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* LSEET, CNRS-Univ. du Sud Toulon Var ** LOG, CNRS-Univ. du Littoral - Côte d'Opale *** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO The use of HF radar mapping of.

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1 * LSEET, CNRS-Univ. du Sud Toulon Var ** LOG, CNRS-Univ. du Littoral - Côte d'Opale *** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO The use of HF radar mapping of surface currents in EPIGRAM Philippe FORGET *, Alexeï SENTCHEV **, Yves BARBIN *, Louis MARIE *** * LSEET, CNRS-Univ. du Sud Toulon Var ** LOG, CNRS-Univ. du Littoral - Côte d'Opale *** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO

2 Réalisations Choix de 3 périodes significatives Traitement haute résolution des données radar Interpolation variationnelle Correction de linfluence des vagues Début danalyse de la circulation en mer dIroise

3 Choix des périodes I Fort coefficient (<112), vent faible II Probabilité du front d'Ouessant, évènements de vent fort. Série longue. Campagne en mer (13-15 septembre) et mouillage III Probabilité du front d'Ouessant, évènements de vent fort. Série longue. Campagne en mer (31 août - 17 septembre) et mouillage I 9 avril - 5 mai jours1836 cartes II 24 août -10 oct III 21 juillet - 4 oct TOTAL:

4 1 ère période: 9 avril - 5 mai 2007

5 2ème période: 24 août -10 octobre 2007

6 3ème période: 21 juillet - 4 octobre 2008

7 Traitement haute résolution des données radar - 2 HF radars WERA operating for SHOM (Fr.Navy): northern site - Garchine, southern site - Brezellec - operating frequency: 12 MHz - long time series (from mid 2006 to date) - time resolution: 1/3 h - resolution: 10° in azimuth using beam forming (BF), 1.5km along beam Ushant Is. Sein Arch.

8 HFR data statistics Ex.: Mid-Spring period: 10 Apr – 5 May 2007 Fraction of the data return Decrease of the data return at far & mid ranges: effect of Isles, HFR network configuration, …

9 Coverage & interpolation grid Regular grid (circular shape) 1.1 km spacing 4000 points (shown) Constraints: - angle >30° (radar beam intersection) - data return > 50% ( *) Domain: 90 x 80 km 2 Int. Method: 2dVar

10 Direction finding (MUSIC) provides high resolution radial velocity maps BEAM FORMINGDIRECTION FINDING 10° x 1.5 km 2° x 1.5 km

11 Variational interpolation (2dVar): velocity vector maps, gap filling, smoothing, curl v & div v estimates, interpolation errors ( Yaremchuk & Sentchev, CSR, 2009) Local & OMA interp. (Muller et al., JMS, 2009) Interpolation variationnelle

12 Estimation derreurs dinterpolation Vitesses interpolées Observations Erreurs de vitesses Principe La formulation variationnelle intègre les erreurs dobservations (ici = 5 cm/s) En fin doptimisation, on calcule H en dérivant la f. de coût J : Inverse de H a un sens de covariance derreur dinterpolation: Plus nous avons dobservations, reparties de façon homogène, plus petite sera lerreur Observations Erreurs correspondantes

13 Wave correction to the measured Doppler velocity ( Broche et al. 1983, Ardhuin et al ): U ss (f B )= long wave (f

14 total surface Stokes drift Typical values of U ss (f B ) for - a Pierson-Moskowitz wave spectrum - a gaussian swell wavelength: 200m 150m Calcul de U SS (f B ) vectoriel à partir des prédictions WW3: - direction = direction moyenne des vagues - module = à partir de U SS (f c ) en sortie de WW3 (intégration sur [0 f c ] f c =0.72Hz) et grâce la relation empirique générale de Ardhuin et al version de WW5 utilisée: NORGAS (1/30°) sur grille régulière

15 Comparaison U SS – courant de surface mesuré sur les 3 périodes 6 cm/s 33 cm/s

16 Uss calculé pour 2 coupures: f B et 0.72Hz Corrélations U ss -u*

17 Filtrage période semidiurne – 2ème période au point de mesure spectres signal signal filtré u v

18 Histogramme pour les 3 périodes au point de mesure 18 cm/s 42 cm/s

19 Comparaison avec ou sans correction de Stokes sur le courant filtré

20 A faire : - utilisation du modèle WW3-Iroise en grille non structurée (données 2007&2008 en cours) - affiner les comparaisons, filtrage t_TIDE nœuds WW3 projection de Hs interpolation sur grille radar

21 Début danalyse de la circulation en mer dIroise mid-spring : 10 Apr – 5 May 2007late summer : 24 Aug – 19 Sep 2007 Strong tidal forcing (range ~7m) and moderate winds Strong tidal forcing and stronger winds Pri.Spring Neap

22 Results : Tidal currents PCA - derived synthetic ellipses during primary spring tide (7-d averaged ) red: ccw rotating current vectors blue : cw rotating Rotary pw spectra & rotary coefficient r = (S + - S - )/(S + +S - ) r 0 for ccw motion r = 0 for unidirectional flow (Sentchev et al., ECSS 2009; Sentchev & Yaremchuk, CSR 2007) (Emery, Thompson, 1997)

23 Tidal current variability Time/Space variations of the amplitude of tidal currents W-E line SW-NE line Variability of cur. ellipses in two particular locations (strongest curent) 1.7 to 3.8 m/s 1 to 4 m/s Spatial variability Vel. magnitude > 1 m/s (majority of the domain) Max velocity ranges from 0.7 to 4 m/s Min velocity ranges from 0.2 to 1.7

24 Tidally generated eddies Average vorticity field - generation by bottom friction - advection by tidal currents - time-averaged vorticity of opposite sign appears on both sides of a cape or island (Zimmerman, 1980; Robinson, 1983; Pingree et al., 1985) Flood Ebb curl v, s -1 Currents during one td cycle 18/4 21h 19/4 9h50

25 Residual currents SpringNeap Features: - High velocity values (up to 0.5 m/s) - Rotational field (permanent eddies) - Control of the RC by bathymetry - Off-shore and near-shore jets - Pronounced fortnightly variability Whole period

26 Non-tidal residuals (late summer 2007) Ushant thermal frontTime evolution of the RC along 48.25°N (S-N velocity component) Signature of the Ushant thermal front is visible in the surface field of long- term residual velocities Temp. along the 48°N section on 14 Sep, 2007 (Le Boyer et al., CSR 2009) SST on 14 Sep 2007 from MODIS RC : tidal currents removed grey line – zero velocity contour Long-term residuals : Stokes, wind-induced, and stationary currents removed 14 Sep Vel. scale (m/s) 48.25°N Observed wind

27 h h h07 Cartes radar et images SAR

28 Plan de travail Méthodologie - finalisation des corrections de vague - méthode 2Dvar: étude de sensibilité aux paramètres de contrôle et cartes derreurs des vitesses interpolées - croisement avec les mesures in-situ : bouées de surface dérivantes - croisement avec données satellite : SST, SAR

29 Applications - analyse des structures méso-échelles récurrentes dans le voisinage dOuessant (Nord, sud et Fromveur) - étude des déphasages induits par la friction - manifestations du front dIroise - comparaison avec la modélisation dynamique pour les périodes sélectionnées. Proposition: constitution de jeux de données de courant de surface modélisés et analyses similaires réalisées sur ces jeux et les données radar correspondantes Article ISOBAY JMS en préparation: « High resolution HFR observations of surface currents in the IROISE Sea »


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