The use of  HF radar mapping of surface currents in EPIGRAM Philippe FORGET *, Alexeï SENTCHEV **, Yves BARBIN *, Louis MARIE *** * LSEET, CNRS-Univ.

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1 The use of  HF radar mapping of surface currents in EPIGRAM Philippe FORGET *, Alexeï SENTCHEV **, Yves BARBIN *, Louis MARIE *** * LSEET, CNRS-Univ. du Sud Toulon Var ** LOG, CNRS-Univ. du Littoral - Côte d'Opale *** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO

2 Réalisations ♪ Choix de 3 périodes significatives ♪ Traitement haute résolution des données radar ♪ Interpolation variationnelle ♪ Correction de l’influence des vagues ♪ Début d’analyse de la circulation en mer d’Iroise

3 ♪ Choix des périodes I 9 avril - 5 mai 2007 27 jours 1836 cartes II
24 août -10 oct. 2007 48 3300 III 21 juillet - 4 oct. 2008 76 5309 TOTAL: 151 10400 I Fort coefficient (<112), vent faible II Probabilité du front d'Ouessant, évènements de vent fort. Série longue. Campagne en mer (13-15 septembre) et mouillage III Probabilité du front d'Ouessant, évènements de vent fort. Série longue. Campagne en mer (31 août - 17 septembre) et mouillage

4 1ère période: 9 avril - 5 mai 2007

5 2ème période: 24 août -10 octobre 2007

6 3ème période: 21 juillet - 4 octobre 2008

7 ♪ Traitement haute résolution des données radar
Ushant Is. Sein Arch. - 2 HF radars WERA operating for SHOM (Fr.Navy): northern site - Garchine, southern site - Brezellec - operating frequency: 12 MHz - long time series (from mid 2006 to date) - time resolution: 1/3 h - resolution: 10° in azimuth using beam forming (BF), 1.5km along beam

8 HFR data statistics Ex.: Mid-Spring period: 10 Apr – 5 May 2007
Fraction of the data return Decrease of the data return at far & mid ranges: effect of Isles, HFR network configuration, …

9 Coverage & interpolation grid
Regular grid (circular shape) 1.1 km spacing 4000 points (shown) Constraints: - angle >30° (radar beam intersection) - data return > 50% (*) Domain: 90 x 80 km2 Int. Method: 2dVar

10 BEAM FORMING DIRECTION FINDING
10° x 1.5 km 2° x 1.5 km  Direction finding (MUSIC) provides high resolution radial velocity maps

11 ♪ Interpolation variationnelle
 Variational interpolation (2dVar): velocity vector maps, gap filling, smoothing, curl v & div v estimates, interpolation errors (Yaremchuk & Sentchev, CSR, 2009) Local & OMA interp. (Muller et al., JMS, 2009)

12 Erreurs correspondantes
Estimation d’erreurs d’interpolation Observations Vitesses interpolées Erreurs de vitesses Principe La formulation variationnelle intègre les erreurs d’observations (ici  = 5 cm/s) En fin d’optimisation, on calcule H en dérivant la f. de coût J : Inverse de H a un sens de covariance d’erreur d’interpolation: Plus nous avons d’observations, reparties de façon homogène, plus petite sera l’erreur Observations Erreurs correspondantes

13 ♪ Correction de l’influence des vagues
Wave correction to the measured Doppler velocity (Broche et al. 1983, Ardhuin et al. 2009): Δc2 Uss(fB)= long wave (f<fB) contribution to the surface Stokes drift freq. Δc2 6 MHz 2.4 cm/s 12 1.7 16 1.5 45 0.9 Typical values of Δc2 for a saturated Pierson-Moskowitz wave spectrum: Conclusion: Δc2 is of the order of (rather less than) the Doppler velocity resolution

14 Typical values of Uss (fB) for a Pierson-Moskowitz wave spectrum
total surface Stokes drift Typical values of Uss (fB) for a Pierson-Moskowitz wave spectrum - a gaussian swell wavelength: 200m 150m Calcul de USS (fB) vectoriel à partir des prédictions WW3: - direction = direction moyenne des vagues module = à partir de USS(fc) en sortie de WW3 (intégration sur [0 fc] fc=0.72Hz) et grâce la relation empirique générale de Ardhuin et al. 2009 version de WW5 utilisée: NORGAS (1/30°) sur grille régulière

15 Comparaison USS – courant de surface mesuré
sur les 3 périodes 33 cm/s 6 cm/s

16 Uss calculé pour 2 coupures: fB et 0.72Hz
Corrélations Uss-u*

17 Filtrage période semidiurne – 2ème période
au point de mesure signal v u signal filtré spectres

18 Histogramme pour les 3 périodes au point de mesure
18 cm/s 42 cm/s

19 Comparaison avec ou sans correction de Stokes sur le courant filtré

20 A faire : utilisation du modèle WW3-Iroise en grille non structurée (données 2007&2008 en cours) affiner les comparaisons, filtrage t_TIDE nœuds WW projection de Hs interpolation sur grille radar

21 ♪ Début d’analyse de la circulation en mer d’Iroise
mid-spring : 10 Apr – 5 May 2007 late summer : 24 Aug – 19 Sep 2007 Pri.Spring Neap Strong tidal forcing (range ~7m) and moderate winds Strong tidal forcing and stronger winds

22 Results : Tidal currents
PCA - derived synthetic ellipses during primary spring tide (7-d averaged ) Rotary pw spectra & rotary coefficient r = (S+- S-)/(S++S-) (Emery, Thompson, 1997) r < 0 for cw motion r > 0 for ccw motion r = 0 for unidirectional flow red: ccw rotating current vectors blue : cw rotating (Sentchev et al., ECSS 2009; Sentchev & Yaremchuk, CSR 2007)

23 Tidal current variability
Time/Space variations of the amplitude of tidal currents W-E line SW-NE line Spatial variability Vel. magnitude > 1 m/s (majority of the domain) Max velocity ranges from 0.7 to 4 m/s Min velocity ranges from 0.2 to 1.7 1 to 4 m/s 1.7 to 3.8 m/s Variability of cur. ellipses in two particular locations (strongest curent)

24 Tidally generated eddies
Average vorticity field Currents during one td cycle curl v, 10-5 s-1 Flood 18/4 21h 19/4 9h50 - generation by bottom friction - advection by tidal currents - time-averaged vorticity of opposite sign appears on both sides of a cape or island (Zimmerman, 1980; Robinson, 1983; Pingree et al., 1985) Ebb

25 Residual currents Spring Whole period Neap Features:
- High velocity values (up to 0.5 m/s) - Rotational field (permanent eddies) - Control of the RC by bathymetry - Off-shore and near-shore jets - Pronounced fortnightly variability

26 Non-tidal residuals (late summer 2007)
Ushant thermal front Time evolution of the RC along 48.25°N (S-N velocity component) Temp. along the 48°N section on 14 Sep, 2007 (Le Boyer et al., CSR 2009) Long-term residuals : Stokes, wind-induced, and stationary currents removed RC : tidal currents removed grey line – zero velocity contour 14 Sep SST on 14 Sep 2007 from MODIS Vel. scale (m/s) Observed wind 48.25°N Signature of the Ushant thermal front is visible in the surface field of long-term residual velocities

27 ♪ Cartes radar et images SAR
h43 h43 h07

28 Plan de travail 2010-2011 ♪ Méthodologie
finalisation des corrections de vague méthode 2Dvar: étude de sensibilité aux paramètres de contrôle et cartes d’erreurs des vitesses interpolées croisement avec les mesures in-situ : bouées de surface dérivantes croisement avec données satellite : SST, SAR

29 ♪ Applications analyse des structures méso-échelles récurrentes dans le voisinage d’Ouessant (Nord, sud et Fromveur) étude des déphasages induits par la friction manifestations du front d’Iroise comparaison avec la modélisation dynamique pour les périodes sélectionnées. Proposition: constitution de jeux de données de courant de surface modélisés et analyses similaires réalisées sur ces jeux et les données radar correspondantes Article ISOBAY JMS en préparation: « High resolution HFR observations of surface currents in the IROISE Sea »