OAM simulés par OGCM climat

1. Détecteur d’erreurs dans les chaînes de traitement

2. Un nouveau point de vue tridimensionnel de la circulation océanique

3. Les 2 contributeurs aux variations d’OAM: la masse et la circulation

26 Nov 2012 / slide 1

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)

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

13.6 days

Exemple d’erreur détectée par les OAMs simulés par la chaȋne d’assimilation de TPJ dans un OGCM

En plus de détecter erreurs et de valider les simulations à l’échelle planétaire, les OAMs

permettent de comprendre:

1. Problèmes état moyen OGCMs dans prévisions ENSO

2. Rôle du sel dans recharge Indo - Pacifique subtropicale antisymétrique Nord/Sud pour ENSO

3. Rôle hautes fréquences (coups de vents et pluies locales) avec échanges interbassins de masses en quasi-équilibre de Sverdrup avec l’atmosphère

standard forecast almost data free observations

Sep2002

Dec2003

-2ºC

+2ºC

ENSO forecast example: propagation Pacific 2002/03 warm event along the equator

-8

+8

Anti-symmetric recharge of ENSO from subtropical North and South Pacific (cm)

Daily occurrence wind bursts and rain regimes prescribed in ENSO model from satellites QSCAT stress Vectors on 06/28/2006

2

0

North

South

Pascalcm

Anti-symmetric recharge adjustements are controlled by altimetry (TPJ) in “almost” forecast

The discrepancy between observed and model mean Sea Level is very big.It corresponds to a change in Earth’s oblateness whichis incompatible with the range of LOD variations currently observed.

cm

Model forced by QuikSCAT vectors (CORE2): courtesy of Dr. Large (NCAR), 2008

Etat moyen OGCM: erreurs de sea level simulé en équilibre moyenné sur plusieurs années avec

l’atmosphère

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?

Résumé des résultats+0.4

-2.0

OAM_x (1024 kg m2/s)

+8.0

-6.0

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 dansun OGCM bloque la circulation Indopacifique à cause du contenu marée permanent des vecteurs QSCAT

M2 K1

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 )

+2.0

-2.0

+2.0

-2.0

+3.2

-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)

OAM simulés par ECCO sans TPJ (haut), avec TPJ (bas)Rouge = Courant Noir = Masse

OAM_x OAM_y 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)

= 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)

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)

Vertical scale for –OAM plots: 0.7 0.5 1.4

(with TPJ) (without TPJ)

Climatological OAM_currents from ECCO (1993-2010) Units = 10 24 kg*m 2 /s

meanTotal Current (x, y, z) =-1.04(-1.01) +0.65(+0.64) +9.56 (9.61)

-0.7

-1.4

+10.4

+9.0+0.35

+0.85

Impact TPJ sur les courants: augmentation courant ZONAL en May

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) vers l’equateur Aprilbloque l’augmentation masse vers Nord Bengal apres la mousson (Septembre) par rapport aOAMx sans TPJ

Vertical scale for ALL *–OAM plots = 1.6

(with TPJ) (without TPJ)

Climatological OAM_mass from ECCO (1993-2010) Units = 10 24 kg*m 2 /s

+0.80

-0.80

+0.80

-0.80

+0.80

-0.80

TRMM Rain data(_month, _day)

Model SSS Exp(_month, _day)SSS

TRMM

TRMM Rain data(_month, _day)

Model SSS Exp(_month, _day)SSS

TRMM

Masse:OAM_y: signal annuelOAM_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)

+2.0

-2.0

Daily and climatological OAM_masse (or current) simulated by ECCO with TPJ

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….

OAM_z simulés par ECCO sans correction de Greatbatch

2 939 709 (with Greatbatch) 2 939 708 (with Greatbatch) 2 938 822 (no Greatbatch) 2 709 938 (no Greatbatch)

No TPJ with TPJ+10+10

-10 -10

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 mélange dans 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.

OAM_masses simulées par ECCO_TPJ et NEMO_TPJ

OAM_x OAM_y OAM_z

Les OAM sont corrigés du bilan de masse (équivalent hauteur d’eau uniformément repartiecalculée après le run en fonction du bilan E-P-R (Richard Gross, 2010).

Pourquoi NEMO_TPJ dérive –t’il?

+8.

-6.

+4.

-6.

+30.

-20.

+12

-12

+6

-6

+5

-5

OAM_courants simulés par NEMO pour 6 différentes conditions de forcage

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

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 masseCorrection Greatbatch efficace 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) problème sel problème prévision ENSO/climat

+30

-30

cm

+30

-30

cm

a: SSH error simulated by Ocean model forced by QSCAT vectors – observations Courtesy of NCAR project

b: SSH error simulated by Ocean model forced by ERAi vectors – observationsCourtesy of ENSEMBLE project

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?

Valeurs totales des OAM_courants simulés par NEMO sans assimilation TPJpour différents forçages (CORE, ERA) et contrôles de masse et de sel

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 +11.0ORCA1 –AR5 = ERA free restore SSS :

-1.0 +0.9 +11.5 ORCA1 – T09 = ERA free free SSS:

+6

+18 +2.0

-0.4

+0.4

-2.0

meanTotal Current (x, y, z) ECCO (NCEP+Greatbatch+TPJ) : -1.0 +0.65 + 9.6

Units = 10 24 kg*m 2 /s

OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949) masse =0 at each time step + Sel restoring

932

387

ECCO: MeanTotal masse (x, y, z) = 135 612 102 421 2 939 708 Vertical scale 4 4 4

9437

9455

928

NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z)MeanTotal masse (x, y, z) = 132 389 104 932 2 939 447 Vertical scale 2 4 18

389

Units = 10 24 kg*m 2 /s

932

387

9437

9455

928

NEMO_CORE simulates weak means (x,z) but very strong semi-annual (x) and annual (z)MeanTotal masse (x, y, z) = 132 389 104 932 2 939 447 Vertical scale 2 4 18

389

OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 masse =0 + Sel restoring

NEMO_ERA (T327): close to ECCO for OAM_x, but even much weaker than CORE for OAM_z MeanTotal masse (x, y, z) = 135 554 104 583 2 934 746 Vertical scale 2 5 5

553 4744 581

555 586

4749

10 24 kg*m 2 /s

OAM_masse simulés par NEMO forcé par ERA, mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring

haut: Climatologie OAM_masse simulés par NEMO forcé par CORE2 ou par ERA

+0.5

-10.0

+10.0

-0.6

bas: Climatologie OAM_masse simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ

+0.8

-0.8

+0.8

-0.8 -0.8

+0.8

+0.5

-0.5

Units = 10 24 kg*m 2 /s

CORE mass=0, restore SSSERA: mass =0 (+12mm), free SS

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

Vector TOW per harmonic (kg m/s2) = (W/m) (TOWx, TOWy) = r g Sum_period{ (u,v)H(h+hs) dt } ; hs=hbody+hload

Permanent tidal energy fluxes

Ray et al., 2005

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 Seasworks against the Earth's rotation (see Earth’s body tide, Egbert+Ray, 2001).

Diurnal (luni-solar)

M2 K1

Tidal Ocean Work total=3.5TW (Solid) out of which 1.1 TW maintain stratification and currents

Semi-diurnallunar

Courtesy of Dr. Kelly (OVWST, 2007)

NECC = North Equatorial Counter-Current

SEC = South Equatorial Current

Il est de coutume d’expliquer la différence entre “vents” et OVWs diffusiométriques par la circulation générale océanique de surface

longitudes

Current NECC

QSCAT

Trade winds

longitudes

Current SEC

QSCAT

Trade winds

Mais cette coutume ne marche pas pour expliquer la composante méridiennedes vents (les alizes): les courants de surface ont une faible divergence, alors queVents – QSCAT divergent beaucoup plus et ont une rotation grande échelle très forte.

QSCAT62 QSCAT65 QSCAT66

ERS61 FSU10

NCEP15

longitude

Mean northward OVW stress in the Pacific [5ºN-to-7ºN]

Pasc

al

+0.06

dyn/

cm2

-0.02

Mean OST balanced with QSCAT – mean OST balanced with FSU+30

-30

cm

Mean OVW eastward stress along the equator

dyn/

cm2 QSCAT

FSU ERSNCEP

Pasc

al

+0.06

-0.03longitude

longitude

Northward OVW stress in SE Indian [5ºS, 100ºE]+2.00

-1.40

Pasc

al

QSCAT

Pasc

al

Mean OVW northward stress across 10ºS

NCEPFSU ERS

+0.90

0.00

Vecteurs de contrainte dans l’Océan Indien

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.00.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

ERA_1982_2x9yERA_2000_9yQSCAT_2000_9y

frequency "n" in cycles per year (cpy)

Fo

uri

er C

om

po

nen

t A

mp

litu

de

A(n

) cm

/s

La vitesse moyenne des vecteurs de QSCAT n’a pas de signal annuel ni semi-annuel en global.

Spectre MIX-ERA : Signal Annuel ~ 2 fois le Semi-Annuel MAREE (héliosynchronisme : K1 Annuel et K2 Semi-Annuel

1993-2001 (ERS1&2/QSCAT) ; 2002-2010 (Q/ASCAT)

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.00.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

MIX-ERA_1993-2001

MIX-ERA_2002-2010

frequency n in cycles/year (cpy)

Fo

uri

er

Co

mp

on

en

t A

mp

litu

de

A(n

) i

n c

m/s

vers le SUD

m/s vers le NORD

Collocalisation des OVW meridiennes QSCAT, ASCAT, ERA en moyenne sur 2 ans: 2007-2009

e) QuikSCAT- ERA f) ASCAT - ERA

Signature tesserale caracteristique de l’energie de maree:

QSCAT meridien plus forte convergence que les vents alizes d’ ERA-interim

meme signature tesserale de maree dans ASCAT et dans QSCAT

Zonally averaged values of collocated zonal winds

meridional wind (m/s) VQSCATVECMWF

+3

-3

0

60S EQ 60N

+3.0

30ºS 0º 30ºN 30ºS 0º 30ºN

Zonally averaged collocated values of meridional winds and meridional pseudo-stresses as a function of latitudes

(m/s)

+30

-30

(m/s)2

-4.0

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.

UECMWF-UASCAT (m/s)

U tide @ ASCAT (kg m2/s)

U ocean surface current (m/s)

UECMWF UASCAT

+8

60S EQ 60N 60S EQ 60N

+1

-1-6

00

zonal wind (m/s) wind difference and tide

Zonal averages of 2007-2008 mean collocated OVWs from ECMWF, ASCAT and S2 tidal transports

mid-latitude westerlies easterly trade winds ECMWFASCATECMWF – ASCAT Tide@ASCAT

-200

+200

winds

QSCATdifftide

S Equatpr N

VQSCATVECMWF

+3

-1-3

m/s

meridional wind (m/s) wind difference and tideVECMWF-VQSCAT (m/s)

V tide @ QSCAT (kg m2/s) -200

+200

60S EQ 60N 60S EQ 60N

+1

0

VQSCATVECMWF

VECMWF-VQSCAT (m/s)

V tide @ QSCAT (kg m2/s)

Zonal averages of 2007-2008 mean collocated OVWs from ECMWF, QSCAT and tides

versl’Ouest

m/s vers l’Est

Le “vent” ASCAT plus vers l’Est que ERA est egalement expliquee par la capture du signalde marees saisies par le satellite ASCAT………………………voir next slide

ASCAT traverse l’equateur a 9.30am et 9.30pm, 3 heures apres QSCAT.

Collocalisation des OVW zonales QSCAT, ASCAT, ERA en moyenne sur 2 ans: 2007-2009

b) QuikSCAT- ERA c) ASCAT - ERA

30ºS latitudes 30ºN

+1.

-6.0

(m/s)

Zonally averaged values of collocated zonal winds

0.

vers le SUD

m/s vers le NORD

versl’Ouest

m/s vers l’Est

Composantes des differences entre collocations “OVW” en moyenne sur 2 ans: 2007-2009

ZONALE MERIDIENNE

Signature tesserale caracteristique de l’energie de maree:

QSCAT meridien plus forte convergence que les vents alizes d’ ERA-interim

meme signature tesserale de maree dans ASCAT et dans QSCAT

be) QuikSCAT- ERA cf) ASCAT - ERA

Sidereal year = 365.2564 daysTropical year = 365.2422 daysAnomalistic = 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)

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

OAM_courants simulés par NEMO forcé par CORE2 (QSCAT clim depuis 1949)

+2.4 +0.4

-1.2

ECCO: MeanTotal Current (x, y, z) = -1.0 +0.7 +9.6 Vertical scale 0.7 0.5 1.4

+6.0

+10.5

+0.2

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

haut: Climatologie OAM_courants simulés par NEMO forcé par CORE2 ou par ERA

+0.25

+0.3

-0.4 -1.0

+1.0

-0.3

CORE= -0.4 +1.0 +8.0 ERA = -1.1 +0.9 +12.0

-0.7

-1.4

+10.4

+9.0+0.35

+0.85

NCEP= -1.0 +0.6 +9.6 TPJ = -1.0 +0.6 +9.6

bas: Climatologie OAM_courants simulés par ECCO forcé par NCEP ou/et TPJ

OAM_courants simulés par ECCO (with TPJ) et NEMO (Mercator Psy2v3)

OAM_masse simulés par ECCO (corrigé Greatbatch) et Psy2v3 (correction apres run R. Gross)

OAM_masse simulés par NEMO forcé par ERAinterim mass = 0 (+12mm annuel), no sel restoring

586

553

ECCO: MeanTotal masse (x, y, z) = 135 612 102 421 2 939 708 Vertical scale 4 4 4

9744

9749

581

NEMO_ERA simulates values close to ECCOMeanTotal masse (x, y, z) = 135 554 104 583 2 939 746 Vertical scale 2 5 5

555

Units = 10 24 kg*m 2 /s