Assimilation variationnelle de données tomographiques simulées dans des modèles de circulation océanique PDF Download

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Author: Elisabeth Rémy (océanographe).)
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La tomographie acoustique oceanique est une technique d'exploration acoustique de l'interieur de l'ocean. Elle donne acces a des mesures integrales de temperature et de vitesse. L'analyse de ces donnees par inversion permet d'estimer l'evolution temporelle du contenu thermique le long des sections d'observation, mais leur caractere integral limite la resolution spatiale. L'objet de cette these est l'etude de l'impact sur l'estimation de la circulation oceanique de l'assimilation dans un modele numerique de telles observations. Pour simuler les observations, nous nous sommes places dans le cas d'un reseau comparable a celui deploye dans le bassin mediterraneen occidental pour l'experience thetis 2. Cette approche, dite par experiences jumelles, permet de connaitre exactement l'influence des donnees par comparaison du resultat apres assimilation avec la solution connue du modele dont elles sont issues. Nous avons ainsi montre, avec un modele quasi-geostrophique, que la tomographie apporte une contrainte tres efficace sur l'evolution temporelle du contenu thermique le long des sections et, par l'intermediaire de la dynamique decrite par le modele, ameliore significativement l'estimation de composantes non-directement contraintes par les observations, comme le mode barotrope. Dans le cadre d'un reseau global d'observation, la tomographie est une contrainte integrale complementaire avec des donnees ponctuelles telles qu'altimetriques. Les experiences faites avec un modele aux equations primitives constituent une premiere aproche montrant la faisabilite de l'assimilation de ce type de donnees dans un tel modele a haute resolution spatiale. Nous avons cependant deja pu montrer leur capacite a corriger un biais moyen en temperature dans les couches intermediaires et profondes de l'ocean.

Author: Élisabeth Rémy
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Pages : 203

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LA TOMOGRAPHIE ACOUSTIQUE OCEANIQUE EST UNE TECHNIQUE D'EXPLORATION ACOUSTIQUE DE L'INTERIEUR DE L'OCEAN. ELLE DONNE ACCES A DES MESURES INTEGRALES DE TEMPERATURE ET DE VITESSE. L'ANALYSE DE CES DONNEES PAR INVERSION PERMET D'ESTIMER L'EVOLUTION TEMPORELLE DU CONTENU THERMIQUE LE LONG DES SECTIONS D'OBSERVATION, MAIS LEUR CARACTERE INTEGRAL LIMITE LA RESOLUTION SPATIALE. L'OBJET DE CETTE THESE EST L'ETUDE DE L'IMPACT SUR L'ESTIMATION DE LA CIRCULATION OCEANIQUE DE L'ASSIMILATION DANS UN MODELE NUMERIQUE DE TELLES OBSERVATIONS. POUR SIMULER LES OBSERVATIONS, NOUS NOUS SOMMES PLACES DANS LE CAS D'UN RESEAU COMPARABLE A CELUI DEPLOYE DANS LE BASSIN MEDITERRANEEN OCCIDENTAL POUR L'EXPERIENCE THETIS 2. CETTE APPROCHE, DITE PAR EXPERIENCES JUMELLES, PERMET DE CONNAITRE EXACTEMENT L'INFLUENCE DES DONNEES PAR COMPARAISON DU RESULTAT APRES ASSIMILATION AVEC LA SOLUTION CONNUE DU MODELE DONT ELLES SONT ISSUES. NOUS AVONS AINSI MONTRE, AVEC UN MODELE QUASI-GEOSTROPHIQUE, QUE LA TOMOGRAPHIE APPORTE UNE CONTRAINTE TRES EFFICACE SUR L'EVOLUTION TEMPORELLE DU CONTENU THERMIQUE LE LONG DES SECTIONS ET, PAR L'INTERMEDIAIRE DE LA DYNAMIQUE DECRITE PAR LE MODELE, AMELIORE SIGNIFICATIVEMENT L'ESTIMATION DE COMPOSANTES NON-DIRECTEMENT CONTRAINTES PAR LES OBSERVATIONS, COMME LE MODE BAROTROPE. DANS LE CADRE D'UN RESEAU GLOBAL D'OBSERVATION, LA TOMOGRAPHIE EST UNE CONTRAINTE INTEGRALE COMPLEMENTAIRE AVEC DES DONNEES PONCTUELLES TELLES QU'ALTIMETRIQUES. LES EXPERIENCES FAITES AVEC UN MODELE AUX EQUATIONS PRIMITIVES CONSTITUENT UNE PREMIERE APROCHE MONTRANT LA FAISABILITE DE L'ASSIMILATION DE CE TYPE DE DONNEES DANS UN TEL MODELE A HAUTE RESOLUTION SPATIALE. NOUS AVONS CEPENDANT DEJA PU MONTRER LEUR CAPACITE A CORRIGER UN BIAIS MOYEN EN TEMPERATURE DANS LES COUCHES INTERMEDIAIRES ET PROFONDES DE L'OCEAN.

Author: P. Malanotte-Rizzoli
Publisher: Elsevier
ISBN: 0080536662
Category : Science
Languages : en
Pages : 469

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The field of oceanographic data assimilation is now well established. The main area of concern of oceanographic data assimilation is the necessity for systematic model improvement and ocean state estimation. In this respect, the book presents the newest, innovative applications combining the most sophisticated assimilation methods with the most complex ocean circulation models.Ocean prediction has also now emerged as an important area in itself. The book contains reviews of scientific oceanographic issues covering different time and space scales. The application of data assimilation methods can provide significant advances in the understanding of this subject. Also included are the first, recent developments in the forecasting of oceanic flows.Only original articles that have undergone full peer review are presented, to ensure the highest scientific quality. This work provides an excellent coverage of state-of-the-art oceanographic data assimilation.

Author: D.L.T. Anderson
Publisher: Springer Science & Business Media
ISBN: 9400910134
Category : Science
Languages : en
Pages : 616

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This book which is the outcome of a NATO-Advanced Study Institute on Mod elling the Ocean Circulation and Geochemical Tracer Transport is concerned with using models to infer the ocean circulation. Understanding our climate is one of the major problems of the late twentieth century. The possible climatic changes resulting from the rise in atmospheric carbon dioxide and other trace gases are of primary interest and the ocean pla. ys a ma. jor role in determining the magnitude, temporal evolution and regional distribution of those changes. Because of the poor observational basis the ocean general circulation is not well understood. The World Ocean Circulation Experiment (WOCE) which is now underway is an attempt to improve our knowledge of ocean dynamics and thermodynamics on global scales relevant to climate change. Despite those efforts, the oceanic data base is likely to remain scarce and it is crucial to use appropriate methods in order to extract the maximum amount of information from observations. The book contains a thorough analysis of methods to combine data of val'ious types with dynamical concepts, and to assimilate data directly into ocean models. The properties of geocl;temical tracers such as HC, He, Tritium and Freons and how they may be used to impose integral constraints on the ocean circulation are discussed.

Author: Hans Emmanuel Ngodock
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Languages : fr
Pages : 205

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Le travail mené dans cette thèse porte sur l'étude "à posteriori" de l'assimilation variationnelle de données. Il s'agit d'une démarche de faisabilité pour la mise au point des outils permettant de faire une analyse diagnostique (qualitative et quantitative) du processus d'assimilation variationnelle, notamment en ce qui concerne l'influence du bruit des observations sur le processus d'assimilation ainsi que sa propagation sur les champs reconstitués (nous sommes alors amenés à faire une étude de sensibilité), et l'influence de la configuration spatio-temporelle des observations sur le processus d'assimilation. L'application usuelle des équations adjointes pour l'analyse de sensibilité est revisée, car dans le contexte de l'assimilation variationnelle, nous avons montré par un exemple simple qu'il faut s'y prendre différemment. Nous proposons alors une méthode pour mener correctement cette analyse de sensibilité. Cette méthode est basée sur l'utilisation des équations adjointes au second ordre, obtenues en prenant l'adjoint du système d'optimalité. La sensibilité en est déduite par inversion du Hessien de la fonction coût via la minimisation d'une fonctionnelle quadratique. L'application est faite sur un modèle de circulation générale océanique de type quasi-géostrophique, et nous faisons aussi l'étude de l'existence et l'unicité de la solution de l'équation adjointe au second ordre du modèle considéré, pour justifier l'utilisation du Hessien et l'applicabilité de notre méthode. Nous étudions aussi l'influence de la configuration spatio-temporelle des observations sur le processus d'assimilation au travers du Hessien (à l'optimum) dont les éléments propres varient lorsqu'on fait varier la configuration. Enfin, nous étudions la prédicibilité du système d'optimalité

Author: STEPHANE.. LOUVEL
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Languages : fr
Pages : 189

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L'ASSIMILATION DE DONNEES EN OCEANOGRAPHIE A POUR OBJECTIF D'UTILISER L'ENSEMBLE DES INFORMATIONS DISPONIBLES SUR LE SYSTEME ETUDIE POUR CONTRAINDRE LES MODELES DE PREVISION A RESTER LE PLUS PROCHE POSSIBLE D'UN ECOULEMENT REALISTE. EN COMPLEMENT INDISPENSABLE AUX MESURES IN SITU, LES MESURES ALTIMETRIQUES EFFECTUEES DEPUIS LES SATELLITES SONT DES DONNEES STRATEGIQUES POUR ETUDIER LES OCEANS. ELLES SONT L'EXPRESSION EN SURFACE DE LA DYNAMIQUE SUR TOUTE LA COLONNE D'EAU. CETTE THESE PRESENTE LA PREMIERE MISE EN UVRE DE L'ALGORITHME VARIATIONNEL DUAL A CONTRAINTE FAIBLE. CETTE NOUVELLE APPROCHE EST LA FORMULATION DUALE DE L'ALGORITHME VARIATIONNEL QUADRIDIMENSIONNEL COURAMMENT UTILISE DANS LES MODELES DE PREVISION ATMOSPHERIQUE. BASEE SUR LES TECHNIQUES DU CONTROLE OPTIMAL, SA PARTICULARITE EST DE PRENDRE EN COMPTE L'ERREUR DE MODELE SANS COUT DE CALCUL SUPPLEMENTAIRE PAR RAPPORT AU CAS OU LE MODELE SERAIT SUPPOSE PARFAIT. APRES UN BREF RAPPEL DES DIFFERENTES TECHNIQUES D'ASSIMILATION, NOUS METTONS EN EVIDENCE LES PRINCIPALES CARACTERISTIQUES DE L'ALGORITHME DUAL DANS LE CADRE DES EQUATIONS DE REACTION-DIFFUSION. FORT DE CETTE PREMIERE EXPERIENCE, NOUS APPLIQUERONS CETTE METHODE D'ASSIMILATION AUX OBSERVATIONS ALTIMETRIQUES DANS UN MODELE DE CIRCULATION OCEANIQUE. NOTRE CHOIX S'EST PORTE SUR LE MODELE AUX EQUATIONS PRIMITIVES A MESO-ECHELLE MICOM (MIAMI ISOPYCNIC COORDINATE OCEAN MODEL) DANS SA VERSION ADIABATIQUE. LORS DE LA DESCRIPTION DU MODELE, NOUS DEFINISSONS ET PROUVONS LA VALIDITE DES MODELES LINEAIRE TANGENT ET ADJOINT ASSOCIES A MICOM ET NECESSAIRES EN ASSIMILATION VARIATIONNELLE. NOS EXPERIENCES REPRESENTENT TOUT D'ABORD UNE CIRCULATION IDEALISEE DU GULF STREAM AUX LATITUDES MOYENNES. L'ETUDE DETAILLEE DE L'ALGORITHME DUAL PERMET DE VERIFIER NUMERIQUEMENT L'EQUIVALENCE AVEC L'ALGORITHME VARIATIONNEL USUEL DANS LE CAS D'UN MODELE PARFAIT. CETTE COMPARAISON SERA AUSSI MENEE POUR JUGER L'EFFICACITE DE DIFFERENTS TYPES DE PRECONDITIONNEMENT. L'ETUDE EST COMPLETEE PAR UNE ANALYSE SUR LE CONTENU INFORMATIF DES OBSERVATIONS DE SURFACE REVELANT, DANS CETTE CONFIGURATION, LE CHOIX STRATEGIQUE D'UNE PERIODE D'ASSIMILATION DE DEUX MOIS. CES EXPERIENCES ACADEMIQUES PROUVENT LE BON FONCTIONNEMENT DE L'ALGORITHME DUAL POUR L'ASSIMILATION DE DONNEES ALTIMETRIQUES ET PERMETTENT D'ENVISAGER LA MISE EN PLACE D'UNE TELLE METHODE DANS UNE CONFIGURATION PLUS REALISTE. LA DERNIERE PARTIE DE CETTE THESE PROPOSE UNE MISE EN APPLICATION AVEC DES OBSERVATIONS REELLES DES SATELLITES TOPEX/POSEIDON ET ERS-1. LA REGION DES ACORES A ETE CHOISIE POUR L'IMPORTANCE DU JEU DE DONNEES COLLECTE DURANT LA CAMPAGNE DE MESURES SEMAPHORE EN 1993. DANS CETTE CONFIGURATION, LE DOMAINE DE 1000 KM DE COTE POSSEDE DES FRONTIERES LATERALES OUVERTES QUI SONT RESOLUES DANS LE MODELE PAR UN RAPPEL NEWTONIEN AMORTI SUR LES EPAISSEURS DES COUCHES. LES RESULTATS SONT COMPARES AUX MESURES DE FLOTTEURS ET VERIFIENT QUE L'ALGORITHME DUAL REPRODUIT FIDELEMENT LA CIRCULATION DU COURANT DES ACORES. LA QUALITE DES RESULTATS SERA AUSSI DEMONTREE PAR COMPARAISON AVEC L'ASSIMILATION VARIATIONNELLE PRIMALE ET L'INTERPOLATION OPTIMALE.

Author: Pierre-Antoine Bouttier
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Un enjeu majeur des modèles océaniques est de représenter fidèlement les circulations méso- et subméso-échelles afin de simuler leur importante contribution dans la circulation générale et dans le budget énergétique de l'océan. La poursuite de cet objectif se traduit par une augmentation de la résolution spatiale et temporelle à la fois des modèles et des réseaux d'observation de l'océan. Cependant, à ces petites échelles, la dynamique de l'écoulement revêt un caractère fortement turbulent ou non-linéaire. Dans ce contexte, les méthodes actuelles d'assimilation de données (AD), variationnelles en particulier, sont généralement moins performantes que dans un contexte (quasi-) linéaire.L'objectif de cette thèse est d'explorer sous divers aspects le comportement des méthodes variationnelles d'AD dans un modèle d'océan non-linéaire. Pour ce faire, nous avons réalisé une série d'expériences dites "jumelles" en assimilant des données altimétriques simulées suivant les caractéristiques des satellites altimétriques Jason-1 et SARAL/AltiKA . À l'aide de ces expériences, nous analysons sous différents angles les problématiques posées par les non-linéarités à l'AD. Enfin, nous ouvrons plusieurs pistes d'amélioration de l'efficacité du système d'AD dans ce contexte.Ce travail est basé sur le logiciel de modélisation océanique NEMO, incluant la configuration de bassin océanique turbulent idéalisé SEABASS, à différentes résolutions spatiales. Dans la continuité de la plateforme de recherche en AD avec NEMO, NEMO-ASSIM, nous avons utilisé et contribué au développement de cet ensemble d'outil, comprenant, entre autre, opérateur d'observation, modèles linéaire tangent et adjoint de NEMO, permettant de mener à bien notre étude. Le système d'AD variationnelle utilisé est le logiciel NEMOVAR.Les résultats présentés tentent de lier les échelles caractéristiques des structures d'erreurs d'analyse et l'activité aux petites échelles. Pour ce faire, nous avons utilisé une large gamme de diagnostics, e.g. erreur quadratique moyenne spatiale et temporelle, caractéristiques des fonctions coûts, caractérisation de l'hypothèse linéaire tangente, PSD des champs d'erreurs d'analyse.Nos expériences montrent que le 4DVAR incrémental contrôle efficacement la trajectoire analysée au 1/4° pour de longues fenêtres d'AD (2 mois). Lorsque la résolution augmente, la convergence de l'algorithme apparaît plus lente voire inexistante sous certaines conditions. Cependant, l'algorithme permet encore de réduire convenablement l'erreur d'analyse. Enfin, l'algorithme 3DFGAT se révèle beaucoup moins performant, quelle que soit la résolution.De plus, nous montrons également l'importance de l'adéquation entre la circulation simulée et l'échantillonnage altimétrique, en terme d'échelles spatiales représentées, pour obtenir de meilleures performances. Enfin, nous avons exploré la stratégie de minimisation dite "progressive", permettant d'accélérer la convergence du 4DVAR à haute résolution.

Author: Bruno Luong
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Pages : 239

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Sur le plan théorique, sont étudiés

Author: Charles Deltel
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Pages : 185

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Les observations montrent que les modèles d'océans actuels ne parviennent souvent pas à représenter la réalité avec précision. Cela s'explique en partie par un manque de précision dans les conditions initiales (CI) et aux limites. Mais les flux air-mer sont notoirement mal connus, et leur estimation au moyen de méthodes avancées reste peu explorée. Ici, des expériences jumelles systématiques ont été effectuées pour évaluer dans quelle mesure des tels forçages, CI et conditions aux frontières ouvertes (FO) peuvent être améliorés par assimilation 4D-Var de données de profils dans un modèle d'océan. Le système est basé sur le code OPA8.1 et son adjoint. Le modèle résoud le cycle saisonnier de l'Atlantique Sud. Les données assimilées sont l'hydrologie de l'atlas saisonnier climatologique de Reynaud et al. [1998] ou, lors des expériences idéalisées, un jeu de données simulées équivalent. Dans la partie I, la configuration Atlantique Sud est décrite. Une mise en régime de plusieurs années est validée, et fournit les données idéalisées nécessaires pour la suite. Dans la partie II, nous décrivons l'implémentation du contrôle des FO et des forçages, en supplément des CI déjà estimées. Dans la partie III, des expériences idéalisées durant l'été austral montrent que nos données sont appropriées à identifier des flux de chaleur et d'eau douce saisonniers moyens, mais pas leur variabilité intrasaisonnière. De plus, l'estimation des tensions de vent est un problème mal posé, en particulier dans la région des vents d'ouest. Un résultat important est que le sytème peut dégrader un vent parfait pour équilibrer une erreur dans les flux de chaleur. Dans la partie IV, les données réelles sont assimilées sur 4 saisons cyclées, et seul le vent n'est pas estimé. Les trajectoires optimales sont compatibles avec les données, mais des biais systématiques apparaissent, pour lesquels des solutions sont discutées. les paramètres contrôlées ont tous un impact positif sur l'écart modèle-données.