.6 (12.4) Au 0.67 (0.68) Av 0.65 (0.66) Rc 0.85 (0.86) VALIDATION Courant des Aiguilles Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes ( )

47 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Gulfstream

48 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Gulfstream Module des vitesses en cm/s

49 Séminaire LEGOS – 11 mars CNES- CLS09 RIO05MAX08GLORYSDNSC08Ebauche DIFF RMSU 12.3 (12.0) DIFF RMSV 11.6 (11.6) Au 0.62 (0.60) Av 0.58 (0.59) Rc 0.78 (0.78) VALIDATION Gulfstream Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes ( )

50 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Kuroshio cm

51 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Kuroshio Module des vitesses en cm/s

52 Séminaire LEGOS – 11 mars CNES- CLS09 RIO05MAX08GLORYSDNSC08Ebauche DIFF RMSU 14.6 (14.3) DIFF RMSV 15.0 (14.9) Au 0.69 (0.71) Av 0.64 (0.66) Rc 0.83 (0.83) VALIDATION Kuroshio Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes ( )

53 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Zone de confluence cm

54 Séminaire LEGOS – 11 mars CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 VALIDATION Zone de confluence Module des vitesses en cm/s

55 Séminaire LEGOS – 11 mars CNES- CLS09 RIO05MAX08GLORYSDNSC08Ebauche DIFF RMSU 12.5 (12.4) DIFF RMSV 12.4 (12.3) Au 0.61 (0.62) Av 0.61 (0.61) Rc 0.81 (0.81) VALIDATION Zone de confluence Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes ( )

56 Séminaire LEGOS – 11 mars Traitement spécifique pour le calcul des vitesses moyennes dans la bande équatoriale [-5°,5°] Calcul de la CMDT RIO05 | lat| > 5° h synth,u synth,v synth h,u,v |lat| < 5° h synth h, pas destimation de vitesse Calcul à postériori des vitesses équatoriales par la méthode de Lagerloaf et al (2004) |lat| > 5° h synth,u synth,v synth h,u,v |lat| < 3° u synth,v synth u,v h synth h 3°< |lat| < 5° combinaison linéaire entre les 2 solutions Calcul de la CMDT CNES-CLS09

57 Séminaire LEGOS – 11 mars cm/s Traitement spécifique pour le calcul des vitesses moyennes dans la bande équatoriale [-5°,5°] Calcul des vitesses CMDT09 par géostrophie équatoriale à partir de h Calcul des vitesses CMDT09 par inversion des vitesses synthétiques

58 Séminaire LEGOS – 11 mars |lat|< CNES-CLS09 (Inversion Usynth,Vsynth) Méthode lagerloaf DIFF RMSU (cm/s) DIFF RMSV (cm/s) Rc Traitement spécifique pour le calcul des vitesses moyennes dans la bande équatoriale [-5°,5°] cm/s

59 Séminaire LEGOS – 11 mars Différence entre la CMDT RIO05 et (SMO-GRGS) f400 Correction du biais grande échelle de la CMDT RIO05 Différence entre la MDT GLORYS et (SMO-GRGS) f400 Différence entre la CMDT CNES-CLS09 et (SMO-GRGS) f400

60 Séminaire LEGOS – 11 mars Conclusions Une nouvelle TDM globale a été calculée intégrant: Le modèle de géoïde GRACE le plus récent (4 ans ½ de données) Un jeu de données de vitesses de bouées dérivantes de 1993 à 2008 Un jeu de données de hauteurs dynamiques de 1993 à 2008 (incluant toute la période ARGO) Un nouveau modèle dEkman a été calculé pour la période Létude a permis de mettre en évidence une augmentation des vitesses agéostrophiques mesurées par les bouées dérivantes dont la cause nécessite plus dinvestigations. La nouvelle TDM CNES-CLS09 présente des vitesses moyennes bien plus élevées et plus réalistes que la version précédente (RIO05). Par conséquent, des coefficients de régression aux observations (indépendantes) plus proches de 1 sont trouvés comparé à dautres solutions existantes.

61 Séminaire LEGOS – 11 mars Perspectives … A vous de jouer! Assimilation dans les système de prévision opérationnelle MERCATOR, FOAM, TOPAZ, ECMWF… Mise à jour des cartes de Topographie Dynamique Absolue DUACS temps différé ( ) et temps réel et des courants géostrophiques associés Comparaison avec les TDM GOCE dés que le premier modèle de géoïde GOCE sera mis à disposition par lESA (juillet 2010?) Calcul dune TDM GOCE combinée (globale, incluant la Méditerranée)


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