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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 * LSEET, CNRS-Univ. du Sud Toulon Var ** LOG, ** LOG, CNRS CNRS- Univ Univ. du Littoral - Côte d'Opale du Littoral - Côte d'Opale *** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO *** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO

Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

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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. Réalisations 2009-2010 - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

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* LSEET, CNRS-Univ. du Sud Toulon Var

** LOG, ** LOG, CNRSCNRS--UnivUniv.. du Littoral - Côte d'Opale du Littoral - Côte d'Opale

*** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO*** LPO, UMR6523 CNRS-IFREMER-IRD-UBO

Page 2: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Réalisations 2009-2010

♪ 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

Page 3: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

♪ Choix des périodes

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

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

Page 4: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

1ère période: 9 avril - 5 mai 2007

Page 5: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

2ème période: 24 août -10 octobre 2007

Page 6: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

3ème période: 21 juillet - 4 octobre 2008

Page 7: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

♪ Traitement haute résolution des données radar

- 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

Ushant Is.

Sein Arch.

Page 8: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

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, …

Page 9: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Coverage & interpolation grid

Regular grid (circular shape) 1.1 km spacing4000 points (shown) Constraints: - angle >30° (radar beam intersection)

- data return > 50% (*)Domain: 90 x 80 km2

Int. Method: 2dVar

Page 10: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Direction finding (MUSIC) provides high resolution radial velocity maps

BEAM FORMING DIRECTION FINDING

10° x 1.5 km 2° x 1.5 km

Page 11: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

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)

♪ Interpolation variationnelle

Page 12: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Estimation d’erreurs d’interpolation

Vitesses interpoléesObservations 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

Page 13: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Wave correction to the measured Doppler velocity (Broche et al. 1983, Ardhuin et al. 2009):

Uss(fB)= long wave (f<fB) contributionto the surface Stokes drift

Δc2

B

B

f

BB

f

B

BB dfffdkdff

kfdc ),()cos(4),(4)(

0

kkk

.

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

freq. Δc2

6 MHz 2.4 cm/s

12 1.7

16 1.5

45 0.9

♪ Correction de l’influence des vagues

Page 14: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

total surface Stokes drift

Typical values of Uss (fB) for

- a Pierson-Moskowitz wave spectrum

- a gaussian swellwavelength: 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

)4.0(025.0)5.14,min(.)2(5(1025.1)( 10103.14

SSS HUUffU

Page 15: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Comparaison USS – courant de surface mesuré

sur les 3 périodes

6 cm/s

33 cm/s

Page 16: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Uss calculé pour 2 coupures: fB et 0.72HzCorrélations Uss-u*

Page 17: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Filtrage période semidiurne – 2ème période

au point de mesure

spectres

signal

signal filtré

u v

Page 18: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Histogramme pour les 3 périodes au point de mesure

18 cm/s

42 cm/s

Page 19: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Comparaison avec ou sans correction de Stokes sur le courant filtré

Page 20: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

A faire :- utilisation du modèle WW3-Iroise en grille non structurée (données 2007&2008 en cours)

- affiner les comparaisons, filtrage t_TIDE

nœuds WW3 projection de Hs interpolation sur grille radar

Page 21: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

♪ Début d’analyse de la circulation en mer d’Iroise

mid-spring : 10 Apr – 5 May 2007 late summer : 24 Aug – 19 Sep 2007

Strong tidal forcing (range ~7m) and moderate winds

Strong tidal forcing and stronger winds

Pri.Spring Neap

Page 22: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Results : Tidal currents Results : Tidal currents

PCA - derived synthetic ellipses during primary spring tide (7-d averaged )

red: ccw rotating current vectorsblue : cw rotating

Rotary pw spectra& rotary coefficient r = (S+- S-)/(S++S-)

r < 0 for cw motion r > 0 for ccw motionr = 0 for unidirectional flow

(Sentchev et al., ECSS 2009; Sentchev & Yaremchuk, CSR 2007)

(Emery, Thompson, 1997)

Page 23: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Tidal current variability Tidal current variability

Time/Space variations of the amplitude of tidal currents

W-E line SW-NE line

Variability of cur. ellipses in two particular locations (strongest curent)

1.7 to 3.8 m/s1 to 4 m/s

Spatial variability

Vel. magnitude > 1 m/s (majority of the domain)Max velocity ranges from 0.7 to 4 m/sMin velocity ranges from0.2 to 1.7

Page 24: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Tidally generated eddies Tidally generated eddies

Average vorticity field

- 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)

Flood

Ebb

curl v, 10-5 s-1

Currents during one td cycle

18/4 21h 19/4 9h50

Page 25: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Residual currents

Spring 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

Whole period

Page 26: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

Non-tidal residuals (late summer 2007)

Ushant thermal front Time evolution of the RC along 48.25°N(S-N velocity component)

Signature of the Ushant thermal front is visible in the surface field of long-term residual velocities

Temp. along the 48°N section on 14 Sep, 2007(Le Boyer et al., CSR 2009)

SST on 14 Sep 2007 from MODIS

RC : tidal currents removedgrey line – zero velocity contour

Long-term residuals : Stokes, wind-induced, and

stationary currents removed

14 Sep

Vel. scale (m/s)

48.25°NObserved wind

Page 27: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

2008.08.17 10h432007.09.02 10h43

2008.08.01 22h07

♪ Cartes radar et images SAR

Page 28: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

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

Page 29: Réalisations 2009-2010 ♪ Choix de 3 périodes significatives

♪ 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 decourant de surface modélisés et analyses similairesréalisées sur ces jeux et les données radar correspondantes

Article ISOBAY JMS en préparation: « High resolution HFR observations of surface currents in the IROISE Sea »