Concours CNRS 2005 – Section 19 CR2 - Système terrestre: Enveloppes superficielles

Ricci Sophie, Oral CNRS, 11 Mai 2005

Post-Doctorat - JPL:Assimilation de données par la méthode du Filtre de Kalman et RTS Smoother. Prise en compte des erreurs liées aux forçages diabatiques dans la représentation de l’erreur du modèle. (Projet ECCO - http://www.ecco-group.org)

Travail de thèse - CERFACS:Assimilation variationnelle océanique : modélisation multivariée de la matrice de covariance d’erreur d’ébauche.(Projet ENACT - http://www.lodyc.jussieu.fr/ENACT/index.html)

Programme de recherche:Contrôle des structures thermo-halines de l’océan et correction des flux de chaleur et d’eau douce grâce à l’assimilation de données de température et salinité

Analyse

Océan “vrai”Observations Modèle océanique

Condition Initiale Forçages atmosphériques+

)( 0t t

• CI réaliste• Forçages réalistes• Physique du modèle océanique• Qualité des observations• Méthode d’assimilation …

Contexte de mes travaux de recherche

Objectifs de l’assimilation de données:

• Description de l’état océanique • Condition initiale pour la prévision• Meilleure compréhension de la circulation océanique a posteriori

Ré-analyses Prévision océaniquePrévision saisonnière

Présent

Température (°C)

Salinité (psu)

Température (°C)

Salinité (psu)

ebaucheTanalyseT

ebaucheSanalyseS

Les observations (R):• erreur instrumentale• erreur de représentativité• couverture spatio-temporelle inhomogène

Le modèle numérique : • erreur modèle (simplification des équations physiques, discrétisation, Troncature…)• erreur sur les conditions initiales • erreur sur les conditions aux limites

fQ0Q

Modélisation des erreurs dans le système d’assimilation

Définition: Optimisation de l’information provenant du modèle et des observations en sachant que chaque

information est entachée d’une erreur

contrôle de la salinité lors de l’assimilation de données de T par l’introduction de

covariances T-S dans 0Q

oTobTb GGJ yxRyxxxQxx 0 )()()()( 1211

21Travail de thèse :

TTSS bTT

/

Ricci et al., 2005

Formulation multivariée des covariances d’erreur de l’ébauche

Impact sur la structure vertical en sel

Biais du courant de surface équatorial vers l’Est

Correction du courant de surface

Courants de surface Pacifique tropical

Filtre de Kalman partitionné et ‘Smoother’ – JPL ECCO

- Analyse en temps réel tous les 10 jours (oct.2002)

- Assimilation de données de hauteur de mer (T/P, Jason-1), profiles de température (XBT, TAO, ARGO, etc.), moyenne temporelle de hauteur de mer (drifters, GRACE).

- L’utilisation du Smoother aboutit à une analyse continue en temps permettant l’étude des budgets

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0

-5 0

0

5 0

Approximation de P par une somme d’éléments indépendants plus petits évalués séparément. (Fukumori, 2002)

• Approximation asymptotique temporelle pour P

• Réduction du vecteur d’état : identification d’un espace réduit qui permette de résoudre le processus de bruit pris en compte. (chgt ds le vent exprime par les modes dynamiques dominants verticaux // chgt ds le flux de chaleur exprime dans les couches de surface).

• Partition spatiale : partition globale 6º 6º pour le mode barotropique et partition régionale 5º 3º pour les modes barocliniques ( 5 modes).

Les hypothèses de simplification du KF:

)()( 1 fttf

TfTfft

at xHyRHHPHPxx

(http://ecco.jpl.nasa.gov /external)

“Filtered” Estimate

Data increment

Data

“Smoothed”

Estimates

time

Modélisation des erreurs dans P :

Erreurs dans les forçages diabatiques et paramètres du modèle :

Nouvel espace réduit qui permet la prise en compte des erreurs sur Qnet et Kz:

Espace réduit: T et S le long de la colonne d’eau en chaque point du maillage basse résolution

Espace de contrôle : erreurs sur Qnet et Kz

• Extension de l’espace de contrôle

• Estimation de l’état de l’océan étant données de nouvelles sources d’erreur

• Estimation d’une correction de Q et Kz

• Combinaison avec la correction des vents de Fukumori

L’espace réduit est constitué des amplitudes d’un nombre limité des modes dominants en terme de déplacement vertical et vitesse horizontale, liés déjà des erreurs en vent. La principale source d’erreur dans P est supposée due à des erreurs sur les vents.

• Représentation continue des variables d’état

• Estimation d’une correction sur les vents

Erreurs dans les forçages en vent (Fukumori et al., 1999) :

Programme de recherche : les objectifs

Contrôle des structures thermo-halines de l’océan et correction des flux de chaleur et d’eau douce grâce à l’assimilation de données de température et salinité

Utilisation d’un nombre important de données de T et S:

- ARGO - SMOS- AQUARIUS (2006)…

http://aquarius.gsfc.nasa.govhttp://www.argo.ucsd.edu/

http://www.cesbio.ups-tlse.fr/us/indexsmos.html

Assimilation des donnes de SST, SSS, et S au sein du système variationnel 3D-4D incrémental OPAVAR (CERFACS- Weaver et al., 2003)

Objectifs:

• Apport d’information supplémentaire en température et en sel

• Correction de S dans la couche de mélange et les régions ou TS n est pas valide ( )

• Estimation d’une correction des flux de chaleur et d’eau douce

0Q

'USTTSS bTT

/

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

]''[ TTTE

]''[ TTSE

Séparation en composantes équilibrées et non-équilibrées de l’incrément du vecteur d’état: (Derber et Bouttier, 1999)

'U

'B xxx '

Balanced Unbalanced

Programme de recherche : modélisation de 0Q

U

U

U

U

UU

UU

U

B

v

u

η

S

KSKTK

KSKTK

SKTK

TK

T

v

u

S

T

vvSvT

uuSuT

ST

ST

0

'BS

TU KBKQ 0Formulation multivariée

][T

SSE 'U

'U

Détermination des statistiques par l’étude de la variance des composantes et pour l’analyse ENACT du CERFACS en utilisant la climatologie de l’expérience comme « ébauche ».

][T

SSE 'U

'U

'BS

'US

Programme de recherche : Contrôle des flux Qnet et E-P

(Stammer et al. 2004)

Mauvaise connaissance des forçages atmosphériques:

• Biais dans la représentation de l’état océanique• Bilans de chaleur et de sel irréalistes.

Solution :

Estimation d’une correction sur :- la CI (Ricci et al, 2005) - les forçages en vent (Fukumori et al. 1999, Vossepoel et al. 2004)- les flux de chaleur et d’eau douce

)()()(2

1)( 0 tutQtuJJJ ff

Tfobs x

Représente les statistiques d’erreur sur les différents forçages, ces statistiques peuvent être supposées indépendantes ou dépendantes.

Prise en compte de nouvelles sources d’erreurMeilleure estimation des forçagesRé-analyse continue dans le temps

CONCLUSIONS

Identification de conditions initiales océaniques fiables- océanographie opérationnelle (MERCATOR, CERFACS)- prévision à court terme

Réalisation de ré-analyses océaniques - prévision océanique saisonnière (ENSEMBLES)- prévision couplée

Amélioration de la connaissance de l’état de l’océan et de ses échanges avec l’atmosphère - étude de la dynamique océanique (CLIVAR, GSOP)- étude du climat

- Utilisation et développements des outils d’assimilation existants au CERFACS

- Collaboration avec le LODYC, CEPMMT, MERCATOR, JPL, groupe ECCO…

- Valorisation des programmes d’observation existants ou en phase de développements