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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

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- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide1

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

M-H Rio

cm

slide2

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
slide3

 = N+ h

Mesuré avec précision par l’altimètre

Signal d’intérêt en

océanographie

Géoïde mal connu

Répétitivité des missions altimétriques

= N +

Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi?

Rappel des enjeux

orbite

hO

La mesure altimétrique

hA

=hO-hA

Sea level

h’

MDT

η

h

<h>

N

geoid

ellipsoid

Anomalies de hauteur SLA

slide4

Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi?

Rappel des enjeux

Pour reconstruire la topographie dynamique absolueh 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…)
slide5

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

=

- G

 = G + h

(SMO CLS01)

-

=

Géoide

TDM9399

m

cm

Filtrage spatial nécessaire

20 ans d’amélioration des modèles de géoïde

slide6

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

slide7

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

slide8

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

slide9

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

slide10

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

slide11

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

slide12

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

slide13

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne :

Vers la haute résolution

1- en améliorant les petites échelles du géoïde (ex EGM08)

2- en moyennant des sorties de modèles océaniques

TDM GLORYS

TDM DNSC08

3- en combinant la TDM ‘directe’ grande échelle à des données océanographiques in-situ

TDM Rio et al, 2005

TDM Niiler et al, 2008

slide14

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

Méthode

Méthode directe

TDM=SMO-Géoïde

Méthode synthétique

Calcul des petites échelles de la TDM (hauteur et vitesse) par combinaison de données in-situ et altimétriques

filtrage

TDM grande échelle=Ebauche

Analyse Objective Multivariée

TDM haute résolution

Rio and Hernandez, 2004 – Rio et al, 2005

slide15

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

slide16

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

Calcul de l’ébauche

TDM grande échelle

(~400km)

SMO CLS01- EIGEN-GRGS.RL02

Filtrage optimal

cm

slide17

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

Calcul de l’ébauche

Erreur associée

cm

slide18

Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ

Propriétés statistiques des échelles de la TDM < 400km

Ecart-type calculée par bulles de 3° de rayon

TDM GLORYS1V1 – (TDM GLORYS1V1)f400

Rayons de corrélation

Rcx

Rcy

km

km

slide19

(u’a,v’a)

’=h ’

- On interpole l’anomalie de hauteur/vitesse à la position/date de la mesure in-situ.

- On retranche l’anomalie altimétrique à la hauteur/vitesse in-situ

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

(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

slide20

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

Vitesses des bouées dérivantes droguées à 15m calculées en temps différé et distribuées par l’AOML pour la période 1993-2008

cm/s

slide21

Grilles de tensions de vent ERA INTERIM

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

β et  déterminés par la méthode des moindres carréspar boîte de 5° et par saison (3 mois glissants)

Jeu de bouées couvrant la période 1993-2008

1

slide22

Modélisation des courants d’Ekman

Paramètre β

Jui/Aou/Sep

Jan-Fev-Mars

hémisphère

β*1000

nord

En été couche de surface plus stratifiée =>De diminue

sud

=> β augmente

slide23

strat+

strat-

>

z=-15 m

Modélisation des courants d’Ekman

Jan-Fev-Mars

Paramètre θ

Jui/Aou/Sep

|θ|

En été couche de surface plus stratifiée =>De diminue

hémisphère

nord

sud

=> θ augmente

slide24

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!

slide25

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
slide26

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

slide27

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)

slide28

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

slide29

Calcul de Beta par an, latitude et saison

β =βyear+ βmonth

β year

β month

10-3

10-3

slide30

Calcul de θ par an, latitude et saison

θ = θ year+ θ month

θ year

θ month

slide31

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)

slide32

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

slide33

Calcul de ‘super observations’ de vitesses synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼°

Usynth

Vsynth

cm/s

ERRUsynth

ERRVsynth

cm/s

slide34

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
slide35

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

TDM grande échelle (=ébauche)

Climatologie synthétique

Type Levitus

slide37

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

slide38

Calcul de ‘super observations’ de hauteurs synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼°

Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul

Erreurs associées

cm

cm

slide39

Résultat

Ebauche de départ

slide40

Résultat

TDM CNES-CLS09

slide41

Résultat

Erreur d’estimation

ERR H

cm

ERR U

ERR V

cm/s

slide42

Les principales modifications par rapport au calcul de la CMDT RIO05

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

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

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)

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)

slide43

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

slide44

VALIDATION

Courant des Aiguilles

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

cm

slide45

VALIDATION

Courant des Aiguilles

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

Module des vitesses en cm/s

slide46

VALIDATION

Courant des Aiguilles

Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010)

slide47

VALIDATION

Gulfstream

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

slide48

VALIDATION

Gulfstream

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

Module des vitesses en cm/s

slide49

VALIDATION

Gulfstream

Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010)

slide50

VALIDATION

Kuroshio

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

cm

slide51

VALIDATION

Kuroshio

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

Module des vitesses en cm/s

slide52

VALIDATION

Kuroshio

Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010)

slide53

VALIDATION

Zone de confluence

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

cm

slide54

VALIDATION

Zone de confluence

CMDT CNES-CLS09

CMDT RIO05

Module des vitesses en cm/s

slide55

VALIDATION

Zone de confluence

Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010)

slide56

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° hsynthh,

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

slide57

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

slide58

Traitement spécifique pour le calcul des vitesses moyennes dans la bande équatoriale [-5°,5°]

cm/s

slide59

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

slide60

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.

slide61

Perspectives

  • 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