Assimilation par filtrage de Kalman de données altimétriques dans un modèle linéaire de l'océan Atlantique tropical PDF Download
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Nous allons disposer, grace aux lancements des nouveaux satellites d'observation de la terre comme ers1 et topex/poseidon, d'un nombre important d'observations qui doit permettre de suivre l'evolution des oceans. Pour utiliser au mieux ces donnees, il est indispensable de les coupler a des modeles dynamiques a l'aide de techniques d'assimilation performantes. Ce travail a considere a developper, sur l'atlantique tropical, un filtre de kalman pour l'assimilation des donnees altimetriques geosat dans un modele dynamique lineaire. Ainsi, pour la premiere fois, un filtre de kalman complet, faisant intervenir un vecteur d'etat de dimension importante (de l'ordre de 5000) est mis en place de facon a permettre son utilisation de maniere quasi operationnelle (1 mois d'assimilation=7 heures de cray2). Le modele utilise, le traitement des donnees altimetriques ainsi que le choix du filtre sont explicites dans la premiere partie de la these. Dans la deuxieme partie, sont presentes une validation de l'algorithme et differents tests de sensibilite et de comportement du filtre a l'assimilation trace par trace (correspondant au passage du satellite au-dessus du bassin) d'observations simulees. Enfin, l'assimilation des donnees altimetriques geosat est effectuee pendant deux saisons (ete, hiver), fournissant un premier resultat oceanographique qui est compare a ceux obtenus soit par analyse objective des donnees altimetriques seules, soit par differents modeles
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Nous allons disposer, grace aux lancements des nouveaux satellites d'observation de la terre comme ers1 et topex/poseidon, d'un nombre important d'observations qui doit permettre de suivre l'evolution des oceans. Pour utiliser au mieux ces donnees, il est indispensable de les coupler a des modeles dynamiques a l'aide de techniques d'assimilation performantes. Ce travail a considere a developper, sur l'atlantique tropical, un filtre de kalman pour l'assimilation des donnees altimetriques geosat dans un modele dynamique lineaire. Ainsi, pour la premiere fois, un filtre de kalman complet, faisant intervenir un vecteur d'etat de dimension importante (de l'ordre de 5000) est mis en place de facon a permettre son utilisation de maniere quasi operationnelle (1 mois d'assimilation=7 heures de cray2). Le modele utilise, le traitement des donnees altimetriques ainsi que le choix du filtre sont explicites dans la premiere partie de la these. Dans la deuxieme partie, sont presentes une validation de l'algorithme et differents tests de sensibilite et de comportement du filtre a l'assimilation trace par trace (correspondant au passage du satellite au-dessus du bassin) d'observations simulees. Enfin, l'assimilation des donnees altimetriques geosat est effectuee pendant deux saisons (ete, hiver), fournissant un premier resultat oceanographique qui est compare a ceux obtenus soit par analyse objective des donnees altimetriques seules, soit par differents modeles
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NOUS ALLONS DISPOSER, GRACE AUX LANCEMENTS DES NOUVEAUX SATELLITES D'OBSERVATION DE LA TERRE COMME ERS1 ET TOPEX/POSEIDON, D'UN NOMBRE IMPORTANT D'OBSERVATIONS QUI DOIT PERMETTRE DE SUIVRE L'EVOLUTION DES OCEANS. POUR UTILISER AU MIEUX CES DONNEES, IL EST INDISPENSABLE DE LES COUPLER A DES MODELES DYNAMIQUES A L'AIDE DE TECHNIQUES D'ASSIMILATION PERFORMANTES. CE TRAVAIL A CONSIDERE A DEVELOPPER, SUR L'ATLANTIQUE TROPICAL, UN FILTRE DE KALMAN POUR L'ASSIMILATION DES DONNEES ALTIMETRIQUES GEOSAT DANS UN MODELE DYNAMIQUE LINEAIRE. AINSI, POUR LA PREMIERE FOIS, UN FILTRE DE KALMAN COMPLET, FAISANT INTERVENIR UN VECTEUR D'ETAT DE DIMENSION IMPORTANTE (DE L'ORDRE DE 5000) EST MIS EN PLACE DE FACON A PERMETTRE SON UTILISATION DE MANIERE QUASI OPERATIONNELLE (1 MOIS D'ASSIMILATION=7 HEURES DE CRAY2). LE MODELE UTILISE, LE TRAITEMENT DES DONNEES ALTIMETRIQUES AINSI QUE LE CHOIX DU FILTRE SONT EXPLICITES DANS LA PREMIERE PARTIE DE LA THESE. DANS LA DEUXIEME PARTIE, SONT PRESENTES UNE VALIDATION DE L'ALGORITHME ET DIFFERENTS TESTS DE SENSIBILITE ET DE COMPORTEMENT DU FILTRE A L'ASSIMILATION TRACE PAR TRACE (CORRESPONDANT AU PASSAGE DU SATELLITE AU-DESSUS DU BASSIN) D'OBSERVATIONS SIMULEES. ENFIN, L'ASSIMILATION DES DONNEES ALTIMETRIQUES GEOSAT EST EFFECTUEE PENDANT DEUX SAISONS (ETE, HIVER), FOURNISSANT UN PREMIER RESULTAT OCEANOGRAPHIQUE QUI EST COMPARE A CEUX OBTENUS SOIT PAR ANALYSE OBJECTIVE DES DONNEES ALTIMETRIQUES SEULES, SOIT PAR DIFFERENTS MODELES
Author: Bernard Bourles Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Une methode d'analyse optimale a ete developpee afin d'assimiler des donnees de hauteur dynamique (topographie de la surface de l'ocean) dans un modele de l'ocean atlantique tropical a la physique simplifiee (lineaire a trois modes verticaux). La methode repose sur une minimisation globale des ecarts quadratiques entre les observations et leurs equivalents correspondants du modele, en accord avec les echelles caracteristiques des champs analyses. Des experiences effectuees avec les donnees simulees, issues d'un modele aux equations primitives, ont montre que les assimilations sont partout efficaces excepte dans les regions est-equatoriales. Ces regions sont fortement perturbees par des ondes de kelvin equatoriales generees par les assimilations quand les differences entre les observations et les resultats du modele sont importantes. Si les donnees de hauteur dynamique sont remplacees par leurs anomalies, les champs sont modifies de facon insignifiante dans la bande equatoriale, le rapport signal/bruit y etant relativement faible. Les structures des champs sont cependant bien corrigees hors de cette region. Une experience d'assimilations de donnees reelles (champs d'anomalies de hauteur dynamique obtenus a partir des mesures altimetriques du satellite geosat) a egalement ete effectuee, conduisant a des conclusions similaires
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UNE METHODE D'ANALYSE OPTIMALE A ETE DEVELOPPEE AFIN D'ASSIMILER DES DONNEES DE HAUTEUR DYNAMIQUE (TOPOGRAPHIE DE LA SURFACE DE L'OCEAN) DANS UN MODELE DE L'OCEAN ATLANTIQUE TROPICAL A LA PHYSIQUE SIMPLIFIEE (LINEAIRE A TROIS MODES VERTICAUX). LA METHODE REPOSE SUR UNE MINIMISATION GLOBALE DES ECARTS QUADRATIQUES ENTRE LES OBSERVATIONS ET LEURS EQUIVALENTS CORRESPONDANTS DU MODELE, EN ACCORD AVEC LES ECHELLES CARACTERISTIQUES DES CHAMPS ANALYSES. DES EXPERIENCES EFFECTUEES AVEC LES DONNEES SIMULEES, ISSUES D'UN MODELE AUX EQUATIONS PRIMITIVES, ONT MONTRE QUE LES ASSIMILATIONS SONT PARTOUT EFFICACES EXCEPTE DANS LES REGIONS EST-EQUATORIALES. CES REGIONS SONT FORTEMENT PERTURBEES PAR DES ONDES DE KELVIN EQUATORIALES GENEREES PAR LES ASSIMILATIONS QUAND LES DIFFERENCES ENTRE LES OBSERVATIONS ET LES RESULTATS DU MODELE SONT IMPORTANTES. SI LES DONNEES DE HAUTEUR DYNAMIQUE SONT REMPLACEES PAR LEURS ANOMALIES, LES CHAMPS SONT MODIFIES DE FACON INSIGNIFIANTE DANS LA BANDE EQUATORIALE, LE RAPPORT SIGNAL/BRUIT Y ETANT RELATIVEMENT FAIBLE. LES STRUCTURES DES CHAMPS SONT CEPENDANT BIEN CORRIGEES HORS DE CETTE REGION. UNE EXPERIENCE D'ASSIMILATIONS DE DONNEES REELLES (CHAMPS D'ANOMALIES DE HAUTEUR DYNAMIQUE OBTENUS A PARTIR DES MESURES ALTIMETRIQUES DU SATELLITE GEOSAT) A EGALEMENT ETE EFFECTUEE, CONDUISANT A DES CONCLUSIONS SIMILAIRES
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L'OBJECTIF PRINCIPAL DE CE TRAVAIL EST D'APPLIQUER UNE VERSION EVOLUTIVE ET DE RANG REDUIT DU FILTRE DE KALMAN POUR L'ASSIMILATION DE DONNEES DANS UN MODELE AUX EQUATIONS PRIMITIVES. LA CONFIGURATION PHYSIQUE DE CES EXPERIENCES A ETE CHOISIE POUR REPRESENTER LES PROCESSUS CARACTERISTIQUES DE LA DYNAMIQUE AUX LATITUDES MOYENNES, C'EST-A-DIRE, LA CIRCULATION INERTIELLE, FONDAMENTALEMENT INSTABLE, AVEC LE DEVELOPPEMENT DE TOURBILLONS DE MESO-ECHELLE. UN EXEMPLE DE CETTE CIRCULATION EST LE GULF STREAM DANS L'OCEAN ATLANTIQUE NORD. NOUS AVONS ABORDE L'ETUDE DES PERFORMANCES DE TROIS TECHNIQUES D'ASSIMILATION (LE NUDGING, LA METHODE ADJOINTE ET LE FILTRE DE KALMAN) POUR LA RECONSTRUCTION DE LA CIRCULATION OCEANIQUE A PARTIR D'OBSERVATIONS ALTIMETRIQUES ET DE MODELES A HAUTE RESOLUTION SPATIALE (RESOLVANT LES TOURBILLONS). DANS CE CONTEXTE, NOUS NOUS SOMMES INTERESSES AUX OBSERVATIONS DE L'ALTIMETRE SATELLITAIRE PARCE QU'ELLES REPRESENTENT, ACTUELLEMENT, LES SEULES MESURES GLOBALES ET QUASI-SYNOPTIQUES, DIRECTEMENT LIEES A LA DYNAMIQUE (DE LA SURFACE) OCEANIQUE AUX GRANDES ET MOYENNES ECHELLES.
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LE FILTRE DE KALMAN EST UNE METHODE D'ASSIMILATION DE DONNEES DONT L'UTILISATION SE REPAND DANS LE DOMAINE DE L'OCEANOGRAPHIE. CETTE METHODE FOURNIT LE MEILLEUR ESTIMATEUR LINEAIRE NON BIAISE SI LES STATISTIQUES DU BRUIT DES OBSERVATION ET DU MODELE SONT CONNUES. EN REALITE, CETTE HYPOTHESE EST RAREMENT VERIFIEE, ET L'UTILISATION D'UN FILTRE ADAPTATIF PERMET D'ESTIMER CONJOINTEMENT L'ETAT DU MODELE ET LE BRUIT. NOUS AVONS COMPARE DIFFERENTS SCHEMAS ADAPTATIFS ISSUS DU CONTROL OPTIMAL ET NOUS LES AVONS TESTES A PARTIR D'EXPERIENCES JUMELEES EN ASSIMILANT DANS UN MODELE DE L'OCEAN PACIFIQUE TROPICAL DES DONNEES SIMULEES DE NIVEAU DE LA MER. NOUS AVONS MIS AU POINT UNE PROCEDURE ADAPTATIVE POUR LE MODELE EN COORDONNEES REDUITES, LA DIMENSION DU VECTEUR D'ETAT NE PERMETTANT PAS D'IMPLANTER LE FILTRE ADAPTATIF SUR L'ESPACE COMPLET. LE SCHEMA ADAPTATIF A ENSUITE ETE MODIFIE POUR S'AFFRANCHIR DES HYPOTHESES GENERALEMENT ADMISES SUR LE BRUIT, I.E. BRUIT BLANC ET DE MOYENNE NULLE. NOUS AVONS MONTRE COMMENT PRENDRE EN COMPTE DES ERREURS D'OBSERVATION OU DU MODELE AUTO-CORRELEES ET DES ERREURS MODELE BIAISEES. LE FILTRE A ALORS ETE APPLIQUE A DES DONNEES REELLES CE QUI A PERMIS MONTRER COMMENT LA PROCEDURE ADAPTATIVE POUVAIT AMELIORER LES PREVISIONS ISSUES DU FILTRAGE.
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L'objectif de ce travail est d'estimer les apports d'une topographie dynamique moyenne (MDT) déduite des données gravimétriques GRACE, pour la reconstruction de la circulation océanique du Pacifique Tropical par assimilation de données. Les récentes avancées de notre connaissance du géoïde nous ont conduit à étudier l'impact de l'utilisation d'un signal altimétrique absolu. Un modèle (OPA) de l'Océan Pacifique Tropical, où des observations in-situ et quasi-synoptiques sont disponibles (réseau TAO), et un filtre de Kalman en rang réduit (SEEK) ont été mis au point et utilisés dans différentes configurations. La première suppose une situation pré-GRACE et utilise une MDT artificielle. La deuxième utilise une MDT observée déduite du géoïde GRACE. Conjointement à l'altimétrie, les profils de température TAO sont assimilés. Ce travail montre l'importance d'une bonne référence pour les résidus altimétriques. Le résultat le plus important concerne la capacité du système d'assimilation utilisant GRACE à mieux composer avec des données mixtes: satellites et in-situ. Ici, l'assimilation conjointe d'altimétrie et de données TAO est plus performante grâce à la meilleure compatibilité des données. En outre, une analyse physique, qui considère l'apport de l'assimilation à l'amélioration de la représentation de la dynamique du Pacifique Tropical, a été conduite. L'originalité de ce travail est de montrer comment l'assimilation contribue à améliorer notre compréhension des mécanismes physiques en action dans ce bassin. De manière intéressante et rétrospective, cette analyse révèle aussi une zone (8°N) où les données GRACE semblent avoir des faiblesses qu'il serait judicieux de corriger
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Ce travail de thèse a pour objectif d'évaluer l'apport des données altimétriques satellitaires sur le contrôle des circulations océaniques dans l'océan Atlantique Tropical par assimilation de données. Une méthode d'Expériences de Simulations de Systèmes d'Observations (OSSE) a été appliquée en expériences jumelles avec le modèle de circulation océanique NEMO dans une configuration emboîtée d'une résolution spatiale de 0.25°. Ces expériences ont été réalisées, de manière distinctes, pour deux phénomènes marquants de l'Atlantique Tropical : les ondes tropicales d'instabilités (TIW) et les tourbillons associés au courant du Brésil (NBC). Nous avons testé différents systèmes satellitaires, comprenant des satellites existants (JASON-1, JASON-2, ou ENVISAT ...), des satellites programmés (SARAL) ou encore en projet tels que SWOT. Pour ces derniers, différentes options d'orbites ont été envisagées. Les principaux résultats obtenus ont montré que si un seul satellite est suffisant pour contrôler la propagation des TIW et des tourbillons du NBC, un système multi-satellitaire est nécessaire pour corriger avec précision leur structure verticale. Certaines orbites se sont révélées plus favorables que d'autres pour corriger l'un des deux phénomènes, et l'existence de critères d'échantillonnage spécifiques (cycle de répétitivité, sous-cycles) est apparue comme déterminante. Enfin, les apports de l'atimétrie à large fauchée (qui devrait être opérationnelle dans quelques années) ont été mis clairement en évidence.
Author: Nicolas Freychet Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Le filtre de Kalman est largement utilisé pour l'assimilation de données en océanographie opérationnelle, notamment dans le cadre de prévisions. Néanmoins, à l'heure où les applications de l'assimilation de données tendent à se diversifier, notamment avec les réanalyses, la formulation tridimensionnelle (3D) du filtre n'utilise pas de façon optimale les observations. L'extension de ces méthodes 3D (filtre) à une formulation 4D (appelés lisseurs), permet de mieux tirer partie des observations en les assimilant de façon rétrograde. Nous étudions dans cette thèse la mise en place et les effets d'un lisseur de rang réduit sur les réanalyses, dans le cadre d'une configuration réaliste de la circulation océanique en Atlantique tropical. Ce travail expose dans un premier temps les aspects sensibles mais nécessaires de l'implémentation du lisseur, avec notamment la paramétrisation des statistiques d'erreur et leur évolution temporelle. Les apports du lissage sur les réanalyses sont ensuite étudiés, en comparant la qualité de la solution lissée par rapport à la solution filtrée. Ces résultats permettent d'exposer les bienfaits d'une assimilation 4D. On observe notamment une diminution de l'erreur globale de environ 15% sur les variables assimilées, ainsi qu'une bonne capacité du lisseur à fournir une solution cohérente avec la dynamique de référence. Ce point est illustré par le rephasage de certaines structures sensibles comme les anneaux du Brésil. Enfin, un cas moins en accord avec la théorie mais plus facile à mettre en pratique (et plus souvent utilisé dans les centres opérationnels), l'interpolation optimale, a permis d'étudier les apports du lissage et ses limites dans une telle configuration. L'évolution temporelle des erreurs pour le lissage s'est ainsi révélée nécessaire pour garder un maximum de cohérence avec les erreurs réelles. Néanmoins, le lisseur montre tout de même des résultats encourageant avec l'interpolation optimale en abaissant le niveau global d'erreur (de 10 à 15%).
Author: Lionel Gourdeau
Author: Lionel Gourdeau
Author: Lionel Gourdeau
Author: Bernard Bourles
Author: BERNARD.. BOURLES
Author: 
Author: JOAQUIN.. BALLABRERA
Author: ISABELLE.. BLANCHET BADRINATH
Author: Frédéric Castruccio
Author: Clément Ubelmann
Author: Nicolas Freychet