Resumen de Impacto de la asimilación de observaciones costeras en un modelo de predicción oceánico de alta resolución
- español
La Oceanografı́a operacional se puede definir como la recolección continua y sistemática de observaciones en el océano para su tratamiento, análisis e interpretación para la toma de decisiones. Este campo de investigación ha evolucionado enormemente en las últimas décadas, gracias al crecimiento exponencial de las capacidades computacionales y al desarrollo del sistema global de observaciones, que incluye datos de teledetección provenientes de satélites, diferentes plataformas in-situ y nuevas fuentes de observación de alta resolución en zonas costeras. El objetivo principal de esta tesis es evaluar el impacto de los datos medidos por nuevos sistemas de observación costeros en un modelo regional de circulación oceánica mediante asimilación de datos. La asimilación de datos son un conjunto de técnicas estadı́sticas que pretenden emplear de forma óptima la información procedente de modelos y observaciones para mejorar las predicciones y hacerlas lo más realistas posibles. El modelo empleado es el WMOP (Western Mediterranean Operational System), el cual tiene incorporado un esquema secuencial de asimilación 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 resolución en una única parte de este. El estudio está centrado en el Mediterráneo occidental, una región de un importante valor biológico y económico, expuesta a una gran presión antropogénica, lo que enfatiza la necesidad de desarrollar modelos de predicción operacionales fiables que ayuden en la gestión sostenible de las costas y mares.
A lo largo de esta tesis se presentan tres experimentos distintos en los que se evalúa 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 inglés).
Primero se compara el impacto en el modelo entre asimilar datos de CTD o de una flota de gliders, aprovechando a campaña oceanográfica REP14, desarrollada en 2014 frente a la costa oeste de Cerdeña. Durante la campaña 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 área. Aquı́ se presentan los resultados de distintas simulaciones en las que se asimilan datos o bien de CTD o bien de distinto número de gliders, en ambos casos junto con datos genéricos (altimetrı́a y de temperatura superficial provenientes de satélite y perfiles de boyas Argo). Las simulaciones han sido evaluadas con datos independientes de CTD y Scanfish, recogidos durante la última parte de la campaña. Los resultados muestran como, con la asimilación únicamente de los datos genéricos se consigue una mejorı́a en las predicciones y que esta mejorı́a es aún mayor cuando se emplean, además, datos de la campaña. Se observó que el error entre las observaciones y el modelo disminuye a medida que utilizamos más gliders para muestrear la zona, logrando hasta un 40% de reducción 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 campañas en buques, al poder operar bajo cualquier estado de mar y en zonas inaccesibles para los barcos, reduciendo además los costes.
A continuación, se evalúa la capacidad las observaciones de HFR para corregir la predicción 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 métodos de reinicialización del modelo después del análisis. En concreto, se evalúa la diferencia entre emplear observaciones radiales o totales (u-v) de HFR, ambas asimiladas junto con datos genéricos. Empleamos 13 boyas de deriva (drifters) lanzadas en la zona para validar el experimento, comparando la distancia promedio entre las boyas y partı́culas virtuales, que generamos para cada simulación. La representación de las corrientes superficiales en la zona mejora ya solamente con la utilización de observaciones genéricas y es aún mejor cuando incluimos, además, medidas de HFR. Los mejores resultados son obtenidos para la simulación que emplea observaciones totales, disminuyendo en un 53% la distancia promedio entre drifters y boyas virtuales transcurridas 48 horas.
Finalmente se evalúa el impacto que supondrı́a la instalación de dos nuevas antenas en el canal de Ibiza. Las nuevas antenas en el lado occidental del canal ampliarı́an la cobertura actual, proporcionando ası́ medidas de corrientes superficiales en todo el canal. Ello se realiza mediante lo que se conoce como un experimento de simulación de sistema de observación (OSSE, en inglés). En el marco OSSE se emplea una simulación llamada Nature Run (NR), la cual es considerada como una representación realista del océano y que emplearemos para simular pseudo-observaciones. Para validar el marco OSSE primero realizamos un experimento idéntico al experimento real del capı́tulo 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 dinámicas. Bajo el régimen tı́pico de circulación, el impacto es relativamente bajo, debido a la semejanza que presenta el NR y la simulación de control. Sin embargo, cuando la diferencia entre estas simulaciones es más 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 únicamente de datos de las antenas actuales. Además, en este capı́tulo demostramos como la asimilación de datos puede ayudar a recrear las estructuras coherentes Lagrangianas (LCS) presentes en el NR, mejorando ası́ las dinámicas y los procesos de transporte en la zona.
En general, en esta tesis se demuestra la importancia de combinar sistemas de observación de datos costeros de alta resolución con fuentes de observación más tradicionales, ayudando a mejorar las predicciones de los modelos regionales.
- English
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 high-resolution 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.
- català
L’Oceanografia operacional es pot definir com la recol·lecció contı́nua i sistemàtica d’observacions en l’oceà per al seu tractament, anàlisi i interpretació per a la presa de decisions. Aquest camp de recerca ha experimentant una gran evolució en les últimes dècades, gràcies al creixement exponencial de les capacitats computacionals i al desenvolupament del sistema global d’observacions, que inclou dades de teledetecció provinents de satèl·lits, diferents plataformes in-situ i noves fonts d’observació d’alta resolució en zones costaneres. L’objectiu principal d’aquesta tesi és avaluar l’impacte de les dades mesurades per nous sistemes d’observació costaners en un model regional de circulació oceànica mitjançant assimilació de dades, per a millorar les seves prediccions. L’assimilació de dades són és el un conjunt de tècniques estadı́stiques que pretenen emprar de manera òptima la informació procedent de models i observacions per tal dea millorar les prediccions i fer-les el més realistes possibles. El model emprat és el WMOP (Western Mediterranean Operational System), que incorpora un esquema seqüencial d’assimilació de dades (Local Multimodel Ensemble Optimal Interpolation) configurat per a ser capaç d’assimilar tant observacions de llarga escala en tot el domini, com a dades d’alta resolució en una única part d’aquest. El nostre estudi està centrat en el Mediterrani occidental, regió d’un important gran valor biològic i econòmic, sotmesa a una gran pressió antropogènica, la qual cosa emfatitza la necessitat de desenvolupar models de predicció operacionals fiables que ajudin en la gestió 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 freqüència (HFR, per les seves sigles en anglès).
Primer es compara l’impacte en el model entre assimilar dades de CTD o d’una flota de gliders, aprofitant a campanya oceanogràfica 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 àrea. Aquı́ es presenten els resultats de diferents simulacions en les quals s’assimilen dades o bé de CTD o bé de diferent número de gliders, en tots dos casos juntament amb dades genèriques (altimetria i de temperatura superficial provinents de satèl·lit i perfils de boies Argo). Les simulacions han estat avaluades amb dades independents de CTD i Scanfish, recollits durant l’última part de la campanya. Els resultats mostren com, amb l’assimilació únicament de les dades genèriques s’aconsegueix una millora en les prediccions i que aquesta millora és encara major quan s’empren, a més, dades de la campanya. Es va observar que l’error entre les observacions i el model disminueix a mesura que utilitzem més gliders per a mostrejar la zona, aconseguint fins a un 40% de reducció de l’error en emprar 8 gliders. Aquests resultats són molt similars als obtinguts en assimilar els perfils CTD, espaiats cada 10 km. Es demostra, per tant, que els gliders són 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 més els costos.
A continuació, s’avalua la capacitat les observacions de HFR per a corregir la predicció dels corrents superficials en el canal d’Eivissa. Es presenten sis simulacions diferents, en les quals s’empren diferents tipus d’observacions i diferents mètodes de reinicialització del model després de l’anàlisi. En concret, s’avalua la diferència entre emprar observacions radials o totals (u-v) de HFR, totes dues assimilades juntament amb dades genèriques. Emprem 13 boies de deriva (drifters) llançades en la zona per a validar l’experiment, comparant la distancia mitjana entre les boies i partı́cules virtuals, que generem per a cada simulació. La representació dels corrents superficials en la zona millora ja solament amb la utilització d’observacions genèriques i és encara millor quan incloem, a més, mesures de HFR. Els millors resultats són obtinguts per a la simulació 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·lació de dues noves antenes en el canal d’Eivissa. Les noves antenes en el costat occidental del canal ampliarien la cobertura actual, proporcionant aixı́ mesurades de corrents superficials en tot el canal. Això es realitza mitjançant el que es coneix com un experiment de simulació de sistema d’observació (OSSE, en anglès). En el marc OSSE s’empra una simulació anomenada Nature Run (NR), la qual és considerada com una representació realista de l’oceà i que emprarem per a simular pseudo-observacions. Per a validar el marc OSSE primer realitzem un experiment idèntic a l’experiment real del capı́tol anterior, però usant observacions virtuals. Tant les pseudo-observacions generades, com l’impacte d’aquestes en el model, són consistents amb els resultats de l’experiment previ de referència. L’impacte de les noves antenes és avaluat en dos perı́odes de temps diferents, amb diferents condicions dinàmiques. Sota el règim tı́pic de circulació, l’impacte és relativament baix, a causa de la semblança que presenta el NR i la simulació de control. No obstant això, quan la diferència entre aquestes simulacions és més evident, l’ús d’observacions del futur sistema HFR pot arribar a disminuir l’error de les prediccions en un 19%, comparat amb l’ús únicament de dades de les antenes actuals. A més, en aquest capı́tol vam demostrar com l’assimilació de dades pot ajudar a recrear les estructures coherents Lagrangianes (LCS) presents en el NR, millorant aixı́ les dinàmiques i els processos de transport en la zona.
En general, en aquesta tesi es demostra la importància de combinar sistemes d’observació de dades costaneres d’alta resolució amb fonts d’observació més tradicionals, ajudant a millorar les prediccions dels models regionals.
