Dynamique océanique à fine échelle dans la Méditerranée Alice Carret, ENSTA Bretagne, option hydrographie, promotion 2015 Encadrement : Rosemary Morrow & Florence Birol (LEGOS), Guillaume Valladeau (CLS), François Boy (CNES)

Avancées récentes pour les observations régionales à plus fine échelle : Observabilité des phénomènes de petite méso-échelle grâce à des missions avec une technologie innovante : Altimétrie conventionnelle – bande Ku Nouvelles missions conventionnelles en bande Ka Missions en mode SAR Amélioration du traitement des données altimétriques près des côtes Nouveaux traitements avec des données de plus haute qualité et plus nombreuses sur les 100 premiers km de la côte Quelle est la limite de résolution des structures océaniques à fine échelle avec ces nouveaux systèmes de mesure ?

La Méditerranée : zone d'étude idéale pour la fine échelle océanique Dynamique océanique active Courants à fine échelle dont l'observation est difficile (petits et rapides !) Impact sur l'évolution du climat, de la pollution, la surveillance des écosystèmes, la circulation maritime

Altimétrie radar : une mesure de la dynamique interne de l'océan Contenu physique : composantes barotropes et baroclines Paramètre SSHA → Vitesses géostrophiques dérivées pour les comparaisons Nouvelles générations d'altimètres en cours [CNE98]

Différentes technologies altimétriques Altimètre mode SAR Cryosat 2 : bande Ku (le long de la trace : 350 m ) Altimètre conventionnel Jason 2 : bande Ku (rayon : 15 km) Altimètre bande Ka Saral : (rayon : 4 km) Trace altimétrique

Différentes manières d'observer la Méditerranée Carte altimétrique standard Altimétrie le long de la trace (10 jours) Traces altimétriques espacées → structures > 150 km Radars HF (1 jour) Gliders sous-marins (10 ans) 60 km Observations ponctuelles en espace et en temps

Un contenu physique différent pour chaque instrument Contenu physique différent selon le type d'instrument Plus grande variabilité dans les 1000 premiers mètres Courants de marée et d'inertie lissés pour les données radars

Objectifs : Observabilité de la dynamique océanique à fine échelle dans la région Méditerranée: 3 missions altimétriques – technologies différentes Analyse spectrale du signal Quantification du bruit altimétrique Validation des mesures altimétriques à partir de données in situ disponibles : Gliders colocalisés Radars HF

Sommaire Introduction Capacités et limites de l'altimétrie Comparaisons avec des données gliders Comparaisons avec des données radars HF Conclusion

Altimétrie : données fournies par Aviso & CTOH Jason 2 : bande Ku, 9 traces Saral : bande Ka, 31 traces Cryosat 2 : mode SAR, 316 traces 10 jours 35 jours 369 jours Saral 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Jason 2 Cryosat 2 Radars HF

Analyse spectrale altimétrique : signal et bruit Méthode globale ([DUF15]) (Méditerranée non comprise) Densité spectrale de puissance de la SSHA Estimation du niveau de bruit entre 12 et 25 km Calcul de la pente spectrale entre 50 et 280 km ([XU12]) Capacité méso-échelle : point d'intersection entre la pente spectrale et le niveau de bruit

Analyse spectrale : variabilité entre les missions Ordre des niveaux de bruit inattendu Plateau de bruit blanc plus bas pour les données 20 Hz

Variabilité saisonnière Exemple de Jason 2 Saison Été Automne Hiver ----- Niveau de bruit Spectre de J2 (paramètre SSHA relatif à la MSS) Spectre sans bruit Saison Été Automne Hiver Printemps Niveau de bruit (10-3 m²/cpkm) 0,91 1,2 1,3 1,1 Capacité méso-échelle (km) 54 58 49

Variabilité saisonnière du niveau de bruit Niveau de bruit (10-3 m²/cpkm) Été Automne Hiver Printemps Jason 2 0,91 1,2 1,3 1,1 Saral 0,25 0,49 0,78 0,35 Cryosat 2 0,75 0,82 0,76 Bruit plus important en automne / hiver Bruit entre les missions : Bruit Jason 2 > Saral : similaire aux études globales Bruit Cryosat 2 SAR > Saral – résultat inattendu Bruit saisonnier : Relativement constant pour Jason 2 & Cryosat 2 Grandes variations pour Saral

Variabilité saisonnière de la capacité méso-échelle (Intersection entre la pente spectrale et le bruit) Bruit plus fort en hiver mais énergie à fine échelle plus importante En hiver : Toutes les missions peuvent détecter les structures de 45-50 km En été : plus de variations   Capacité méso-échelle (km) Été Automne Hiver Printemps Jason 2 54 58 49 Saral 36 45 40 Cryosat 2 43 46

Analyse spectrale : bilan L'analyse spectrale présente les statistiques moyennes sur notre région Le niveau de bruit et le signal varient avec la saison (plus forts en hiver et en automne) La capacité méso-échelle dépend de la mission : Jason 2 → 49-58 km ; Saral → 30-40 km ; Cryosat 2 → 40-50 km Le filtrage peut être adapté pour chaque mission Cependant différences en échantillonnage à prendre en compte et bruit de Cryosat 2 en mode SAR 20 Hz à mieux comprendre

Sommaire Introduction Capacités et limites de l'altimétrie Comparaisons avec des données gliders Comparaisons avec des données radars HF Conclusion

Gliders : données fournies par la DT-INSU (Pierre Testor, Jean-Luc Fuda, Céline Bachelier) Service d'observation MOOSE [CNR] Vitesse géostrophique V Hauteur stérique dh Densité ρ Δρ Contenu physique : composante géostrophique référencée

Gliders : traitement Ajout ou non d'une vitesse supplémentaire Pics haute fréquence → filtrage Filtrage sur la densité pour le glider en tenant compte du rayon de Rossby local

Comparaisons altimétrie-glider : courants géostrophiques Trajectoires des gliders (projet CNES/MOOSE) Campe : 23/09/2012 – 23/10/2012 → Jason 2 Eudoxus : 23/10/2014 – 29/10/2014 → Saral Milou : 27/10/2014 – 13/11/2014 → Saral Tintin : 17/04/2015 – 13/05/2015 → Cryosat 2 & Saral Bonpland : 13/04/2015 – 01/05/2015 → Cryosat 2 & Saral Saral 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Jason 2 Cryosat 2 Radars HF

Comparaison altimétrie-glider : large méso-échelle Glider Campe en octobre 2012 Bon accord altimétrie-glider

Limites des comparaison altimétrie-gliders : colocalisation temporelle Glider Milou en octobre 2014

Limites des comparaison altimétrie-gliders : colocalisation temporelle 12/11/14 09/11/14 Méandre chaud du courant Nord manqué par le glider Problème de colocalisation temporelle pour les structures rapides

Sommaire Introduction Capacités et limites de l'altimétrie Comparaisons avec des données gliders Comparaisons avec des données radars HF Conclusion

Radars HF : données fournies par Bruno Zakardjian Service d'observation MOOSE Site de Toulon [MIO] [MIO]

Comparaison altimétrie-radar HF : un courant permanent Le courant Nord Comparaison avec Saral 60 km Globalement bonne corrélation (0,95) mais écarts en amplitude importants Contribution de processus agéostrophiques (courants dus au vent)

Comparaison altimétrie-radar HF : séries temporelles Courant Nord bien observé par les radars Extraction pour les dates de passage du satellite : corrélation égale à 0,9 Radars HF Saral

Extraction pour les dates de passage du satellite Analyse du vent Extraction pour les dates de passage du satellite Pas d'effet systématique du vent qui permette de conclure Analyses d'erreurs potentielles de Saral, et des autres processus agéostrophiques dans les données des radars HF à envisager

Limites : variations saisonnières RMSE des différences entre les vitesses mesurées par les radars HF et l'altimétrie Davantage de vent/vagues qui créent des courants agéostrophiques (radars HF) et bruitent le signal altimétrique

Comparaisons entre les données altimétriques et in situ : bilan Gliders : Bonne corrélation pour les structures méso-échelles supérieures à 50 km Petites structures plus rapides : comparaison dégradée quand la différence en temps est trop importante Radars HF : Bonne corrélation (=0.9) entre Saral & radars HF pour cette région côtière Variabilité journalière qui n'est pas prise en compte : courant Nord assez variable Contenu physique différent 

Conclusion Niveau de bruit plus fort pour l'altimétrie conventionnelle (Jason 2) que pour les nouvelles techniques (Saral et Cryosat) Variabilité saisonnière du signal et du bruit Bonne détection des phénomènes de large méso-échelle et du courant Nord par l'altimétrie Comparaison délicate pour de petites échelles (évolution rapide) et pour des périodes de forts coups de vent

Apports du stage Utilisation de différents jeux de données provenant de plusieurs systèmes de mesure Participation à la campagne des gliders Stage effectué au LEGOS mais aussi avec CLS et le CNES Intérêt pour la recherche Meilleure compréhension de certaines notions

Bibliographie [CNE98] : CNES. Aviso. CNES 1998 [en ligne]. http://www.aviso.altimetry.fr/?id=611&L=0 [CNR] : CNRS. Division technique de l'INSU UPS 855 : parc national des gliders. [en ligne]. http://www.dt.insu.cnrs.fr/gliders/gliders.php [DUF15] : C. Dufau, M. Orsztynowicz, G. Dibarboure, R. Morrow, P.Y. Le Traon. Mesoscale Resolution Capability of altimetry : present & future (2015) [MIO] : MIO. Institut Méditerranéen d'océanologie. MOOSE HF Radar. [en ligne]. http://hfradar.univ-tln.fr/HFRADAR/squel.php?content=accueil [XU12] : Y. Xu, L.L. Fu. The effects of Altimeter Instrument Noise on the Estimation of the Wavenumber Spectrum of Sea Surface Height. Journal of Physical Oceanography (2012)

Annexes : roses des vents Analyse du vent Direction privilégiée

Annexes : amplitude du vent Analyse du vent Amplitude plus forte

Annexes : largeur du courant Nord