Présentation MDT – 13 mars 2012 - 1 - Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ

Présentation MDT – 13 mars 2012

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

cm

M-H Rio


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

M-H Rio

Plan de l’exposéIntroduction

Calculer une Topographie Dynamique Moyenne, pourquoi?20 ans d’amélioration du géoïde et ses implications pour le calcul de la TDMLes 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’EkmanCalcul des observations synthétiques de hauteurRésultatValidation

Conclusions et Perspectives


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Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi?Rappel des enjeux

La mesure altimétrique

orbitehO

hA

=hO-hA

= N + h

Géoïde mal connu

Mesuré avec précision par l’altimètre

Signal d’intérêt enocéanographie

'phphhηη'p p

Répétitivité des missions altimétriques

Pη = N + ph

Anomalies de hauteur SLA

h

ellipsoid

N

η

geoid

Sea level

MDTh’

<h>


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Accéder à 17 ans (1993-2010) de hauteurs altimétriques absolues (et donc de vitesses géostrophiques)

Assimilation dans les modèles de prévision océaniqueCalcul de transports absolusEtudes de processus (interactions flot moyen / tourbillons…)

Cas des anomalies altimétriques calculées à CLS: P=1993-1999

Pour reconstruire la topographie dynamique absolue h à partir de hp’= p’ il faut connaître avec précision la Topographie Dynamique Moyenne

On cherche à calculer la Topographie Dynamique Moyenne correspondant à la période 1993-1999

Une Topographie Dynamique Moyenne: Pourquoi?Rappel des enjeux

ph

Les principales applications:


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(SMO CLS01) Géoide- = TDM9399

m cm

= G + h 99-93η - G9399h =

Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe

Modèle GRIM4S4 GRIM5S1 CHAMP3S GGM02SEIGEN3S

EIGEN4S ITG-GRACE03S

GGM03SEIGEN5S

EIGEN-GRGS.RL02

Année 1995 1999 2003 2005 2006 2007 2008 2009

HS 70 99 140 150 150 180 150-180 160

Données Geodetic satellites

Geodetic satellites

33 months CHAMP

2 years GRACE

3 years GRACE

41/2 years GRACE

4 years GRACE

41/2 years GRACE

20 ans d’amélioration des modèles de géoïde

Filtrage spatial nécessaire

99-93η


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TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km


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SMO CLS01-EIGEN-GRGS 300 km

2009: 5 ans de données GRACE

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




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SMO CLS01-GRACE 300 km

2012: Apport de 1 an de données GOCE



MSS CLS10 - GOCE 100 km


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Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : Vers la haute résolution

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

TDM DNSC08

2- en moyennant des sorties de modèles océaniques

TDM GLORYS

3- en combinant la TDM ‘directe’ grande échelle à des données océanographiques in-situTDM Niiler et al, 2008 TDM Rio et al, 2005


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

Méthode

Méthode directeTDM=SMO-Géoïde

filtrage

TDM grande échelle=Ebauche

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

Analyse Objective Multivariée

TDM haute résolution

Rio and Hernandez, 2004 – Rio et al, 2005


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L’analyse objective multivariée

)y,x(O)y,x(TDM ii

N

1ii

j,r

N

1j

1j,ii CA

N,1j,ijiij )d(C²A

N,1jrj

2r )d(CC

Les équations de basePermet l’estimation optimale de la TDM en hauteur et vitesse à partir d’un jeu d’observations de hauteurs et vitesses moyennesHypothèse: 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


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Calcul de l’ébauche

cm

SMO CLS01- EIGEN-GRGS.RL02 Filtrage optimal TDM grande échelle (~400km)



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Erreur associée

cm

Calcul de l’ébauche



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Propriétés statistiques des échelles de la TDM < 400kmTDM GLORYS1V1 – (TDM GLORYS1V1)f400

Ecart-type calculée par bulles de 3° de rayon

km

km

Rayons de corrélationRcx Rcy



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h

geoid

(u,v)

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

9993insitu9993 'hhh 9993insitu9993 'uuu 9993insitu9993 'vvv

9993)v,u(

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

9993h

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

’=h ’(u’a,v’a)

Calcul d’estimations synthétiques de la TDM (hauteurs et vitesses)Rio and Hernandez, 2004 - Rio et al, 2005



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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 de l’altimétrieDéduit des trajectoires des bouées dérivantes:Retrait de la composante d’EkmanFiltrage à 3 jours

cm/s

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


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Les équations d’Ekman

)zeD4

cos(eefD

2eu **

z

eD

Grilles de tensions de vent ERA INTERIM

Modèle choisi

i

e ef

u

Rio and Hernandez, 2003

β et déterminés par la méthode des moindres carrés par boîte de 5° et par saison (3 mois glissants)Jeu de bouées couvrant la période 1993-2008

Modélisation des courants d’Ekman 45°

altibouée uu

Filtrés entre 30h et 20j

)zeD4

sin(eefD

2ev **

z

eD

β θ

1

Calcul des estimations synthétiques de vitesses


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Jan-Fev-Mars Jui/Aou/SepParamètre β

En été couche de surface plus

stratifiée => De diminue

=> β augmente

β*1000

zD

E

EefD

2

hémisphère

sudnord

Modélisation des courants d’Ekman


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Jan-Fev-Mars Jui/Aou/SepParamètre θ

z=-15 m

strat+ > strat-

|θ|

eD

15

4

hémisphère

sudnord

=> θ augmente


En été couche de surface plus

stratifiée => De diminue


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RMS U par année RMS V 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!

Différences RMS entre vitesses bouées corrigées des courants d’Ekman et vitesses altimétriques sur la période 1993-2008



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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


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Moyennes globales des modules par annéeTension de vent (ERA INTERIM) Vitesses bouées dérivantes

Vitesses bouées - altiVitesses altimétriques


Calculé à partir des cartes globalesDonnées interpolées le long des trajectoires des bouées dérivantes


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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?

Défaillance du système de mesure des courants à 15m par les bouées SVPDeux 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


zD

E

EefD

2

eD

15

4

Augmentation de la stratification: De diminueEn accord avec ce que l’on observe

Tendance opposée à ce que l’on observe

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


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Calcul de Beta par an, latitude et saison

β =βyear+ βmonth

10-3 10-3

β year β month


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Calcul de θ par an, latitude et saison

θ = θ year+ θ monthθ year θ month


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RMS U par année RMS V 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)

Différences RMS entre vitesses bouées corrigées des courants d’Ekman et vitesses altimétriques sur la période 1993-2008


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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


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

Usynth Vsynth

ERRUsynth ERRVsynth

cm/s

cm/s


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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


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)y,x(dynh)y,x(h)y,x(dynh)y,x(h efPr/efPr/synthsynth

)y,x,t('h*)y,x,p(dyn'h arefefPr/

)y,x,t('h*)y,x,p()y,x,t(hdyn)y,x(dynh arefefPr/efPr/synth

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 PrefAjouter une estimation de la TDM à Pref

Coefficient à déterminer SLA

Climatologie synthétiqueType Levitus

TDM grande échelle (=ébauche)

Calcul des observations synthétiques de hauteur


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200m 400m

1200m 1900m

Calcul des coefficients de régression: )y,x,t('h*)y,x,p(dyn'h arefefPr/


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

cm

Observations synthétiques utilisées pour le calcul de la CMDT RIO05

Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul


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

cm cm

Erreurs associéesObservations synthétiques de hauteur

utilisées pour le calcul


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Ebauche de départ

Résultat


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TDM CNES-CLS09

Résultat


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Erreur d’estimation

cm

cm/s

Résultat

ERR H

ERR U ERR V


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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 1993-1999Par boîtes et par saison (été, automne, hiver, printemps)

CTD, XBT de 0 à Pref=1500m, Période 1993-2002

Global, ½° (pas de Méditerranée)

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

CMDT RIO05 CMDT CNES-CLS09EIGEN-GRGS.RL02.MEAN basé sur 41/2 ans de données GRACE

Filtrage optimal

SVP à 15m, Période 1993-2008

Paramètres fittés sur 1993-2008Par 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)

Les principales modifications par rapport au calcul de la CMDT RIO05


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La TDM régionale KEOPS

cm

Roquet et al, 2009


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EIGEN-GRGS.RL02.MEAN based on 41/2 years of GRACE data

Optimal filter (~400 km)

SVP à 15m, Period 1993-2008

Parameters fitted over the 1993-2008 period, by latitude, year, and month (3 months moving window)

CTD, ARGO Pref variable 200/400/900/1200/1900 Period 1993-2008

Global, ¼° (no Méditerranean)

Geoid model used for First Guess computation:

Filtering used for First Guess computation:

Buoy velocities dataset

Ekman model

T/S data

Resolution

CMDT KEOPS V1.0GOCO02S based on 7 years of GRACE data and 8 months of GOCE data

Gaussian filter 250km

SVP at 15m, Period 1993-2010 Corrected for Wind slippage in case of drogue loss

Parameters fitted over the 1993-2010 period, by latitude and month (3 months moving window)

CTD (Cora3.2), ARGO Pref variable 200/400/900/1200/1900 Period 1993-2010

Regional 1/8°

CMDT CNES-CLS09

Améliorations apportées par rapport à la TDM CNES-CLS09


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Calcul de l’ébauche: Apport des données GOCE

MSS CLS01-GRACE 400km MSS CLS11-GOCO02S 250km

Roquet et al, 2009


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Séminaire DOS 15 novembre 2011


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β

TOUS

TROIS PREMIERS MOIS de chaque trajectoire SEULEMENT (Grodsky et al, 2011)

1 107 262 data

11 000 703 data

On ne garde que 10% des données

Il faut nettoyer le jeu de données AOML des bouées ayant perdu leur ancre flottante

β et θ estimés par année en globalLes courants d’Ekman



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Méthode de détection de la perte de l’ancre flottante

Calcul d’un nouveau modèle d’Ekman basé sur les trois premiers mois seulement des trajectoires des bouées dérivantes AOML (par bande de latitude et par mois pour prendre en compte la variabilité spatio-temporelle de la stratigfication des océans)

Les courants géostrophiques altimétriques (AVISO) sont retirés des vitesses bouées -> Vitesse bouée ‘Ageostrophique’

Les courants d’Ekman sont retirés des courants bouées agéostrophiques -> Vitesse bouée‘résiduelle’

Calcul de la corrélation vectorielle entre la vitesse bouée ‘résiduelle’ et le vent le long de la trajectoire du flotteur (seules les trajectoires de durée supérieure à 200 jours sont prises en compte)

Fenêtre glissante sur 100 jours

Rc, θcRc, θc



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Vitesses‘Résiduelles’ = Vbouee-Valti-Vekman

Vitesses ‘Résiduelles’ = Vbouee-Valti-Vekman-αVent

α compris entre 0% et 2%On détermine α= αbest qui minimise la corrélation vectorielle entre la vitesse ‘résiduelle’ et le vent.

Vbouee-Valti-Vekman-αbestVent vs Vent

Il est fort probable que l’ancre soit présente durant P1 et absente durant P2

Vitesse bouée ‘Ageostrophique’ vs Vent

Vitesse bouée ‘Résiduelle’ vs Vent

P1-P2: Correlation > 0.3 Angle d’Ekman ~60°

P1: Correlation faible(<0.3)Angle de Correlation incohérent

P2: Correlation augmenteAngle de Correlation proche de 0

Vitesse ‘Ageostrophique’ = Vbouee-ValtiP1 P2

Méthode de détection de la perte de l’ancre flottante



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Bouées ancrées uniquement

β θ

β et θ estimés par année en globalLes courants d’Ekman

TOUS

TROIS PREMIERS MOIS de chaque trajectoire SEULEMENT (Grodsky et al, 2011)



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Calcul des vitesses moyennes synthétiques: Apport du nettoyage du jeu de données de bouées dérivantes

Nouveau modèle d’EkmanToutes les bouées (avec ou sans ancre)

Nouveau modèle d’Ekman+ correction de dérive au ventToutes les bouées (avec ou sans ancre)

Nouveau modèle d’EkmanBouées ancrées seulement


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Calcul des vitesses moyennes synthétiques: Apport du nettoyage du jeu de données de bouées dérivantes

Nouveau modèle d’EkmanToutes les bouées (avec ou sans ancre)

Nouveau modèle d’Ekman+ correction de dérive au ventToutes les bouées (avec ou sans ancre)CNES-CLS09

Dans la TDM CNES-CLS09 le probeme de perte d’ancre flottante non détectée est partiellement résolue par la prise en compte d’un modèle d’Ekman variable dans le temps


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Ebauche

+ Vitesses moyennes synthétiques

TDM Régionale KEOPS V1.0

+ Hauteurs moyennes synthétiques


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Roquet et al, 2009

= TDM Régionale KEOPS V1.0


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Perspectives d’amélioration

Etendre les traitements réalisés dans le cadre du projet KEOPS pour améliorer la TDM globale:Utilisation des données GOCEUtilisation d’un jeu de données de vitesses bouées corrigées de l’influence du

vent (à 15m ou en surface quand bouée a perdu son ancre)

MDTs régionales:Bénéficier de données in-situ supplémentaires « propriétaires »:

MDT v2 du projet Keops, en cours (bouées déployées pendant la campagne)MDT MéditerranéeAutres régions d’interêt?

Utiliser des géoïdes locaux haute résolution intégrant de la donnée gravimétrique

R&D: intégrer d’autre type de mesures de courant de surface, plus haute résolution: radar HF, courants déduits du SAR, courants déduits de champs Température, couleur de l’eau par méthode SQG ou MCC…)

Documents

Présentation MDT – 13 mars 2012 - 1 - Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ