M-H Rio

1. Nouvelle Topographie Dynamique Moyenne calculée à partir de la combinaison de données GRACE, altimétriques et in-situ M-H Rio cm

2. 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

3.  = 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

4. 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…)

5. 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

6. Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

7. Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

8. Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

9. Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

10. Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

11. Calcul de la Topographie Dynamique Moyenne : La méthode directe TDM=(SMO9399-Géoïde) filtré à 300 km

12. 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

13. 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

14. 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

15. 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

16. 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

17. Calcul de la TDM par combinaison des données GRACE, altimétriques et in-situ Calcul de l’ébauche Erreur associée cm

18. 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

19. (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

20. 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

21. 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

22. 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

23. 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

24. 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!

25. 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

26. 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

27. 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)

28. 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

29. Calcul de Beta par an, latitude et saison β =βyear+ βmonth β year β month 10-3 10-3

30. Calcul de θ par an, latitude et saison θ = θ year+ θ month θ year θ month

31. 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)

32. 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

33. Calcul de ‘super observations’ de vitesses synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Usynth Vsynth cm/s ERRUsynth ERRVsynth cm/s

34. 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

35. 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

36. Calcul des coefficients de régression: 200m 400m 1900m 1200m

37. 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

38. Calcul de ‘super observations’ de hauteurs synthétiques: Moyennes par boîtes au ¼° Observations synthétiques de hauteur utilisées pour le calcul Erreurs associées cm cm

39. Résultat Ebauche de départ

40. Résultat TDM CNES-CLS09

41. Résultat Erreur d’estimation ERR H cm ERR U ERR V cm/s

42. 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)

43. 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

44. VALIDATION Courant des Aiguilles CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 cm

45. VALIDATION Courant des Aiguilles CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 Module des vitesses en cm/s

46. VALIDATION Courant des Aiguilles Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010)

47. VALIDATION Gulfstream CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05

48. VALIDATION Gulfstream CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 Module des vitesses en cm/s

49. VALIDATION Gulfstream Statistiques de comparaison aux vitesses bouées indépendantes (2009-2010)

50. VALIDATION Kuroshio CMDT CNES-CLS09 CMDT RIO05 cm