OAM simulés par OGCM climat 1.Détecteur derreurs dans les chaînes de traitement 1.Un nouveau point de vue tridimensionnel de la circulation océanique 1.Les 2 contributeurs aux variations dOAM: la masse et la circulation 26 Nov 2012 / slide 1

Spectre de la série temporelle ( ) dOAM_z simulé par ECCO Black= kf080 (TPJ not contaminated by error in tidal corrections) Red = kf077 (TPJ contaminated) De façon opérationnelle depuis 1993 pour TPJ, les OAMs simulés par OGCM sont calculés (Dr Gross, SBO / IERS) avec et sans TPJ pour la détection derreurs possibles en modélisation ou traitements altimétriques 13.6 days Exemple derreur détectée par les OAMs simulés par la cha ȋ ne dassimilation de TPJ dans un OGCM

En plus de détecter erreurs et de valider les simulations à léchelle planétaire, les OAMs permettent de comprendre: 1.Problèmes état moyen OGCMs dans prévisions ENSO 2.Rôle du sel dans recharge Indo - Pacifique subtropicale antisymétrique Nord/Sud pour ENSO 1.Rôle hautes fréquences (coups de vents et pluies locales) avec échanges interbassins de masses en quasi-équilibre de Sverdrup avec latmosphère

standard forecast almost data free observations Sep 2002 Dec ºC +2ºC ENSO forecast example: propagation Pacific 2002/03 warm event along the equator Anti-symmetric recharge of ENSO from subtropical North and South Pacific (cm) Daily occurrence wind bursts and rain regimes prescribed in ENSO model from satellites QSCAT stress Vectors on 06/28/ North South Pascal cm Anti-symmetric recharge adjustements are controlled by altimetry (TPJ) in almost forecast

The discrepancy between observed and model mean Sea Level is very big. It corresponds to a change in Earths oblateness which is incompatible with the range of LOD variations currently observed. cm Model forced by QuikSCAT vectors (CORE2): courtesy of Dr. Large (NCAR), 2008 Etat moyen OGCM: erreurs de sea level simulé en équilibre moyenné sur plusieurs années avec latmosphère

OAM_x (10 24 kg m 2 /s) 2. Assimilation daltimétrie (TPJ depuis 1993) OAM_masses simulées par 2 OGCMs differents Pourquoi les masses simulées par lun dérivent et pas celles simulées par lautre? Résumé des résultats OAM_x (10 24 kg m 2 /s) OAM_courants simulés par le même OGCM -forcé par ERA et différents contrôles en sel et/ou masse -forcé par diffusiométrie (CORE2 = QSCAT vecteurs) Utiliser les vecteurs diffusiométriques comme des vents dans un OGCM bloque la circulation Indopacifique à cause du contenu marée permanent des vecteurs QSCAT M2 K1

Un point de vue tridimensionnel de la circulation océanique OAM-x OAM-y OAM_z OAM_currents and OAM_mass (10 24 kg m 2 /s) simulated by ECCO with TPJ (1993-to-2010 ) mean OAM_x mean OAM_y mean OAM_z = (OBP) = (OBP) = (OBP) = (u,v, ) = (u,v, ) = = (u,v, )

OAM simulés par ECCO sans TPJ (haut), avec TPJ (bas) Rouge = Courant Noir = Masse OAM_x OAM_y OAM_z = (OBP) = (OBP) = (OBP) = (u,v, ) = (u,v, ) = (u,v, ) = (OBP) = (OBP) = (OBP) = (u,v, ) = (u,v, ) = (u,v, )

Assimilation de TOPEX-Poseidon-Jason (TPJ) dans OGCM Il y a principalement 2 grosses difficultés qui reviennent à chaque pas de temps dassimilation 1. Problème: l état moyen du modèle ne correspond pas à la réalité. TPJ fournit les anomalies de SL par rapport à une surface de référence inconnue. Pour assimiler TPJ, il faut ajouter une topographie moyenne de référence. ECCO: état moyen forcé par NCEP coefficients de mélange corrigés par Mennemenlis et al. (2005) puis l état moyen du modèle corrigé est rajouté a TPJ 2. Problème: la pression atmosphérique nest pas utilisée pour forcer le modèle. Les équations de moment dynamique ne sont forcées que par les contraintes de vent La correction de baromètre inverse (IB) est retirée de TPJ IB(x,y,t) = Patmos(x,y,t) – Patmos_meanSurfOcean (t)

Vertical scale for –OAM plots: (with TPJ) (without TPJ) Climatological OAM_currents from ECCO ( ) Units = kg*m 2 /s meanTotal Current (x, y, z) =-1.04(-1.01) +0.65(+0.64) (9.61) Impact TPJ sur les courants: augmentation courant ZONAL en May

meanTotal OAM_mass (x, y, z) = ( ) ( ) ( ) Impact TPJ sur la masse: OAMz augmentation Masse (z) vers lequateur April bloque laugmentation masse vers Nord Bengal apres la mousson (Septembre) par rapport a OAMx sans TPJ Vertical scale for ALL *–OAM plots = 1.6 (with TPJ) (without TPJ) Climatological OAM_mass from ECCO ( ) Units = kg*m 2 /s

TRMM Rain data(_month, _day) Model SSS Exp(_month, _day)SSS TRMM

TRMM Rain data(_month, _day) Model SSS Exp(_month, _day)SSS TRMM

Masse: OAM_y: signal annuel OAM_x: signal 1-à-180 jours (+interannuel) cf.: rôle dominant des instabilités tropicales pendant les alignements géo-luni-solaires à day (M2,S2) Daily and climatological OAM_masse (or current) simulated by ECCO with TPJ

Conditions OGCM: « toit rigide » ou « surface libre implicite » Les OGCMs conservent le volume, mais pas la masse. variations artificielles de masse dues aux flux air-mer (Q_chaleur, E-P-R) ainsi qu à toute relaxation en surface en température ou sel dans le modèle. De plus, des flux virtuels de sel sont créés par le forçage de la salinité avec le bilan (E-P-R) (contrairement a la réalité ou cest le volume deau fraiche qui change avec E-P-R) ECCO: la correction de Greatbatch (1994) est appliquée sur les OAM_mass. Cette correction consiste à calculer lépaisseur de la couche deau uniforme appropriée pour conserver la masse à partir des bilans de surface. Cette correction est très efficace pour ECCO, mais….

OAM_z simulés par ECCO sans correction de Greatbatch (with Greatbatch) (with Greatbatch) (no Greatbatch) (no Greatbatch) No TPJ with TPJ

Conditions OGCM: « toit rigide » ou « surface libre implicite » Les OGCMs conservent le volume, mais pas la masse. variations artificielles de masse dues aux flux air-mer (Q_chaleur, E-P-R) ainsi qu à toute relaxation en surface en température ou sel dans le modèle. De plus, des flux virtuels de sel sont créés par le forçage de la salinité avec le bilan (E-P-R) (contrairement a la réalité ou cest le volume deau fraiche qui change avec E-P-R) ECCO: la correction de Greatbatch (1994) est appliquée sur les OAM_mass. Cette correction consiste à calculer lépaisseur de la couche deau uniforme appropriée pour conserver la masse à partir des bilans de surface. Cette correction est très efficace pour ECCO (mais pas pour NEMO). La correction de Greatbatch nest pas un calcul exact du changement de masse simule par lOGCM, le calcul de correction de masse est à faire en cours de simulation les problèmes de mélange dans les modèles nécessitent des restaurations en sel et en température dans les expériences océaniques forcées par (TX,TY, Qheat, E-P-R). (Qheat et E ne devraient pas être des forçages!... - expériences couplées O/A GCM.

OAM_masses simulées par ECCO_TPJ et NEMO_TPJ OAM_x OAM_y OAM_z Les OAM sont corrigés du bilan de masse (équivalent hauteur deau uniformément repartie calculée après le run en fonction du bilan E-P-R (Richard Gross, 2010). Pourquoi NEMO_TPJ dérive –til?

OAM_courants simulés par NEMO pour 6 différentes conditions de forcage La simulation avec assimilation est à part (à cause du problème de mélange dans les modèles et de la référence surfacique inconnue en altimétrie. Quelles que soient les contraintes de stress et flux air-mer, les incertitudes de mélange posent problème pour lassimilation altimétrique dans les modèles (voir corrections Greiner+Perigaud 1993, 1994 dans tropiques; Mennemenlis 2005 dans ECCO)

Conclusion 1: OAMs simules par forçage avec NCEP ou ERA 1. OAM = outil de détection erreur (cf.: a permis darrêter la diffusion des GDRs de TPJ lorsqu en 2009, ils avaient été distribués avec une mauvaise correction de marée) 2. Létat moyen des OGCM (mixing) pose problème à lassimilation daltimétrie (voir Mennemenlis et al., 2005 avant dassimiler TPJ, voir resultats de Mercator). De toute facon, laltimétrie ne peut pas résoudre ce problème puisque la surface de référence de TPJ, le profil moyen (géoide+MDT) du satellite nest pas un GDR océanique (c est un GDR couplé Terre-OA)- besoin de diffusiométrie pour faire des progrès 3. Les OGCMs conservent le volume et non la masse Correction Greatbatch efficace dans ECCO pour éviter de voir les dérives simulés en OAMs, mais cette correction ne représente pas les changements de masse simulés par le modèle à cause des conditions nécessaires à appliquer dans toute expérience océanique forcée pour éviter les dérives en sel (flux air-mer à coupler pour échanger en quantité nette de chaleur et évaporation échangée) problème sel problème prévision ENSO/climat

cm cm a: SSH error simulated by Ocean model forced by QSCAT vectors – observations Courtesy of NCAR project b: SSH error simulated by Ocean model forced by ERAi vectors – observations Courtesy of ENSEMBLE project Le forçage CORE est à part car les directions de QuikSCAT convergent très fort dans les tropiques (contenu énergétique des marées des vecteurs diffusiométriques). OAMx? OAMy? OAMz?

Valeurs totales des OAM_courants simulés par NEMO sans assimilation TPJ pour différents forçages (CORE, ERA) et contrôles de masse et de sel ORCA1-QSCAT = CORE2 mass=0 restore SSS: ORCA025 –T327 = ERA mass=0 free SSS : ORCA025 –T323 = ERAfreefree SSS : ORCA1 –AR5 = ERA freerestore SSS : ORCA1 – T09 = ERAfreefree SSS: meanTotal Current (x, y, z) ECCO (NCEP+Greatbatch+TPJ) : Units = kg*m 2 /s

OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) masse =0 at each time step + Sel restoring ECCO:MeanTotal masse (x, y, z) = Vertical scale NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal masse (x, y, z) = Vertical scale Units = kg*m 2 /s

NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal masse (x, y, z) = Vertical scale OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 masse =0 + Sel restoring NEMO_ERA (T327): close to ECCO for OAM_x, but even much weaker than CORE for OAM_z MeanTotal masse (x, y, z) = Vertical scale kg*m 2 /s OAM_masse simulés par NEMO forcé par ERA, mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring

haut: Climatologie OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 ou par ERA bas: Climatologie OAM_masse simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ Units = kg*m 2 /s CORE mass=0, restore SSS ERA: mass =0 (+12mm), free SS

Conclusion OAM ECCO_NCEP(TPJ), NEMO_ERA, NEMO_CORE2 (QSCAT, NEMO_mass=0, restoration Sel) 1. Létat moyen des OGCM (mixing) pose problème à lassimilation daltimétrie. 2. Les OGCMs conservent le volume et non la masse ECCO forcé par correction Greatbatch efficace, mais pas « clean » NEMO forcé par ERA même avec correction de masse (sans correction de sel) dérive en OAM_z problème sel et masse problème prévision ENSO/climat problèmes déséquilibres N/S (rôle forces gravitationnelles Lune pour mélange cross-équatorial océanique et atmosphérique couple) 3. Les OGCMs forcés par CORE2 (QSCAT): courants: amplitude moyenne trop faible confirmation que lITF moyen est bloqué (M2 énergie de lIndien vers le Pacifique): OAMz = 8 au lieu de 11 (10 24 kg*m 2 /s ) OAMx = -0.4 au lieu de -1.1 (10 24 kg*m 2 /s ) masse: mean OAM_z faible ….. au lieu de… (ECCO) < (freeS) mean OAM_x faible ….. au lieu de… (ECCO) > (freeS) amplitude saisonnier OAM_z: 4 fois plus fort et avec déphasage = 90º

Vector TOW per harmonic (kg m/s2) = (W/m) (TOWx, TOWy) = g Sum_period{ (u,v)H( + s) dt } ; s= body+ load Permanent tidal energy fluxes Ray et al., 2005 Very large M2 flux from the Indian Ocean. Diurnal flux is primarily powered from the Pacific. A significant part of the incoming energy from the Indian Ocean into the Indonesian Seas works against the Earth's rotation (see Earths body tide, Egbert+Ray, 2001). Diurnal (luni-solar) M2 K1 Tidal Ocean Work total=3.5TW (Solid) out of which 1.1 TW maintain stratification and currents Semi-diurnal lunar

Courtesy of Dr. Kelly (OVWST, 2007) NECC = North Equatorial Counter-Current SEC = South Equatorial Current Il est de coutume dexpliquer la différence entre vents et OVWs diffusiométriques par la circulation générale océanique de surface longitudes Current NECC QSCAT Trade winds longitudes Current SEC QSCAT Trade winds Mais cette coutume ne marche pas pour expliquer la composante méridienne des vents (les alizes): les courants de surface ont une faible divergence, alors que Vents – QSCAT divergent beaucoup plus et ont une rotation grande échelle très forte.

QSCAT 62 QSCAT 65 QSCAT 66 ERS 61 FSU 10 NCEP 15 longitude Mean northward OVW stress in the Pacific [5ºN-to-7ºN] Pascal dyn/cm Mean OST balanced with QSCAT – mean OST balanced with FSU cm

Mean OVW eastward stress along the equator dyn/cm 2 QSCAT FSU ERS NCEP Pascal longitude Northward OVW stress in SE Indian [5ºS, 100ºE] Pascal QSCAT Pascal Mean OVW northward stress across 10ºS NCEP FSU ERS Vecteurs de contrainte dans lOcéan Indien

La vitesse moyenne des vecteurs de QSCAT na pas de signal annuel ni semi-annuel en global.

Spectre MIX-ERA : Signal Annuel ~ 2 fois le Semi-Annuel MAREE (héliosynchronisme : K1 Annuel et K2 Semi-Annuel (ERS1&2/QSCAT) ; (Q/ASCAT)

vers le SUD m/s vers le NORD Collocalisation des OVW meridiennes QSCAT, ASCAT, ERA en moyenne sur 2 ans: e) QuikSCAT- ERA f) ASCAT - ERA Signature tesserale caracteristique de lenergie de maree: QSCAT meridien plus forte convergence que les vents alizes d ERA-interim meme signature tesserale de maree dans ASCAT et dans QSCAT Zonally averaged values of collocated zonal winds meridional wind (m/s) VQSCAT VECMWF S EQ 60N

ºS 0º 30ºN Zonally averaged collocated values of meridional winds and meridional pseudo-stresses as a function of latitudes (m/s) (m/s) Winds: Southerlies (3m/s in the South) and Northerlies (-3m/s in the North) converge NORTH of the equator. Pseudo-stresses: Southerlies (+25m2/s2 in the South) and Northerlies (-28m2/s2 in the North) converge AT the equator.

U ECMWF - U ASCAT (m/s) U ASCAT (kg m 2 /s) U ocean surface current (m/s) U ECMWF U ASCAT +8 60S EQ 60N zonal wind (m/s) wind difference and tide Zonal averages of mean collocated OVWs from ECMWF, ASCAT and S2 tidal transports mid-latitude westerlies easterly trade winds ECMWF ASCAT ECMWF – ASCAT

winds QSCAT diff tide S Equatpr N VQSCAT VECMWF m/s meridional wind (m/s) wind difference and tide V ECMWF - V QSCAT (m/s) V QSCAT (kg m 2 /s) S EQ 60N +1 0 VQSCAT VECMWF V ECMWF - V QSCAT (m/s) V QSCAT (kg m 2 /s) Zonal averages of mean collocated OVWs from ECMWF, QSCAT and tides

vers lOuest m/s vers lEst Le vent ASCAT plus vers lEst que ERA est egalement expliquee par la capture du signal de marees saisies par le satellite ASCAT………………………voir next slide ASCAT traverse lequateur a 9.30am et 9.30pm, 3 heures apres QSCAT. Collocalisation des OVW zonales QSCAT, ASCAT, ERA en moyenne sur 2 ans: b) QuikSCAT- ERA c) ASCAT - ERA 30ºS latitudes 30ºN (m/s) Zonally averaged values of collocated zonal winds 0.

vers le SUD m/s vers le NORD vers lOuest m/s vers lEst Composantes des differences entre collocations OVW en moyenne sur 2 ans: ZONALE MERIDIENNE Signature tesserale caracteristique de lenergie de maree: QSCAT meridien plus forte convergence que les vents alizes d ERA-interim meme signature tesserale de maree dans ASCAT et dans QSCAT be) QuikSCAT- ERA cf) ASCAT - ERA

Sidereal year = days Tropical year = days Anomalistic = days -----> semi-diurnal: S2( 0.47 ), T2( 0.03 ), K2( 0.04 ) TIDES-----> diurnal: P1( 0.19 ), 1( 0.01 ), K1( 0.19 ) -----> long period: Ssa ( days, 0.08 ) Sa ( days, 0.01 ) Sun and tides Mean Gravi: GmM/r**2 Sun = 590 mgal Moon = 3 mgal Tidal accel: GmM/r**3 Sun =.05 mgal Moon =.11 mgal

OAM_courants simulés par NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) ECCO:MeanTotal Current (x, y, z) = Vertical scale NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal Current (x, y, z) = Vertical scale

haut: Climatologie OAM_courants simulés par NEMO forcé par CORE2 ou par ERA CORE= ERA = NCEP= TPJ = bas: Climatologie OAM_courants simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ

OAM_courants simulés par ECCO (with TPJ) et NEMO (Mercator Psy2v3) OAM_masse simulés par ECCO (corrigé Greatbatch) et Psy2v3 (correction apres run R. Gross)

OAM_masse simulés par NEMO forcé par ERAinterim mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring ECCO:MeanTotal masse (x, y, z) = Vertical scale NEMO_ERA simulates values close to ECCO MeanTotal masse (x, y, z) = Vertical scale Units = kg*m 2 /s