Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ M-H Rio cm

Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ M-H Rio Plan de l’exposé Introduction Calculer une Topographie Dynamique Moyenne, pourquoi? 20 ans d’amélioration du géoïde et ses implications pour le calcul de la TDM Les différentes méthodes d’estimation des plus petites échelles spatiales de la TDM Calcul d’une nouvelle TDM haute résolution par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ La méthode Calcul des observations synthétiques de vitesse: nouveau modèle d’Ekman Calcul des observations synthétiques de hauteur Résultat Validation Conclusions et Perspectives

Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi? Rappel des enjeux orbite hO La mesure altimétrique hA  = N + h Géoïde mal connu Mesuré avec précision par l’altimètre Signal d’intérêt en océanographie Répétitivité des missions altimétriques = N + =hO-hA Sea level h’ MDT η h <h> N geoid ellipsoid Anomalies de hauteur SLA

Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi? Rappel des enjeux Pour reconstruire la topographie dynamique absolue h à partir de hp’= p’ il faut connaître avec précision la Topographie Dynamique Moyenne Cas des anomalies altimétriques calculées à CLS: P=1993-1999 On cherche à calculer la Topographie Dynamique Moyenne correspondant à la période 1993-1999 Les principales applications: Accéder à 17 ans (1993-2010) 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…)

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe  = G + h - G = (SMO CLS01) - Géoide = TDM9399 m cm Filtrage spatial nécessaire 20 ans d’amélioration des modèles de géoïde Modèle GRIM4S4 GRIM5S1 CHAMP3S GGM02S EIGEN3S EIGEN4S ITG-GRACE03S GGM03S EIGEN5S EIGEN-GRGS.RL02 Année 1995 1999 2003 2005 2006 2007 2008 2009 HS 70 99 140 150 180 150-180 160 Données Geodetic satellites 33 months CHAMP 2 years GRACE 3 years GRACE 41/2 years GRACE 4 years GRACE

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km 2009 SMO CLS01-EIGEN-GRGS 300 km 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 : 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

TDM grande échelle=Ebauche 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

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ L’analyse objective multivariée Permet l’estimation optimale de la TDM en hauteur et vitesse à partir d’un jeu d’observations de hauteurs et vitesses moyennes Hypothèse: les observations en entrée doivent être de moyenne nulle on part d’une 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 Les équations de base

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ Calcul de l’ébauche SMO CLS01- EIGEN-GRGS.RL02 Filtrage optimal TDM grande échelle (~400km) cm

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ Calcul de l’ébauche Erreur associée cm

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

Calcul d’estimations synthétiques de la TDM (hauteurs et vitesses) Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ Calcul d’estimations synthétiques de la TDM (hauteurs et vitesses) Rio and Hernandez, 2004 - Rio et al, 2005 - On retranche l’anomalie altimétrique à la hauteur/vitesse in-situ - On interpole l’anomalie de hauteur/vitesse à la position/date de la mesure in-situ. ’=h ’ (u’a,v’a) (u,v) h geoid A chaque position r et date t pour lequel on dispose d’une 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 l’altimétrie

Calcul des estimations synthétiques de vitesses <ug(x,y)>93-99 = ug(x,y,t) - ug’(x,y,t) <vg(x,y)>93-99 = vg(x,y,t) - vg’(x,y,t) Déduit des trajectoires des bouées dérivantes: Retrait de la composante d’Ekman Filtrage à 3 jours Déduit de l’altimétrie cm/s Vitesses des bouées dérivantes droguées à 15m calculées en temps différé et distribuées par l’AOML pour la période 1993-2008

Calcul des estimations synthétiques de vitesses Modélisation des courants d’Ekman 45° Les équations d’Ekman β θ Modèle choisi Rio and Hernandez, 2003 Filtrés entre 30h et 20j Grilles de tensions de vent ERA INTERIM 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 1993-2008 1

Modélisation des courants d’Ekman Paramètre β Jan-Fev-Mars Jui/Aou/Sep β*1000 hémisphère sud nord En été couche de surface plus stratifiée => De diminue => β augmente

Modélisation des courants d’Ekman Jan-Fev-Mars Paramètre θ Jui/Aou/Sep |θ| En été couche de surface plus stratifiée => De diminue hémisphère sud nord => θ augmente z=-15 m strat+ > strat-

Modélisation des courants d’Ekman Différences RMS entre vitesses bouées corrigées des courants d’Ekman et vitesses altimétriques sur la période 1993-2008 RMS V par année RMS U par année RMS des vitesses bouées RMS nouveau modèle (ajusté sur 1993-2008) RMS ancien modèle (ajusté sur 1993-1999) Ancien modèle ‘meilleur’ avant 1999!

Modélisation des courants d’Ekman Ajustement des paramètres β et θ par année β On observe une nette dépendance des paramètres β et θ avec le temps Augmentation du paramètre d’amplitude β Diminution de |θ| - la direction des courants d’Ekman se rapprochent du lit du vent

Modélisation des courants d’Ekman Moyennes globales des modules par année Tension de vent (ERA INTERIM) Vitesses bouées dérivantes Vitesses altimétriques Vitesses bouées - alti Données interpolées le long des trajectoires des bouées dérivantes Calculé à partir des cartes globales

Modélisation des courants d’Ekman Moyennes des modules par année et latitudes Lat<-40 -40<Lat<40 Lat>40 bouée bouée bouée alti alti alti Ekman* Ekman* Ekman* Ekman*: courants d’Ekman calculés en utilisant l’ancien modèle (ajusté sur 1993-1999)

Modélisation des courants d’Ekman 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? Augmentation de la stratification: De diminue En accord avec ce que l’on observe Tendance opposée à ce que l’on observe Défaillance du système de mesure des courants à 15m par les bouées SVP Deux pistes à l’étude (R. Lumpkin, communication personnelle): - changement de design (bouées SVP -> mini SVP) à partir de 2004 - problème de détection de perte de la drogue Quelle que soit l’explication, 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

Calcul de Beta par an, latitude et saison β =βyear+ βmonth β year 10-3 10-3

Calcul de θ par an, latitude et saison θ = θ year+ θ month θ year θ month

RMS V par année RMS U par année Différences RMS entre vitesses bouées corrigées des courants d’Ekman et vitesses altimétriques sur la période 1993-2008 RMS V par année RMS U par année RMS des vitesses bouées RMS nouveau modèle (ajusté sur 1993-2008) RMS ancien modèle (ajusté sur 1993-1999) RMS nouveau modèle (ajusté par année, mois et par latitude)

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

Calcul de ‘super observations’ de vitesses synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Usynth Vsynth cm/s ERRUsynth ERRVsynth cm/s

Calcul des observations synthétiques de hauteur <h(x,y)>93-99 = h(x,y,t) - h’(x,y,t) Profileurs ARGO 2002-2008 CTD de 1993 à 2008

Calcul des observations synthétiques de hauteur 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 jusqu’à Pref Ajouter une estimation de la TDM à Pref Coefficient à déterminer SLA Climatologie synthétique Type Levitus TDM grande échelle (=ébauche)

Calcul des coefficients de régression: 200m 400m 1200m 1900m

Calcul de ‘super observations’ de hauteurs synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Observations synthétiques utilisées pour le calcul de la CMDT RIO05 Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul cm

Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul Calcul de ‘super observations’ de hauteurs synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul Erreurs associées cm cm

Résultat Ebauche de départ

Résultat TDM CNES-CLS09

Résultat Erreur d’estimation ERR H cm ERR U ERR V cm/s

Les principales modifications par rapport au calcul de la CMDT RIO05 CMDT CNES-CLS09 EIGEN-GRGS.RL02.MEAN basé sur 41/2 ans de données GRACE Filtrage optimal SVP à 15m, Période 1993-2008 Paramètres fittés sur 1993-2008 Par latitude, par année et par mois (moyenne glissante sur 3 mois) CTD, ARGO Pref variable 200/400/900/1200/1900 Période 1993-2008 Global, ¼° (pas de Méditerranée) CMDT RIO05 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 1993-2002 Paramètres fittés sur 1993-1999 Par boîtes et par saison (été, automne, hiver, printemps) CTD, XBT de 0 à Pref=1500m, Période 1993-2002 Global, ½° (pas de Méditerranée) Modèle de géoïde utilisé pour l’ébauche: Technique de filtrage de l’ébauche: Données de vitesses bouées utilisées Modèle d’Ekman Données T/S utilisées Résolution finale

VALIDATION Ugmdt+U’alti Vgmdt+V’alti Ugbouee Vgbouee Par comparaison à un jeu de vitesses bouées indépendantes vs Trajectoires bouées SVP de janvier 2009 à février 2010 (2009-2010) Statistiques globales de comparaison CNES-CLS09 RIO05 MAX08 GLORYS DNSC08 Ebauche DIFF RMSU 12.1 (11.8) 12.2 12.1 14.4 12.8 RMSV 11.3 (11.3) 11.7 11.5 14.3 Au 0.58 (0.61) 0.57 0.56 0.58 0.52 Av 0.56 (0.56) 0.53 0.55 0.49 Rc 0.77 (0.78) 0.76 0.65 0.73

VALIDATION Courant des Aiguilles CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 cm

VALIDATION Courant des Aiguilles CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 Module des vitesses en cm/s

VALIDATION Courant des Aiguilles Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010) CNES-CLS09 RIO05 MAX08 GLORYS DNSC08 Ebauche DIFF RMSU 13.0 (12.9) 13.4 13.2 13.9 14.1 RMSV 12.6 (12.4) 13.1 12.8 14.2 Au 0.67 (0.68) 0.63 0.64 0.65 0.60 Av 0.65 (0.66) 0.62 0.58 Rc 0.85 (0.86) 0.85 0.82

VALIDATION Gulfstream CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05

VALIDATION Gulfstream CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 Module des vitesses en cm/s

VALIDATION Gulfstream Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010) CNES-CLS09 RIO05 MAX08 GLORYS DNSC08 Ebauche DIFF RMSU 12.3 (12.0) 12.3 12.5 12.6 13.4 RMSV 11.6 (11.6) 11.7 11.8 12.0 13.0 Au 0.62 (0.60) 0.57 0.55 0.58 0.59 0.54 Av (0.59) 0.56 Rc 0.78 (0.78) 0.78 0.77 0.76 0.75

VALIDATION Kuroshio CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 cm

VALIDATION Kuroshio CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 Module des vitesses en cm/s

VALIDATION Kuroshio Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010) CNES-CLS09 RIO05 MAX08 GLORYS DNSC08 Ebauche DIFF RMSU 14.6 (14.3) 15.3 15.1 14.9 15.4 16.5 RMSV 15.0 (14.9) 16.0 15.7 15.6 16.2 17.5 Au 0.69 (0.71) 0.64 0.63 0.66 0.57 Av 0.64 (0.66) 0.59 0.58 0.61 0.51 Rc 0.83 (0.83) 0.81 0.82 0.80 0.77

VALIDATION Zone de confluence CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 cm

VALIDATION Zone de confluence CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 Module des vitesses en cm/s

VALIDATION Zone de confluence Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010) CNES-CLS09 RIO05 MAX08 GLORYS DNSC08 Ebauche DIFF RMSU 12.5 (12.4) 13.1 13.0 13.6 13.9 RMSV 12.4 (12.3) 12.8 12.7 13.7 Au 0.61 (0.62) 0.58 0.56 0.60 0.55 0.52 Av 0.61 (0.61) 0.61 0.57 0.62 Rc 0.81 (0.81) 0.79 0.80 0.77 0.76

|lat| > 5° hsynth,usynth,vsynth h,u,v Traitement spécifique pour le calcul des vitesses moyennes dans la bande équatoriale [-5°,5°] |lat| > 5° hsynth,usynth,vsynth h,u,v Calcul de la CMDT RIO05 |lat| < 5° hsynth h, pas d’estimation de vitesse Calcul à postériori des vitesses équatoriales par la méthode de Lagerloaf et al (2004) Calcul de la CMDT CNES-CLS09 |lat| > 5° hsynth,usynth,vsynth h,u,v |lat| < 3° usynth,vsynth u,v hsynth h 3°< |lat| < 5° combinaison linéaire entre les 2 solutions

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 cm/s

(Inversion Usynth,Vsynth) Traitement spécifique pour le calcul des vitesses moyennes dans la bande équatoriale [-5°,5°] cm/s |lat|<5 22351 CNES-CLS09 (Inversion Usynth,Vsynth) Méthode lagerloaf DIFF RMSU (cm/s) 23.3 26.6 RMSV (cm/s) 19.4 20.6 Rc 0.67 0.57

Correction du biais grande échelle de la CMDT RIO05 Différence entre la CMDT RIO05 et (SMO-GRGS)f400 Différence entre la MDT GLORYS et (SMO-GRGS)f400 Différence entre la CMDT CNES-CLS09 et (SMO-GRGS)f400

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 d’Ekman a été calculé pour la période 1993-2008 L’étude a permis de mettre en évidence une augmentation des vitesses agéostrophiques mesurées par les bouées dérivantes dont la cause nécessite plus d’investigations. 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 d’autres solutions existantes.

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 (1993-2010) 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 l’ESA (juillet 2010?) Calcul d’une TDM GOCE combinée (globale, incluant la Méditerranée) … A vous de jouer! http://www.aviso.oceanobs.com/fr/donnees/produits/produits-auxiliaires/mdt/index.html