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OAM simulés par OGCM climat

OAM simulés par OGCM climat. Détecteur d’erreurs dans les chaînes de traitement Un nouveau point de vue tridimensionnel de la circulation océanique Les 2 contributeurs aux variations d’OAM: la masse et la circulation. 26 Nov 2012 / slide 1.

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  1. OAM simulés par OGCM climat Détecteur d’erreurs dans les chaînes de traitement Un nouveau point de vue tridimensionnel de la circulation océanique Les 2 contributeurs aux variations d’OAM: la masse et la circulation 26 Nov 2012 / slide 1

  2. Exemple d’erreur détectée par les OAMs simulés par la chaȋne d’assimilation de TPJ dans un OGCM Spectre de la série temporelle (1993-2009) d’OAM_z simulé par ECCO Black= kf080 (TPJ not contaminated by error in tidal corrections) Red = kf077 (TPJ contaminated) 13.6 days De façon opérationnelle depuis 1993 pour TPJ, les OAMs simulés par OGCM sont calculés (Dr Gross, SBO / IERS) avec et sans TPJ pour la détection d’erreurs possibles en modélisation ou traitements altimétriques

  3. En plus de détecter erreurs et de valider les simulations à l’échelle planétaire, les OAMs permettent de comprendre: Problèmes état moyen OGCMs dans prévisions ENSO Rôle du sel dans recharge Indo - Pacifique subtropicale antisymétrique Nord/Sud pour ENSO Rôle hautes fréquences (coups de vents et pluies locales) avec échanges interbassins de masses en quasi-équilibre de Sverdrup avec l’atmosphère

  4. Daily occurrence wind bursts and rain regimes prescribed in ENSO model from satellites QSCAT stress Vectors on 06/28/2006 Anti-symmetric recharge of ENSO from subtropical North and South Pacific (cm) +8 North 2 cm Pascal South -8 0 ENSO forecast example: propagation Pacific 2002/03 warm event along the equator Dec 2003 +2ºC Sep 2002 -2ºC standard forecast almost data free observations Anti-symmetric recharge adjustements are controlled by altimetry (TPJ) in “almost” forecast

  5. Etat moyen OGCM: erreurs de sea level simulé en équilibre moyenné sur plusieurs années avec l’atmosphère cm The discrepancy between observed and model mean Sea Level is very big. It corresponds to a change in Earth’s oblateness which is incompatible with the range of LOD variations currently observed. Model forced by QuikSCAT vectors (CORE2): courtesy of Dr. Large (NCAR), 2008

  6. Résumé des résultats OAM_x (1024 kg m2/s) +0.4 • 1. OAM_courants simulés par le même OGCM • forcé par ERA et différents contrôles en sel et/ou masse • forcé par diffusiométrie (CORE2 = QSCAT vecteurs) • Utiliser les vecteurs diffusiométriques comme des vents dans • un OGCM bloque la circulation Indopacifique à cause du • contenu marée permanent des vecteurs QSCAT OAM_x (1024 kg m2/s) 2. Assimilation d’altimétrie (TPJ depuis 1993) OAM_masses simulées par 2 OGCMs differents Pourquoi les masses simulées par l’un dérivent et pas celles simulées par l’autre? M2K1 -2.0 +8.0 -6.0

  7. Un point de vue tridimensionnel de la circulation océanique OAM-x OAM-y OAM_z OAM_currents and OAM_mass(1024 kg m2/s) simulated by ECCO with TPJ (1993-to-2010 ) +3.2 +2.0 +2.0 -2.0 -2.0 -3.2 mean OAM_x mean OAM_y mean OAM_z = 135 612. (OBP) = 102 421. (OBP) = 2 939 708. (OBP) = -1.04 (u,v,r) =+0.65 (u,v,r) = = +9.56 (u,v,r)

  8. OAM simulés par ECCO sans TPJ (haut), avec TPJ (bas) Rouge = Courant Noir = Masse OAM_x OAM_y OAM_z = 135 566. (OBP) = 102 386. (OBP) = 2 938 822. (OBP) = -1.01 (u,v,r) =+0.64 (u,v,r) = +9.61 (u,v,r) = 135 612. (OBP) = 102 421. (OBP) = 2 939 708. (OBP) = -1.04 (u,v,r) =+0.65 (u,v,r) = +9.56 (u,v,r)

  9. Assimilation de TOPEX-Poseidon-Jason (TPJ) dans OGCM Il y a principalement 2 grosses difficultés qui reviennent à chaque pas de temps d’assimilation 1. Problème: l’ état moyen du modèle ne correspond pas à la réalité. TPJ fournit les anomalies de SL par rapport à une surface de référence inconnue. Pour assimiler TPJ, il faut ajouter une topographie moyenne de référence. ECCO: état moyen forcé par NCEP  coefficients de mélange corrigés par Mennemenlis et al. (2005) puis l’ état moyen du modèle corrigé est rajouté a TPJ 2. Problème: la pression atmosphérique n’est pas utilisée pour forcer le modèle. Les équations de moment dynamique ne sont forcées que par les contraintes de vent  La correction de baromètre inverse (IB) est retirée de TPJ IB(x,y,t) = Patmos(x,y,t) – Patmos_meanSurfOcean (t)

  10. Climatological OAM_currents from ECCO (1993-2010) Units = 10 24 kg*m 2 /s +10.4 (with TPJ)(without TPJ) -0.7 +0.85 +0.35 +9.0 -1.4 meanTotal Current (x, y, z) =-1.04(-1.01) +0.65(+0.64) +9.56 (9.61) Vertical scale for –OAM plots: 0.7 0.5 1.4 Impact TPJ sur les courants: augmentation courant ZONAL en May

  11. Climatological OAM_mass from ECCO (1993-2010) Units = 10 24 kg*m 2 /s (with TPJ) (without TPJ) +0.80 +0.80 +0.80 -0.80 -0.80 -0.80 meanTotal OAM_mass (x , y, z) =135 612(135 566)102 421(102 386)2 939 708 (2 938 822) Impact TPJ sur la masse: OAMz augmentation Masse (z) versl’equateur April bloquel’augmentation masse vers Nord Bengal apres la mousson (Septembre) par rapport a OAMx sans TPJ Vertical scale for ALL *–OAM plots= 1.6

  12. TRMM TRMM Rain data(_month, _day) SSS Model SSS Exp(_month, _day)

  13. TRMM TRMM Rain data(_month, _day) SSS Model SSS Exp(_month, _day)

  14. Daily and climatological OAM_masse (or current) simulated by ECCO with TPJ +2.0 -2.0 Masse: OAM_y: signal annuel OAM_x: signal 1-à-180 jours (+interannuel) cf.: rôle dominant des instabilités tropicales pendant les alignements géo-luni-solaires à 14.77 day (M2,S2)

  15. Conditions OGCM: « toit rigide » ou « surface libre implicite » Les OGCMs conservent le volume, mais pas la masse. variations artificielles de masse dues aux flux air-mer (Q_chaleur, E-P-R) ainsi qu’ à toute relaxation en surface en température ou sel dans le modèle. De plus, des flux virtuels de sel sont créés par le forçage de la salinité avec le bilan (E-P-R) (contrairement a la réalité ou c’est le volume d’eau fraiche qui change avec E-P-R) ECCO: la correction de Greatbatch (1994) est appliquée sur les OAM_mass. Cette correction consiste à calculer l’épaisseur de la couche d’eau uniforme appropriée pour conserver la masse à partir des bilans de surface. Cette correction est très efficace pour ECCO, mais….

  16. OAM_z simulés par ECCO sans correction de Greatbatch No TPJ with TPJ +10 +10 -10 -10 2 939 709 (with Greatbatch) 2 939 708 (with Greatbatch) 2 938 822 (no Greatbatch) 2 709 938 (no Greatbatch)

  17. Conditions OGCM: « toit rigide » ou « surface libre implicite » Les OGCMs conservent le volume, mais pas la masse. variations artificielles de masse dues aux flux air-mer (Q_chaleur, E-P-R) ainsi qu’ à toute relaxation en surface en température ou sel dans le modèle. De plus, des flux virtuels de sel sont créés par le forçage de la salinité avec le bilan (E-P-R) (contrairement a la réalité ou c’est le volume d’eau fraiche qui change avec E-P-R) ECCO: la correction de Greatbatch (1994) est appliquée sur les OAM_mass. Cette correction consiste à calculer l’épaisseur de la couche d’eau uniforme appropriée pour conserver la masse à partir des bilans de surface. Cette correction est très efficace pour ECCO (mais pas pour NEMO). La correction de Greatbatch n’est pas un calcul exact du changement de masse simule par l’OGCM , le calcul de correction de masse est à faire en cours de simulation les problèmes de mélangedans les modèles nécessitent des restaurations en sel et en température dans les expériences océaniques forcées par (TX,TY, Qheat, E-P-R). (Qheat et E ne devraient pas être des forçages!... - expériences couplées O/A GCM.

  18. OAM_massessimulées par ECCO_TPJ et NEMO_TPJ +30. OAM_z OAM_y OAM_x +8. +4. -6. -6. -20. Les OAM sont corrigés du bilan de masse (équivalent hauteur d’eau uniformément repartie calculée après le run en fonction du bilan E-P-R (Richard Gross, 2010). Pourquoi NEMO_TPJ dérive –t’il?

  19. OAM_courants simulés par NEMO pour 6 différentes conditions de forcage +5 +6 +12 -5 -6 -12 La simulation avec assimilation est à part (à cause du problème de mélange dans les modèles et de la référence surfacique inconnue en altimétrie. Quelles que soient les contraintes de stress et flux air-mer, les incertitudes de mélange posent problèmepour l’assimilation altimétrique dans les modèles (voir corrections Greiner+Perigaud 1993, 1994 dans tropiques; Mennemenlis 2005 dans ECCO)

  20. Conclusion 1: OAMs simules par forçage avec NCEP ou ERA 1. OAM = outil de détection erreur (cf.: a permis d’arrêter la diffusion des GDRs de TPJ lorsqu’ en 2009, ils avaient été distribués avec une mauvaise correction de marée) 2. L’état moyen des OGCM (mixing) pose problème à l’assimilation d’altimétrie (voir Mennemenlis et al., 2005 avant d’assimiler TPJ, voir resultats de Mercator). De toute facon, l’altimétrie ne peut pas résoudre ce problème puisque la surface de référence de TPJ, le profil moyen (géoide+MDT) du satellite n’est pas un GDR océanique (c’ est un GDR couplé Terre-OA)- besoin de diffusiométrie pour faire des progrès 3. Les OGCMs conservent le volume et non la masse Correction Greatbatchefficace dans ECCO pour éviter de voir les dérives simulés en OAMs, mais cette correction ne représente pas les changements de masse simulés par le modèle à cause des conditions nécessaires à appliquer dans toute expérience océanique forcée pour éviter les dérives en sel (flux air-mer à coupler pour échanger en quantité nette de chaleur et évaporation échangée) problèmesel  problème prévision ENSO/climat

  21. a: SSH error simulated byOcean model forced by QSCAT vectors – observations Courtesy of NCAR project +30 cm -30 b: SSH error simulated by Ocean model forced by ERAi vectors – observations Courtesy of ENSEMBLE project +30 cm -30 Le forçage CORE est à part car les directions de QuikSCAT convergent très fort dans les tropiques (contenu énergétique des marées des vecteurs diffusiométriques).  OAMx? OAMy? OAMz?

  22. Valeurs totales des OAM_courants simulés par NEMO sans assimilation TPJ pour différents forçages (CORE, ERA) et contrôles de masse et de sel +2.0 +18 +0.4 +6 -2.0 -0.4 ORCA1-QSCAT = CORE2 mass=0 restore SSS: -0.4 +1.0 + 8.0 ORCA025 –T327 = ERA mass=0 free SSS : -1.1 +0.9 +12.0 ORCA025 –T323 = ERA free free SSS : -1.1 +0.9 +11.0 ORCA1 –AR5 = ERA free restore SSS : -1.0 +0.9 +11.5 ORCA1 – T09 = ERA free free SSS: meanTotal Current (x, y, z) ECCO (NCEP+Greatbatch+TPJ) : -1.0 +0.65 + 9.6 Units = 10 24 kg*m 2 /s

  23. OAM_massesimuléspar NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) masse =0 ateach time step + Sel restoring 932 389 9455 9437 928 387 NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotalmasse (x, y, z) = 132 389104 9322 939 447 Vertical scale 2 4 18 ECCO: MeanTotal masse (x, y, z) = 135 612102 4212 939 708 Vertical scale 4 4 4 Units = 10 24 kg*m 2 /s

  24. OAM_massesimuléspar NEMO forcé par CORE2 masse =0 + Sel restoring 932 389 9455 586 555 OAM_masse simuléspar NEMO forcé par ERA, mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring 9437 4749 928 387 4744 581 553 NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotalmasse (x, y, z) = 132 389104 9322 939 447 Vertical scale 2 4 18 NEMO_ERA (T327): close to ECCO for OAM_x, but even much weaker than CORE for OAM_z MeanTotalmasse (x, y, z) = 135 554104 5832 934 746 Vertical scale 25 5 10 24 kg*m 2 /s

  25. haut: Climatologie OAM_masse simuléspar NEMO forcé par CORE2 ou par ERA bas: Climatologie OAM_masse simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ +10.0 CORE mass=0, restore SSS ERA: mass =0 (+12mm), free SS +0.5 +0.5 -0.5 -0.6 -10.0 +0.8 +0.8 +0.8 -0.8 -0.8 -0.8 Units = 10 24 kg*m 2 /s

  26. Conclusion OAM ECCO_NCEP(TPJ), NEMO_ERA, NEMO_CORE2 (QSCAT, NEMO_mass=0, restoration Sel) 1. L’état moyen des OGCM (mixing) pose problème à l’assimilation d’altimétrie. 2. Les OGCMs conservent le volume et non la masse ECCO forcé par correction Greatbatch efficace, mais pas « clean » NEMO forcé par ERA même avec correction de masse (sans correction de sel) dérive en OAM_z problème sel et masse  problème prévision ENSO/climat problèmes déséquilibres N/S (rôle forces gravitationnelles Lune pour mélange cross-équatorial océanique et atmosphérique couple) 3. Les OGCMs forcés par CORE2 (QSCAT): courants: amplitude moyenne trop faible confirmation que l’ITF moyen est bloqué (M2 énergie de l’Indien vers le Pacifique): OAMz = 8 au lieu de 11 (10 24 kg*m 2 /s ) OAMx = -0.4 au lieu de -1.1 (10 24 kg*m 2 /s ) masse: mean OAM_z faible 2 939 447 ….. au lieu de…. 2 939 746 (ECCO) < 2 934 746 (freeS) mean OAM_x faible 132 389….. au lieu de…. 135 612 (ECCO) > 135 554 (freeS) amplitude saisonnier OAM_z: 4 fois plus fort et avec déphasage = 90º

  27. Permanent tidal energy fluxes Tidal Ocean Work total=3.5TW (Solid) out of which 1.1 TW maintain stratification and currents Vector TOW per harmonic (kg m/s2) = (W/m) (TOWx, TOWy) = r g Sum_period{ (u,v)H(h+hs) dt} ; hs=hbody+hload Semi-diurnal lunar M2K1 Diurnal (luni-solar) Very large M2 flux from the Indian Ocean. Diurnal flux is primarily powered from the Pacific. A significant part of the incoming energy from the Indian Ocean into the Indonesian Seas works against the Earth's rotation (see Earth’s body tide, Egbert+Ray, 2001). Ray et al., 2005

  28. Il est de coutume d’expliquer la différence entre “vents” et OVWs diffusiométriques par la circulation générale océanique de surface Trade winds QSCAT Current NECC longitudes longitudes Trade winds QSCAT Courtesy of Dr. Kelly (OVWST, 2007) Current SEC NECC = North Equatorial Counter-Current SEC = South Equatorial Current Mais cette coutume ne marche pas pour expliquer la composante méridienne des vents (les alizes): les courants de surface ont une faible divergence, alors que Vents – QSCAT divergent beaucoup plus et ont une rotation grande échelle très forte.

  29. Mean northward OVW stress in the Pacific [5ºN-to-7ºN] +0.06 QSCAT62QSCAT65QSCAT66 ERS61 FSU10 NCEP15 Pascal dyn/cm2 longitude -0.02 Mean OST balanced with QSCAT – mean OST balanced with FSU +30 cm -30

  30. Vecteurs de contrainte dans l’Océan Indien Mean OVW eastward stress along the equator +0.06 QSCAT dyn/cm2 FSU ERS NCEP Mean OVW northward stress across 10ºS +0.90 QSCAT longitude Pascal NCEP FSU ERS -0.03 Pascal Northward OVW stress in SE Indian [5ºS, 100ºE] +2.00 0.00 longitude Pascal longitude -1.40 longitude

  31. La vitesse moyenne des vecteurs de QSCAT n’a pas de signal annuelni semi-annuelen global.

  32. Spectre  MIX-ERA : Signal Annuel ~ 2 fois le Semi-Annuel  MAREE (héliosynchronisme : K1  Annuel et K2 Semi-Annuel1993-2001 (ERS1&2/QSCAT) ; 2002-2010 (Q/ASCAT)

  33. Collocalisation des OVW meridiennes QSCAT, ASCAT, ERA en moyennesur 2 ans: 2007-2009 e) QuikSCAT- ERA f) ASCAT - ERA Zonally averaged values of collocated zonal winds m/s vers le NORD meridional wind (m/s) +3 VQSCAT VECMWF 0 vers le SUD -3 60S EQ 60N Signature tesseralecaracteristique de l’energie de maree: QSCAT meridien plus forte convergence que les vents alizes d’ ERA-interim meme signature tesserale de mareedans ASCAT et dans QSCAT

  34. Zonally averaged collocated values of meridional winds and meridional pseudo-stresses as a function of latitudes +30 +3.0 (m/s)2 (m/s) -30 -4.0 30ºS 0º 30ºN 30ºS 0º 30ºN Winds: Southerlies (3m/s in the South) and Northerlies (-3m/s in the North) converge NORTH of the equator. Pseudo-stresses: Southerlies (+25m2/s2 in the South) and Northerlies (-28m2/s2 in the North) converge AT the equator.

  35. Zonal averages of 2007-2008 mean collocated OVWs from ECMWF, ASCAT and S2 tidal transports +200 -200 ECMWF ASCAT ECMWF – ASCAT Tide@ASCAT easterly trade winds mid-latitude westerlies zonal wind (m/s) wind difference and tide +8 +1 UECMWFUASCAT 0 0 UECMWF-UASCAT (m/s) U tide @ ASCAT (kg m2/s) U ocean surface current (m/s) -6 -1 60S EQ 60N 60S EQ 60N

  36. Zonal averages of 2007-2008 mean collocated OVWs from ECMWF, QSCAT and tides meridional wind (m/s) wind difference and tide +3 +1 +200 VQSCAT VECMWF VQSCAT VECMWF VECMWF-VQSCAT (m/s) VECMWF-VQSCAT (m/s) QSCAT m/s diff 0 tide V tide @ QSCAT (kg m2/s) V tide @ QSCAT (kg m2/s) -3 -1 -200 60S EQ 60N 60S EQ 60N winds S Equatpr N

  37. Collocalisation des OVW zonales QSCAT, ASCAT, ERA en moyennesur 2 ans: 2007-2009 b) QuikSCAT- ERA c) ASCAT - ERA m/s vers l’Est Zonally averaged values of collocated zonal winds +1. 0. (m/s) vers l’Ouest -6.0 30ºS latitudes 30ºN Le “vent” ASCAT plus versl’Estque ERA estegalementexpliquee par la capture du signal de mareessaisies par le satellite ASCAT………………………voir next slide ASCAT traverse l’equateur a 9.30am et 9.30pm, 3 heuresapres QSCAT.

  38. Composantes des differences entre collocations “OVW” en moyennesur 2 ans: 2007-2009 be) QuikSCAT- ERA cf) ASCAT - ERA ZONALE MERIDIENNE m/s vers l’Est m/s vers le NORD vers l’Ouest vers le SUD Signature tesseralecaracteristique de l’energie de maree: QSCAT meridien plus forte convergence que les vents alizes d’ ERA-interim meme signature tesserale de mareedans ASCAT et dans QSCAT

  39. Sun and tides Mean Gravi: GmM/r**2 Sun = 590 mgal Moon = 3 mgal Tidal accel: GmM/r**3 Sun = .05 mgal Moon = .11 mgal Sidereal year = 365.2564 days Tropical year = 365.2422 days Anomalistic = 365.2596 days -----> semi-diurnal: S2(0.47), T2(0.03), K2(0.04) TIDES -----> diurnal: P1(0.19), p1(0.01), K1(0.19) -----> long period: Ssa (182.70 days,0.08) Sa (364.96 days, 0.01)

  40. OAM_courants simuléspar NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) +2.4 +0.4 +10.5 +6.0 +0.2 -1.2 NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z) MeanTotal Current (x, y, z) = -0.4 +1.0+8.0 Vertical scale 0.7 1.7 3.0 ECCO: MeanTotal Current (x, y, z) = -1.0 +0.7 +9.6 Vertical scale 0.7 0.5 1.4

  41. haut: Climatologie OAM_courants simuléspar NEMO forcé par CORE2 ou par ERA bas: Climatologie OAM_courants simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ +1.0 +0.3 +0.25 CORE= -0.4+1.0 +8.0 ERA = -1.1 +0.9 +12.0 +10.4 -0.4 -0.3 -1.0 -0.7 +0.85 NCEP= -1.0 +0.6 +9.6 TPJ = -1.0 +0.6 +9.6 +0.35 +9.0 -1.4

  42. OAM_courants simulés par ECCO (with TPJ) et NEMO (Mercator Psy2v3) OAM_masse simulés par ECCO (corrigé Greatbatch) et Psy2v3 (correction apresrunR. Gross)

  43. OAM_masse simuléspar NEMO forcé par ERAinterim mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring 586 555 9749 9744 581 553 NEMO_ERA simulates values close to ECCO MeanTotalmasse (x, y, z) = 135 554104 5832 939 746 Vertical scale 25 5 ECCO: MeanTotal masse (x, y, z) = 135 612102 4212 939 708 Vertical scale 4 4 4 Units = 10 24 kg*m 2 /s

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