Impacto de la asimilación de observaciones costeras en un modelo de predicción oceánico de alta resolución

Abstract

[eng] Operational Oceanography can be defined as the systematic routine collection of oceanic data and its interpretation for decision making. This research field has greatly evolved in the last decades, due to the exponential growth of the computational capabilities and the development of a global ocean observing system, which includes global remote sensed observations from satellites, multiple in-situ platforms, and highresolution observations from newly developed coastal platforms. Within this context, the objective of this Thesis is to evaluate the impact of new coastal observing datasets in a high-resolution ocean circulation model, the WMOP (Western Mediterranean Operational System), using data assimilation (DA). DA is a powerful approach to merge observations and models in an optimal way to forecast ocean circulation as realistically as possible. A Local Multimodel Ensemble Optimal Interpolation data assimilation scheme is embedded in the WMOP system and configured to be able to ingest both large scale data all over the domain and high-resolution local observations. The study focuses on the Western Mediterranean Sea, an important biological and economical region exposed to strong anthropogenic pressure, where reliable forecasting models are crucial for the management of the coastal systems. Three different experiments are developed, where the impact of glider fleet observations, dense CTD survey and high-frequency radars (HFR) measurements is evaluated. First, we compare the performance of the DA system when using CTD versus a fleet of 8 gliders sampling a coastal area during the REP14 campaign, west of Sardinia. Several simulations assimilating CTDs or different number of gliders, in addition to generic observing sources (satellite sea level anomalies, surface temperature, and Argo profiles) are presented. The simulations were evaluated using independent data from CTD casts and a Scanfish gathered during the last part of the campaign. Results show that the assimilation of generic observing sources only, helps to represent the observed ocean state better. Adding high-resolution local data from the campaign further increases the performance. The error between model and observations decreases as we increment the number of gliders sampling the area, with the best performance achieved when using eight-gliders, with a 40% error reduction. These results are similar to the ones obtained with the assimilation of 10 km spaced CTDs. Glider platforms, which can operate in all weather conditions, or in regions inaccessible to research vessels, and with a reduced cost, are demonstrated to be a very good alternative to the traditional ship-based campaigns. Next, we evaluated the capacity of HFR observations to correct surface currents in the Ibiza Channel. Six different simulations were run, exploring different datasets and initialization methods after the analysis. In particular, the performance of whether using radial or total HFR observations together with generic observing sources is investigated. A set of 13 drifters deployed in the region are used for an independent validation, comparing the mean distance between the floats and the trajectory of virtual particles generated from the different simulations. The assimilation of satellite sea level anomalies, surface temperature, and Argo profiles helps to better represent the currents in the area. This performance is further improved when including HFR observations. The best results are obtained using reconstructed total current observations, reducing by 53% the average separation distance between drifters and virtual particles after the first 48 hours of simulation compared to the control run without assimilation. Finally, an Observing System Simulation Experiment (OSSE) is performed to evaluate the potential impact of two future antennas in the Ibiza Channel HFR system. The two antennas would expand the actual coverage, providing surface currents observations in the whole channel. In the OSSE framework, a Nature Run (NR) simulation is used to represent the real ocean state, and pseudo-observations are extracted from it. To validate this framework, we first perform an OSSE using the same observation dataset as the real observation experiment from the previous Chapter. The pseudo-observations generated and the assessment of the impact on the simulations are consistent with the real observations experiment. The impact of the two new antennas is then evaluated in two one-month-long periods with different dynamical conditions. The impact is relatively small with the typical flow regime, due to the similarity of the NR and control run. In specific periods where the simulations present larger differences, expanding the coverage results in a 19% error reduction with respect to the use of HFR observations from the actual system. Furthermore, we demonstrate that the assimilation of HFR observations helps to better recreate the Lagrangian Coherent Structures present in the NR, improving the representation of the ocean dynamics and the transport processes in the area. Overall, in this Thesis we have demonstrated the importance of combining new high resolution coastal observing systems with traditional ones, to help constrain the circulation in a regional ocean model and enhance its forecast capabilities.

[cat] L’Oceanografia operacional es pot definir com la recol·lecci´o cont´ınua i sistem`atica d’observacions en l’oce`a per al seu tractament, an`alisi i interpretaci´o per a la presa de decisions. Aquest camp de recerca ha experimentant una gran evoluci´o en les ´ultimes d`ecades, gr`acies al creixement exponencial de les capacitats computacionals i al desenvolupament del sistema global d’observacions, que inclou dades de teledetecci´o provinents de sat`el·lits, diferents plataformes in-situ i noves fonts d’observaci´o d’alta resoluci ´o en zones costaneres. L’objectiu principal d’aquesta tesi ´es avaluar l’impacte de les dades mesurades per nous sistemes d’observaci´o costaners en un model regional de circulaci´o oce`anica mitjanc¸ant assimilaci´o de dades, per a millorar les seves prediccions. L’assimilaci´o de dades s´on ´es el un conjunt de t`ecniques estad´ıstiques que pretenen emprar de manera `optima la informaci´o procedent de models i observacions per tal dea millorar les prediccions i fer-les el m´es realistes possibles. El model emprat ´es el WMOP (Western Mediterranean Operational System), que incorpora un esquema seq¨uencial d’assimilaci´o de dades (Local Multimodel Ensemble Optimal Interpolation) configurat per a ser capac¸ d’assimilar tant observacions de llarga escala en tot el domini, com a dades d’alta resoluci´o en una ´unica part d’aquest. El nostre estudi est`a centrat en el Mediterrani occidental, regi´o d’un important gran valor biol`ogic i econ`omic, sotmesa a una gran pressi´o antropog`enica, la qual cosa emfatitza la necessitat de desenvolupar models de predicci´o operacionals fiables que ajudin en la gesti´o sostenible de les costes i mars. Al llarg d’aquesta tesi es presenten tres experiments diferents en els quals s’avalua l’impacte d’observacions provinents de planadors submarins (gliders), mostrejos CTD i corrents superficials mesures amb radars d’alta freq¨u`encia (HFR, per les seves sigles en angl`es). Primer es compara l’impacte en el model entre assimilar dades de CTD o d’una ix flota de gliders, aprofitant a campanya oceanogr`afica REP14, desenvolupada en 2014 al litoral oest de Sardenya. Durant la campanya 8 gliders van mostrejar la zona viatjant en paral·lel, alhora que dos vaixells realitzaven estacions de mesura de perfils de CTD en la mateixa `area. Aqu´ı es presenten els resultats de diferents simulacions en les quals s’assimilen dades o b´e de CTD o b´e de diferent n´umero de gliders, en tots dos casos juntament amb dades gen`eriques (altimetria i de temperatura superficial provinents de sat`el·lit i perfils de boies Argo). Les simulacions han estat avaluades amb dades independents de CTD i Scanfish, recollits durant l’´ultima part de la campanya. Els resultats mostren com, amb l’assimilaci´o ´unicament de les dades gen`eriques s’aconsegueix una millora en les prediccions i que aquesta millora ´es encara major quan s’empren, a m´es, dades de la campanya. Es va observar que l’error entre les observacions i el model disminueix a mesura que utilitzem m´es gliders per a mostrejar la zona, aconseguint fins a un 40% de reducci´o de l’error en emprar 8 gliders. Aquests resultats s´on molt similars als obtinguts en assimilar els perfils CTD, espaiats cada 10 km. Es demostra, per tant, que els gliders s´on una gran alternativa a les tradicionals campanyes en vaixells, en poder operar sota qualsevol estat de mar i en zones inaccessibles per als vaixells, reduint a m´es els costos. A continuaci´o, s’avalua la capacitat les observacions de HFR per a corregir la predicci´o dels corrents superficials en el canal d’Eivissa. Es presenten sis simulacions diferents, en les quals s’empren diferents tipus d’observacions i diferents m`etodes de reinicialitzaci´o del model despr´es de l’an`alisi. En concret, s’avalua la difer`encia entre emprar observacions radials o totals (u-v) de HFR, totes dues assimilades juntament amb dades gen`eriques. Emprem 13 boies de deriva (drifters) llanc¸ades en la zona per a validar l’experiment, comparant la distancia mitjana entre les boies i part´ıcules virtuals, que generem per a cada simulaci´o. La representaci´o dels corrents superficials en la zona millora ja solament amb la utilitzaci´o d’observacions gen`eriques i ´es encara millor quan incloem, a m´es, mesures de HFR. Els millors resultats s´on obtinguts per a la simulaci´o que empra observacions totals, disminuint en un 53% la distancia mitjana entre drifters i boies virtuals transcorregudes 48 hores. Finalment s’avalua l’impacte que suposaria la instal·laci´o de dues noves antenes en el canal d’Eivissa. Les noves antenes en el costat occidental del canal ampliarien la cobertura actual, proporcionant aix´ı mesurades de corrents superficials en tot el canal. Aix`o es realitza mitjanc¸ant el que es coneix com un experiment de simulaci´o de sistema d’observaci´o (OSSE, en angl`es). En el marc OSSE s’empra una simulaci´o anomenada Nature Run (NR), la qual ´es considerada com una representaci´o realista de l’oce`a i que emprarem per a simular pseudo-observacions. Per a validar el marc OSSE primer realitzem un experiment id`entic a l’experiment real del cap´ıtol anterior, per`o usant observacions virtuals. Tant les pseudo-observacions generades, com l’impacte d’aquestes en el model, s´on consistents amb els resultats de l’experiment previ de refer`encia. L’impacte de les noves antenes ´es avaluat en dos per´ıodes de temps diferents, amb diferents condicions din`amiques. Sota el r`egim t´ıpic de circulaci´o, l’impacte ´es relativament baix, a causa de la semblanc¸a que presenta el NR i la simulaci´o de control. No obstant aix`o, quan la difer`encia entre aquestes simulacions ´es m´es evident, l’´us d’observacions del futur sistema HFR pot arribar a disminuir l’error de les prediccions en un 19%, comparat amb l’´us ´unicament de dades de les antenes actuals. A m´es, en aquest cap´ıtol vam demostrar com l’assimilaci´o de dades pot ajudar a recrear les estructures coherents Lagrangianes (LCS) presents en el NR, millorant aix´ı les din`amiques i els processos de transport en la zona. En general, en aquesta tesi es demostra la import`ancia de combinar sistemes d’observaci´o de dades costaneres d’alta resoluci´o amb fonts d’observaci´o m´es tradicionals, ajudant a millorar les prediccions dels models regionals.

[spa] La Oceanograf´ıa operacional se puede definir como la recolecci´on continua y sistem ´atica de observaciones en el oc´eano para su tratamiento, an´alisis e interpretaci´on para la toma de decisiones. Este campo de investigaci´on ha evolucionado enormemente en las ´ultimas d´ecadas, gracias al crecimiento exponencial de las capacidades computacionales y al desarrollo del sistema global de observaciones, que incluye datos de teledetecci´on provenientes de sat´elites, diferentes plataformas in-situ y nuevas fuentes de observaci´on de alta resoluci´on en zonas costeras. El objetivo principal de esta tesis es evaluar el impacto de los datos medidos por nuevos sistemas de observaci´on costeros en un modelo regional de circulaci´on oce´anica mediante asimilaci´on de datos. La asimilaci ´on de datos son un conjunto de t´ecnicas estad´ısticas que pretenden emplear de forma ´optima la informaci´on procedente de modelos y observaciones para mejorar las predicciones y hacerlas lo m´as realistas posibles. El modelo empleado es el WMOP (Western Mediterranean Operational System), el cual tiene incorporado un esquema secuencial de asimilaci´on de datos (Local Multimodel Ensemble Optimal Interpolation) configurado para ser capaz de asimilar tanto observaciones de larga escala en todo el dominio, como datos de alta resoluci´on en una ´unica parte de este. El estudio est´a centrado en el Mediterr´aneo occidental, una regi´on de un importante valor biol´ogico y econ´omico, expuesta a una gran presi´on antropog´enica, lo que enfatiza la necesidad de desarrollar modelos de predicci´on operacionales fiables que ayuden en la gesti´on sostenible de las costas y mares. A lo largo de esta tesis se presentan tres experimentos distintos en los que se eval´ua el impacto de observaciones provenientes de planeadores submarinos (gliders), muestreos CTD y corrientes superficiales medidas con radares de alta frecuencia (HFR, por sus siglas en ingl´es). Primero se compara el impacto en el modelo entre asimilar datos de CTD o de una v flota de gliders, aprovechando a campa˜na oceanogr´afica REP14, desarrollada en 2014 frente a la costa oeste de Cerde˜na. Durante la campa˜na 8 gliders muestrearon la zona viajando en paralelo, a la vez que dos buques realizaban estaciones de medida de perfiles de CTD en el mismo ´area. Aqu´ı se presentan los resultados de distintas simulaciones en las que se asimilan datos o bien de CTD o bien de distinto n´umero de gliders, en ambos casos junto con datos gen´ericos (altimetr´ıa y de temperatura superficial provenientes de sat´elite y perfiles de boyas Argo). Las simulaciones han sido evaluadas con datos independientes de CTD y Scanfish, recogidos durante la ´ultima parte de la campa˜na. Los resultados muestran como, con la asimilaci´on ´unicamente de los datos gen´ericos se consigue una mejor´ıa en las predicciones y que esta mejor´ıa es a´un mayor cuando se emplean, adem´as, datos de la campa˜na. Se observ´o que el error entre las observaciones y el modelo disminuye a medida que utilizamos m´as gliders para muestrear la zona, logrando hasta un 40% de reducci´on del error al emplear 8 gliders. Estos resultados son muy similares a los obtenidos al asimilar los perfiles CTD, equiespaciados 10 km. Se demuestra, por tanto, que los gliders son una gran alternativa a las tradicionales campa˜nas en buques, al poder operar bajo cualquier estado de mar y en zonas inaccesibles para los barcos, reduciendo adem´as los costes. A continuaci´on, se eval´ua la capacidad las observaciones de HFR para corregir la predicci´on de las corrientes superficiales en el canal de Ibiza. Se presentan seis simulaciones distintas, en las que se emplean distintos tipos de observaciones y diferentes m´etodos de reinicializaci´on del modelo despu´es del an´alisis. En concreto, se eval´ua la diferencia entre emplear observaciones radiales o totales (u-v) de HFR, ambas asimiladas junto con datos gen´ericos. Empleamos 13 boyas de deriva (drifters) lanzadas en la zona para validar el experimento, comparando la distancia promedio entre las boyas y part´ıculas virtuales, que generamos para cada simulaci´on. La representaci´on de las corrientes superficiales en la zona mejora ya solamente con la utilizaci´on de observaciones gen´ericas y es a´un mejor cuando incluimos, adem´as, medidas de HFR. Los mejores resultados son obtenidos para la simulaci´on que emplea observaciones totales, disminuyendo en un 53% la distancia promedio entre drifters y boyas virtuales transcurridas 48 horas. Finalmente se eval´ua el impacto que supondr´ıa la instalaci´on de dos nuevas antenas en el canal de Ibiza. Las nuevas antenas en el lado occidental del canal ampliar´ıan la cobertura actual, proporcionando as´ı medidas de corrientes superficiales en todo el canal. Ello se realiza mediante lo que se conoce como un experimento de simulaci´on de sistema de observaci´on (OSSE, en ingl´es). En el marco OSSE se emplea una simulaci´on llamada Nature Run (NR), la cual es considerada como una representaci´on realista del oc´eano y que emplearemos para simular pseudo-observaciones. Para validar el marco OSSE primero realizamos un experimento id´entico al experimento real del cap´ıtulo anterior, pero usando observaciones virtuales. Tanto las pseudo-observaciones generadas, como el impacto de estas en el modelo, son consistentes con los resultados del experimento previo de referencia. El impacto de las nuevas antenas es evaluado en dos periodos de tiempo distintos, con diferentes condiciones din´amicas. Bajo el r´egimen t´ıpico de circulaci´on, el impacto es relativamente bajo, debido a la semejanza que presenta el NR y la simulaci´on de control. Sin embargo, cuando la diferencia entre estas simulaciones es m´as evidente, el empleo de observaciones del futuro sistema HFR puede llegar a disminuir el error de las predicciones en un 19%, comparado con el uso ´unicamente de datos de las antenas actuales. Adem´as, en este cap´ıtulo demostramos como la asimilaci ´on de datos puede ayudar a recrear las estructuras coherentes Lagrangianas (LCS) presentes en el NR, mejorando as´ı las din´amicas y los procesos de transporte en la zona. En general, en esta tesis se demuestra la importancia de combinar sistemas de observaci ´on de datos costeros de alta resoluci´on con fuentes de observaci´on m´as tradicionales, ayudando a mejorar las predicciones de los modelos regionales.