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Mesoscale ensemble-based data assimilation and parameter estimation

Aksoy, Altug 01 November 2005 (has links)
The performance of the ensemble Kalman filter (EnKF) in forced, dissipative flow under imperfect model conditions is investigated through simultaneous state and parameter estimation where the source of model error is the uncertainty in the model parameters. Two numerical models with increasing complexity are used with simulated observations. For lower complexity, a two-dimensional, nonlinear, hydrostatic, non-rotating, and incompressible sea breeze model is developed with buoyancy and vorticity as the prognostic variables. Model resolution is 4 km horizontally and 50 m vertically. The ensemble size is set at 40. Forcing is maintained through an explicit heating function with additive stochastic noise. Simulated buoyancy observations on land surface with 40-km spacing are assimilated every 3 hours. Up to six model parameters are successfully subjected to estimation attempts in various experiments. The overall EnKF performance in terms of the error statistics is found to be superior to the worst-case scenario (when there is parameter error but no parameter estimation is performed) with an average error reduction in buoyancy and vorticity of 40% and 46%, respectively, for the simultaneous estimation of six parameters. The model chosen to represent the complexity of operational weather forecasting is the Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research MM5 model with a 36-km horizontal resolution and 43 vertical layers. The ensemble size for all experiments is chosen as 40 and a 41st member is generated as the truth with the same ensemble statistics. Assimilations are performed with a 12-hour interval with simulated sounding and surface observations of horizontal winds and temperature. Only single-parameter experiments are performed focusing on a constant inserted into the code as the multiplier of the vertical eddy mixing coefficient. Estimation experiments produce very encouraging results and the mean estimated parameter value nicely converges to the true value exhibiting a satisfactory level of variability.
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Étude du devenir des tourbillons des Aiguilles et de leur transport dans l’océan Atlantique Sud à partir d’observations satellitaires et in situ / Assessments on the fate of the Agulhas Rings and their transport in the South Atlantic estimated by combining satellite altimetry and in situ observations

Laxenaire, Rémi 28 February 2019 (has links)
Les échanges de chaleur entre les océans Indiens et Atlantiques sont étroitement liés à la circulation globale et au climat. Ceux-ci sont principalement réalisés par les Anneaux des Aiguilles (AR pour "Agulhas Rings'') qui sont étudiés dans cette thèse à l'aide de cartes quotidiennes d'altimétrie satellitaire et de profils hydrologiques de flotteurs Argo.En développant et appliquant l'algorithme d'identification et de suivi des tourbillons TOEddies à 24 années de cartes de la topographie dynamique absolue, nous estimons les origines, les trajectoires et la durée de vie des AR. La principale nouveauté réside dans la détection de nombreux événements de fractionnement et de fusion des tourbillons. Cette innovation conduit à la définition d'un réseau de trajectoires au lieu d'une identification biunivoque entre un tourbillon et une trajectoire. Les résultats ainsi obtenus diffèrent considérablement des évaluations précédentes en connectant des tourbillons formés dans l'océan Indien en amont du courant des Aiguilles à d'autres dans le courant du Brésil.La collocation des segments reconstruits des trajectoires des AR avec les profileurs Argo donne accès à leur structure thermohaline ce qui permet d'en estimer l'évolution au cours de leur propagation. En particulier, nous montrons la modification d'un AR passant d'une structure de surface à une de sub-surface dû à sa subduction lors de son entrée dans le gyre subtropical de l'Atlantique Sud. Cette transformation se traduit par la création de deux cœurs d'eau Modale qui concentrent la majeure partie du contenu de chaleur de cet AR.Enfin, une estimation de la répartition géographique de plusieurs AR est obtenue à partir des tourbillons détectés dans le bassin du Cap et dans l'océan Atlantique Sud. Cette répartition géographique montre que, en général, les AR subductent lorsqu'ils quittent le bassin du Cap. De plus, pour chaque tourbillon suffisamment échantillonné par les flotteurs Argo, nous estimons son anomalie de contenu thermique calculée en fonction de son environnement. Ces anomalies s'avèrent être importantes tout au long de leur trajectoire bien que les AR perdent de la chaleur en se propageant. En combinant des méthodes eulériennes et lagrangiennes, nous estimons le transport de chaleur en sub-surface effectué par les AR lors de leur propagation dans l'Atlantique Sud. / The Indo-Atlantic interocean heat exchanges are tightly linked to global ocean circulation and climate. They are principally achieved by the Agulhas Rings (AR) which are investigated in this thesis by means of 24 years of daily satellite-altimetry maps and Argo floats profiles.By applying the TOEddies eddy identification and tracking algorithm, developped in this study, to daily maps of Absolute Dynamical Topography (ADT), we estimate Agulhas Rings origins, paths and lifetime. The main novelty lies in the detection of numerous eddy splitting and merging events that leads to the definition of a network of trajectories instead of a biunivocal identification between an eddy with a single trajectory. The results obtained by the network differ considerably with previous estimates connecting eddies formed in the Indian Ocean upstream of the Agulhas Current to eddies in the Brazil Current.The collocation of the reconstructed segments of AR trajectories with Argo profiling floats gives access to their thermohaline structure which allows to estimate their in-route evolution. In particular, we show modification of an AR, transitioning from a surface to a subsurface intensified eddy while it subduct when entering the South Atlantic subtropical gyre. This transformation results in the creation of two Mode Water cores which concentrate most of the heat content of this AR.Finally, an estimate of AR geographical distribution was obtained from the numerous eddies detected in the Cape Basin and South Atlantic Ocean. It shows that AR generally subduct when they leave the Cape Basin. Moreover, for each eddy sufficiently sampled by Argo floats, we were able to estimate its heat content anomaly with respect of the environment. AR heat content anomalies result to be important all along their trajectories even if they release heat along their path. Combining both eulerian and lagrangian methods, we estimate the sub-surface heat transport achieved by their AR while they propagate in the South Atlantic.
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Physical forcing of zooplankton in the upper oligotrophic ocean off Bermuda (northwestern Atlantic) and New Caledonia (southwestern Pacific) from acoustics and net measurements

Smati, Hossem Edine 18 November 2015 (has links)
Les forçages physiques conditionnent la discontinuité dans l'espace et le temps (patchiness) du plancton dans l'océan. La thèse s'est basée sur deux exemples. Le premier concerne le nord-ouest des Sargasses où une série temporelle à du macrozooplankton a été analysée à partir du rétro signal acoustique (Sv) mesuré avec un ADCP 153-KHz. Trois types de tourbillons ont été identifiés: un tourbillon cyclonique productif, la périphérie d'un tourbillon "mode-water", et la périphérie d'un tourbillon anticyclonique. Les valeurs de Sv ont augmenté au cours du passage des tourbillons, avec une hausse plus marquée associée au bord des tourbillons cyclonique et anticyclonique, ce qui suggère une réponse biologique significative aux upwelling localisées dans la zone frontale de ces tourbillons. Dans le deuxième exemple, la distribution spatiale et temporelle du zooplancton a été étudiée au large de la Nouvelle-Calédonie au cours de deux campagnes multidisciplinaires en 2011. La variabilité du zooplancton a été évaluée à l'aide d'échantillonnage au filet ainsi qu'à partir de mesures acoustiques (ADCP embarqué, échosondeur scientifique et TAPS). Des amplitudes plus élevées de la migration verticale nycthémérale (DVM) du zooplancton étaient associées à une plus grande abondance de petit zooplancton et aux eaux froides du sud de la zone d'étude, tandis que des amplitudes de DVM plus faibles dans le nord étaient associés à des eaux plus chaudes et à de plus grande abondance des grands organismes. Ces mesures acoustique ont clairement mis en évidence le rôle des forçage physique, notamment des structures à méso-échelle, sur la répartition spatiale et temporelle du zooplancton. / Physical forcing drives the space and time discontinuity (patchiness) of plankton in the ocean. The thesis was focused on the role of these forcing on the zooplankton, studied using both acoustic and traditional methods with net sampling. The study was based on two examples. The first one concerns the northwestern Sargasso Sea where high resolution time-series data on 0-200m macrozooplankton abundance and distribution off Bermuda was estimated from volume backscattering strength (Sv) measured with a 153-Khz ADCP. Three types of eddies were identified: a productive cyclonic eddy, the periphery of a mode water eddy, and the periphery of an anticyclonic eddy. Sv values increased during passage of theses eddies, with a more pronounced increase associated with the edge of the cyclonic and the anticyclonic eddies, suggesting a significant biological response to localized upwelling in the high velocity boundary of these eddies. In the second example, spatial and temporal distribution of zooplankton off New Caledonia was studied during two multidisciplinary cruises in 2011. Zooplankton variability was assessed using net sampling together with acoustic measurements (shipborne ADCP, scientific echosounder and TAPS). Higher amplitudes of diel vertical migration (DVM) of zooplankton were associated with higher abundance of large zooplankton and cold waters to the south of the study area, while lower DVM amplitudes in the north were associated with warmer waters and higher abundance of small organisms. These acoustic measurements clearly evidenced the role of physical forcing, particularly mesoscale features, in shaping zooplankton space and time distribution.

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