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.

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1 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

2 Spectre de la série temporelle (1993-2009) 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

3 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

4 standard forecast almost data free observations Sep 2002 Dec 2003 -2ºC +2ºC ENSO forecast example: propagation Pacific 2002/03 warm event along the equator -8 +8 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 06/28/2006 2 0 North South Pascal cm Anti-symmetric recharge adjustements are controlled by altimetry (TPJ) in almost forecast

5 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

6 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 +0.4 -2.0 OAM_x (10 24 kg m 2 /s) +8.0 -6.0 1. 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

7 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 ) +2.0 -2.0 +2.0 -2.0 +3.2 -3.2 mean OAM_x mean OAM_y mean OAM_z = 135 612. (OBP) = 102 421. (OBP) = 2 939 708. (OBP) = -1.04 (u,v, ) = +0.65 (u,v, ) = = +9.56 (u,v, )

8 OAM simulés par ECCO sans TPJ (haut), avec TPJ (bas) Rouge = Courant Noir = Masse OAM_x OAM_y OAM_z = 135 612. (OBP) = 102 421. (OBP) = 2 939 708. (OBP) = -1.04 (u,v, ) = +0.65 (u,v, ) = +9.56 (u,v, ) = 135 566. (OBP) = 102 386. (OBP) = 2 938 822. (OBP) = -1.01 (u,v, ) = +0.64 (u,v, ) = +9.61 (u,v, )

9 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)

10 Vertical scale for –OAM plots: 0.7 0.5 1.4 (with TPJ) (without TPJ) Climatological OAM_currents from ECCO (1993-2010) Units = 10 24 kg*m 2 /s meanTotal Current (x, y, z) =-1.04(-1.01) +0.65(+0.64) +9.56 (9.61) -0.7 -1.4 +10.4 +9.0 +0.35 +0.85 Impact TPJ sur les courants: augmentation courant ZONAL en May

11 meanTotal OAM_mass (x, y, z) =135 612 (135 566) 102 421 (102 386) 2 939 708 (2 938 822) 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 (1993-2010) Units = 10 24 kg*m 2 /s +0.80 -0.80 +0.80 -0.80 +0.80 -0.80

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

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

14 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 14.77 day (M2,S2) +2.0 -2.0 Daily and climatological OAM_masse (or current) simulated by ECCO with TPJ

15 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….

16 OAM_z simulés par ECCO sans correction de Greatbatch 2 939 709 (with Greatbatch) 2 939 708 (with Greatbatch) 2 938 822 (no Greatbatch) 2 709 938 (no Greatbatch) No TPJ with TPJ +10 -10

17 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.

18 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? +8. -6. +4. -6. +30. -20.

19 +12 -12 +6+6 -6 +5+5 -5 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)

20 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

21 +30 -30 cm +30 -30 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?

22 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:-0.4+1.0+ 8.0 ORCA025 –T327 = ERA mass=0 free SSS :-1.1+0.9+12.0 ORCA025 –T323 = ERAfreefree SSS :-1.1+0.9+11.0 ORCA1 –AR5 = ERA freerestore SSS :-1.0+0.9+11.5 ORCA1 – T09 = ERAfreefree SSS: +6 +18 +2.0 -0.4 +0.4 -2.0 meanTotal Current (x, y, z) ECCO (NCEP+Greatbatch+TPJ) : -1.0 +0.65+ 9.6 Units = 10 24 kg*m 2 /s

23 OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) masse =0 at each time step + Sel restoring 932 387 ECCO:MeanTotal masse (x, y, z) = 135 612 102 421 2 939 708 Vertical scale 4 4 4 9437 9455 928 NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal masse (x, y, z) = 132 389 104 932 2 939 447 Vertical scale 2 4 18 389 Units = 10 24 kg*m 2 /s

24 932 387 9437 9455 928 NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal masse (x, y, z) = 132 389 104 932 2 939 447 Vertical scale 2 4 18 389 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) = 135 554 104 583 2 934 746 Vertical scale 2 5 5 553 4744 581 555 586 4749 10 24 kg*m 2 /s OAM_masse simulés par NEMO forcé par ERA, mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring

25 haut: Climatologie OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 ou par ERA +0.5 -10.0 +10.0 -0.6 bas: Climatologie OAM_masse simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ +0.8 -0.8 +0.8 -0.8 +0.8 +0.5 -0.5 Units = 10 24 kg*m 2 /s CORE mass=0, restore SSS ERA: mass =0 (+12mm), free SS

26 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 2 939 447 ….. au lieu de…. 2 939 746 (ECCO) < 2 934 746 (freeS) mean OAM_x faible 132 389 ….. au lieu de…. 135 612 (ECCO) > 135 554 (freeS) amplitude saisonnier OAM_z: 4 fois plus fort et avec déphasage = 90º

27 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

28 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.

29 QSCAT 62 QSCAT 65 QSCAT 66 ERS 61 FSU 10 NCEP 15 longitude Mean northward OVW stress in the Pacific [5ºN-to-7ºN] Pascal +0.06 dyn/cm 2 -0.02 Mean OST balanced with QSCAT – mean OST balanced with FSU +30 -30 cm

30 Mean OVW eastward stress along the equator dyn/cm 2 QSCAT FSU ERS NCEP Pascal +0.06 -0.03 longitude Northward OVW stress in SE Indian [5ºS, 100ºE] +2.00 -1.40 Pascal QSCAT Pascal Mean OVW northward stress across 10ºS NCEP FSU ERS +0.90 0.00 Vecteurs de contrainte dans lOcéan Indien

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

32

33 Spectre MIX-ERA : Signal Annuel ~ 2 fois le Semi-Annuel MAREE (héliosynchronisme : K1 Annuel et K2 Semi-Annuel 1993-2001 (ERS1&2/QSCAT) ; 2002-2010 (Q/ASCAT)

34 vers le SUD m/s vers le NORD Collocalisation des OVW meridiennes QSCAT, ASCAT, ERA en moyenne sur 2 ans: 2007-2009 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 +3 -3 0 60S EQ 60N

35 +3.0 30ºS 0º 30ºN Zonally averaged collocated values of meridional winds and meridional pseudo-stresses as a function of latitudes (m/s) +30 -30 (m/s) 2 -4.0 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.

36 U ECMWF - U ASCAT (m/s) U tide @ ASCAT (kg m 2 /s) U ocean surface current (m/s) U ECMWF U ASCAT +8 60S EQ 60N +1 -6 0 0 zonal wind (m/s) wind difference and tide Zonal averages of 2007-2008 mean collocated OVWs from ECMWF, ASCAT and S2 tidal transports mid-latitude westerlies easterly trade winds ECMWF ASCAT ECMWF – ASCAT Tide@ASCAT -200 +200

37 winds QSCAT diff tide S Equatpr N VQSCAT VECMWF +3 -3 m/s meridional wind (m/s) wind difference and tide V ECMWF - V QSCAT (m/s) V tide @ QSCAT (kg m 2 /s) -200 +200 60S EQ 60N +1 0 VQSCAT VECMWF V ECMWF - V QSCAT (m/s) V tide @ QSCAT (kg m 2 /s) Zonal averages of 2007-2008 mean collocated OVWs from ECMWF, QSCAT and tides

38 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: 2007-2009 b) QuikSCAT- ERA c) ASCAT - ERA 30ºS latitudes 30ºN +1. - 6. 0 (m/s) Zonally averaged values of collocated zonal winds 0.

39 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: 2007-2009 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

40 Sidereal year = 365.2564 days Tropical year = 365.2422 days Anomalistic = 365.2596 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 (182.70 days, 0.08 ) Sa (364.96 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

41 OAM_courants simulés par NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) +2.4 +0.4 -1.2 ECCO:MeanTotal Current (x, y, z) = -1.0 +0.7 +9.6 Vertical scale 0.7 0.5 1.4 +6.0 +10.5 +0.2 NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal Current (x, y, z) = -0.4 +1.0 +8.0 Vertical scale 0.7 1.7 3.0

42 haut: Climatologie OAM_courants simulés par NEMO forcé par CORE2 ou par ERA +0.25 +0.3 -0.4 +1.0 -0.3 CORE= -0.4 +1.0 +8.0 ERA = -1.1 +0.9+12.0 -0.7 -1.4 +10.4 +9.0 +0.35 +0.85 NCEP= -1.0 +0.6 +9.6 TPJ = -1.0 +0.6+9.6 bas: Climatologie OAM_courants simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ

43 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)

44 OAM_masse simulés par NEMO forcé par ERAinterim mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring 586 553 ECCO:MeanTotal masse (x, y, z) = 135 612 102 421 2 939 708 Vertical scale 4 4 4 9744 9749 581 NEMO_ERA simulates values close to ECCO MeanTotal masse (x, y, z) = 135 554 104 583 2 939 746 Vertical scale 2 5 5 555 Units = 10 24 kg*m 2 /s