Utilisation du GPS en météo

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1 Utilisation du GPS en météo
ASSIMILATION VARIATIONNELLE ET OPERATEURS D’OBSERVATION COMPLEXES EN METEOROLOGIE Jean PAILLEUX, Paul POLI 1. L’assimilation variationnelle (3D ou 4DVAR) en méteorologie. 2. Usage des observations via des « opérateurs d’obs » directs, linéaires tangents et adjoints. 3. Le cas des données GPS en météorologie Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

2 PRINCIPLE OF A VARIATIONAL ANALYSIS
GLOBAL MINIMISATION OF a « COST FUNCTION »: J(X) = Jo(X) Jb(X) (dist. to obs.) (dist. to backg.) = (HX-y)tR-1(HX-y) + (X-Xb)tB-1(X-Xb) R et B: error covariance matrices Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

3 Principe de l’assimilation 4D-VAR
obs Jo ancienne prévision analyse Jo xb obs prévision corrigée Jb Jo xa obs 9h 12h 15h Fenêtre d’assimilation

4 OPERATEURS D’OBSERVATION DIRECTS ET ADJOINTS
ymod X (var. modèle) H2 …………. Hn H1 ….. Jo Chaine d’opérateurs directs y Hn* Jo H1* H2* …………. ymod X Chaine d’opérateurs adjoints Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

5 DIRECT, TANGENT LINEAR AND ADJOINT MODELS
They allow the full integration of 3DVAR and 4DVAR in an integrated code X(ti) M  X(tf) δX(ti) M’  δX(tf) X(ti)  M* X(tf) Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

6 4D-Var : historical dates
Operational implementation of 4D-Var : 1997 : ECMWF 2000 : France 2004 : UK 2005 : Canada, Japan 2008 : Sweden 20?? : USA ( but 3DVAR in …. 1991) Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

7 Données de radiosondages disponibles
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8 Données des sondeurs micro-ondes
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9 RESTITUTION D’UN PROFIL VERTICAL DE TEMPERATURE
Z ou p Z ou p INVERSION 1 Transfert radiatif 2 T Radiances(fonctions poids) Ri = Bi[T(p0)].τi(p0) – ƒp Bi[T(p)].dτi(p) Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

10 Données GPS occultation radio disponibles
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11 Données GPS sol disponibles
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12 Différentes observations GPS
Emetteur GPS (orbite ~ km) Récepteur GPS sur satellite (orbite km) Récepteur GPS au sol Observations depuis l’espace  intégrations horizontales (occultation radio) Observations depuis le sol  intégrations verticales Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

13 Géométrie de l’occultation radio GPS
Vue 3D Point tangent (périgée) Émetteur GPS Projection dans le plan de réfraction « Haute » résolution verticale Illustrations GRAS-SAF Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

14 Interactions entre ondes GPS et milieu traversé
Les interactions macroscopiques entre ondes électromagnétiques GPS (bande L, ~20 cm) et milieu traversé peuvent être résumées via l’indice de réfraction (n, nombre complexe) Direction de propagation n’est pas une ligne droite Vitesse de propagation inférieure à celle de la lumière dans le vide Absorption & diffusion (partie imaginaire) Influences des propriétés physiques du milieu sur la réfraction Formule de la réfractivité (N) reflète principalement La polarisabilité des molécules d’air Le moment dipolaire des molécules d’eau e.g. Bevis et al., 1994 k1= 77.6… K.hPa-1 k2= 71.2… K.hPa-1 k3= 37.5… x104 K2.hPa-1 C= 4.03… x107 m-3.Hz2 Pd: pression partielle d’air sec e: pression partielle de vapeur d’eau T: température ne: Densité en électrons  Deux signaux météo: rho (densité) et q (humidité) Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

15 Processus d’inversion des mesures d’occultation radio GPS
Pour une séquence d’enregistrements d’occultation radio Raw phase measurements Smoothing & differentiation 2. Doppler frequency shifts Doppler inversion 3. Bending angles (atmos.&ionos.) Ionospheric correction 4. Bending angles (atmos.) Abel inversion Peut être modélisé à partir d’un modèle météo 5. Refractivity (atmos.) 1DVAR retrieval 6. Temperature and/or humidity retrievals Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

16 Utilisation opérationnelle des données d’occultation radio GPS
Pays (Organisation) U.S.A. (NOAA/NCEP) Royaume-Uni (Met Office) Centre Européen (ECMWF) Japon (Jap. Met. Agency) France (Meteo-France) Type de données assimilées en opérationnel Réfractivité Angles de réfraction COSMIC (6 satellites) OUI NON CHAMP GRACE-A GRAS sur MetOp (20/05/2008) Utilisation au début juin 2008 Note: En cours d’étude: Canada (Environnement Canada -- réfractivité) et Allemagne (Deutscher Wetterdienst) Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

17 Expérience d’impact des données d’occultation radio GPS
Diff. RMSE Hauteurs géopot. Diff. RMSE Température Diff. RMSE Vent Expérience d’impact avec assimilation des six COSMIC + CHAMP + GRACE-A entre 18km (en haut) et 1 km aux pôles (en bas) ou 6 km aux tropiques. Pressure (hPa) Pressure (hPa) Pressure (hPa) Forecast lead time (hours) Forecast lead time (hours) Forecast lead time (hours) 41 prévisions 2 Mar – 15 Apr 2007 BLEU=amélioration ROUGE=dégradation Vérification: radiosondes Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

18 Degrés de Liberté du Signal (DFS)
Une journée d’analyses de la pré-chaîne en double ( ) >16 km 9-16 km Calculated using perturbed observations: Difference between resulting perturbed analysis and reference analysis  expresses the influence that each observation has on the analysis Note the importance of RO in regions little observed otherwise. 0-9 km Weather stations, buoys, ground-based GPS, … Commercial aircraft Upper-air in situ and remote obs. Cloud-track and water vap. tracking imagery, scatteromet. Passive IR and MW radiances Hyper-spectral IR (AIRS, IASI) Bending angles Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

19 Principe de la mesure GPS-sol
récepteur GPS rayon Station GPS sol Mesure du délai induit par l’atmosphère, ramené à la verticale Délai (zénithal) total Hautes fréquences dans le signal:  Variations du contenu intégré en vapeur d’eau Haute résolution temporelle (typiquement 15 minutes), mais observations corrélées dans le temps En fonction des modes de résolution utilisés par les producteurs de données (solutions de type réseau ou de type Precise Point Positioning): observations corrélées entre les stations Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

20 Impact du GPS sol sur les Prévisions
BLEU=amélioration ROUGE=dégradation Diff. RMSE Température Diff. RMSE Vitesse vent 23 prévisions Juin-Juillet 2005 Vérification: radiosondes sur l’Europe Pressure (hPa) Pressure (hPa) Forecast lead time (hours) Forecast lead time (hours) Sans assimila-tion GPS sol Avec assimila-tion GPS sol Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

21 Utilisation du GPS sol dans le 4DVAR ARPEGE global
NB: dans le 4DVAR ARPEGE il s’agit de « super-observations », qui résultent de la moyenne de 4 obs. par heure  soit environ 1000 observations utilisées toutes les 6 heures DPREVI/COMPAS Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

22 Utilisation du GPS sol dans le 3DVAR-3h AROME
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23 Evolution nombre d’obs (DPrevi/COMPAS, H. Bénichou)
Doublement du nombre d’obs dans la chaîne en double actuelle Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo

24 Utilisation du GPS en météo
CONCLUSIONS La formulation variationnelle du problème d’assimilation de données a permis une très grande souplesse dans l’utilisation des observations Cette formulation permet d’utiliser des observations ou des sources d’information, même très éloignées des paramètres de base du modèle d’évolution de l’état du système. Il reste des difficultés pour utiliser les observations dont les opérateurs s’éloignent significativement de la non-linéarité: garder une formulation variationnelle? La combiner avec d’autres approches mathématiques? Journée Prévision Numérique du Temps, 10 Juin 2008 Utilisation du GPS en météo