Vers l'assimilation de données estimées par radar Haute Fréquence en mer macrotidale

The Iroise Sea has been observed since 2006 by High Frequency (HF) radars, which estimate surface currents. These measurements offer high resolution and high frequency to capture the dynamics of the coastal domain. This thesis aims at designing and applying a method of assimilation of these data in a realistic numerical model to optimize the bottom friction and to correct the model state in order to improve the representation of the residual tidal circulation and the positions of the Ushant fronts in the Iroise Sea. The method of data assimilation used is the Ensemble Kalman Filter. The originality of this method is the use of a stochastic modeling to estimate the model error. First, ensemble simulations were carried out from the perturbation of various model parameters which are the model error sources: meteorological forcing, bottom friction, horizontal turbulent closure and surface roughness. These ensembles have been explored in terms of dispersion and correlation. An Ensemble Kalman smoother was used to optimize the bottom friction (z0) from the surface current data and from an ensemble produced from a perturbed and spatialized z0. The method is tested with a twin experiment and then with real observations. The optimized maps of parameter z0, produced with the real currents, were used in the model over another period and the results were compared with independent observations. Finally, twin experiments were conducted to test the model state correction. Two approaches were compared; first, only the low frequency, by filtering the tide in the data and in the model, is used to perform the analysis. The other approach takes the whole signal into account. With these experiments, we assess the filter's ability to control both the observed part of the state vector (currents) and the unobserved part of the system (Sea surface Temperature).La Mer d’Iroise est observée depuis 2006, par des radars à haute fréquence (HF) qui estiment les courants de surface. Ces mesures ont une finesse temporelle et spatiale pour permettre de capturer la dynamique fine du domaine côtier. Ce travail de thèse vise à la conception et l’application d’une méthode d’assimilation de ces données dans un modèle numérique réaliste pour optimiser le frottement sur le fond et corriger l’état du modèle afin de mieux représenter la circulation résiduelle de marée et les positions des fronts d’Ouessant en mer d’Iroise. La méthode d’assimilation de données utilisée est le Filtre de Kalman d’Ensemble dont l’originalité est l’utilisation d’une modélisation stochastique pour estimer l’erreur du modèle. Premièrement, des simulations d’ensemble ont été réalisées à partir de la perturbation de différents paramètres du modèle considérés comme sources d’erreur : le forçage météo, la rugosité de fond, la fermeture turbulente horizontale et la rugosité de surface. Ces ensembles ont été explorés en termes de dispersion et de corrélation d’ensemble. Un Lisseur de Kalman d’Ensemble a ensuite été utilisé pour optimiser la rugosité de fond (z0) à partir des données de courant de surface et d’un ensemble modèle réalisé à partir d’un z0 perturbé et spatialisé. La méthode a d’abord été testée en expérience jumelle puis avec des observations réelles. Les cartes du paramètre z0, optimisés, réalisées avec des observations réelles, ont ensuite été utilisées dans le modèle sur une autre période et les résultats ont été comparés avec des observations sur la zone. Enfin, des expériences jumelles ont été mises en place pour corriger l’état modèle. Deux méthodes ont été comparées, une prenant en compte la basse fréquence en filtrant la marée des données et du modèle pour réaliser l’analyse ; l’autre prenant en compte tout le signal. Avec ces expériences, on a tenté d’évaluer la capacité du filtre à contrôler à la fois la partie observée du vecteur d’état (courant de surface) et la partie non-observée du système (température de surface)

Towards data assimilation with High Frequency Radar currents in macrotidal sea

La Mer d’Iroise est observée depuis 2006, par des radars à haute fréquence (HF) qui estiment les courants de surface. Ces mesures ont une finesse temporelle et spatiale pour permettre de capturer la dynamique fine du domaine côtier. Ce travail de thèse vise à la conception et l’application d’une méthode d’assimilation de ces données dans un modèle numérique réaliste pour optimiser le frottement sur le fond et corriger l’état du modèle afin de mieux représenter la circulation résiduelle de marée et les positions des fronts d’Ouessant en mer d’Iroise. La méthode d’assimilation de données utilisée est le Filtre de Kalman d’Ensemble dont l’originalité est l’utilisation d’une modélisation stochastique pour estimer l’erreur du modèle. Premièrement, des simulations d’ensemble ont été réalisées à partir de la perturbation de différents paramètres du modèle considérés comme sources d’erreur : le forçage météo, la rugosité de fond, la fermeture turbulente horizontale et la rugosité de surface. Ces ensembles ont été explorés en termes de dispersion et de corrélation d’ensemble. Un Lisseur de Kalman d’Ensemble a ensuite été utilisé pour optimiser la rugosité de fond (z0) à partir des données de courant de surface et d’un ensemble modèle réalisé à partir d’un z0 perturbé et spatialisé. La méthode a d’abord été testée en expérience jumelle puis avec des observations réelles. Les cartes du paramètre z0, optimisés, réalisées avec des observations réelles, ont ensuite été utilisées dans le modèle sur une autre période et les résultats ont été comparés avec des observations sur la zone. Enfin, des expériences jumelles ont été mises en place pour corriger l’état modèle. Deux méthodes ont été comparées, une prenant en compte la basse fréquence en filtrant la marée des données et du modèle pour réaliser l’analyse ; l’autre prenant en compte tout le signal. Avec ces expériences, on a tenté d’évaluer la capacité du filtre à contrôler à la fois la partie observée du vecteur d’état (courant de surface) et la partie non-observée du système (température de surface).The Iroise Sea has been observed since 2006 by High Frequency (HF) radars, which estimate surface currents. These measurements offer high resolution and high frequency to capture the dynamics of the coastal domain. This thesis aims at designing and applying a method of assimilation of these data in a realistic numerical model to optimize the bottom friction and to correct the model state in order to improve the representation of the residual tidal circulation and the positions of the Ushant fronts in the Iroise Sea. The method of data assimilation used is the Ensemble Kalman Filter. The originality of this method is the use of a stochastic modeling to estimate the model error. First, ensemble simulations were carried out from the perturbation of various model parameters which are the model error sources: meteorological forcing, bottom friction, horizontal turbulent closure and surface roughness. These ensembles have been explored in terms of dispersion and correlation. An Ensemble Kalman smoother was used to optimize the bottom friction (z0) from the surface current data and from an ensemble produced from a perturbed and spatialized z0. The method is tested with a twin experiment and then with real observations. The optimized maps of parameter z0, produced with the real currents, were used in the model over another period and the results were compared with independent observations. Finally, twin experiments were conducted to test the model state correction. Two approaches were compared; first, only the low frequency, by filtering the tide in the data and in the model, is used to perform the analysis. The other approach takes the whole signal into account. With these experiments, we assess the filter's ability to control both the observed part of the state vector (currents) and the unobserved part of the system (Sea surface Temperature)

HF radar spectrum comparison method for current maps analysis

International audienceOceanographic HF radar allows todescribe the hydrodynamics of a coastal area by providing a synoptic surface current map at high frequency and regular time steps (10mn). Its interest lies in its wide cover,the high frequency of acquisition and the regularity of the measurements (regardless of weather conditions). Nevertheless, the estimation of surface currents is not straightforward and requires processing of the data acquired by radarin order to extractsurface radial current. The methods involving a beamforming or methods known as direction finding are the most used in this scope. Unfortunately, these methods do not provide exactly unambiguous estimations. In addition, HF radar can be associate to others sensors (ADCP, satellites, etc.) or methods (numerical models) that also provide relevant information about the area of interest. Thus, the analysis of hydrodynamics behavior at various time scales (from tidal to pluriannual time scale) requires the analysis of all these sources of information in order to better catch and possibly improve the knowledge of this key area in between the bay of Biscay and the Celtic Sea.In this presentation, a method which intends to compare a current map to HF radar datawill be introduced. The surface current could come from any sensors that provides surface current map or from numerical simulations. This comparison is directly performed with the low level data acquired by the radars ; we would rather avoid the comparison to geophysical data (current themselves) in order to prevent from information loss due to the estimation process or due to geometrical configurations of the radars (geometrical dilution of precision). Indeed, this comparison is performed thanks to an analysis of the radar Doppler spectrum. Hence the comparison is done by radar and therefore only the radial component is studied at the same time. This presentation will focus on the impact of the met-oceanic (wind, waves, tides) conditions and will highlight the main differences observed from current map estimating from HF radar itself and from a high resolution numerical simulation. The area of interest for this study is the Iroise Sea on the west of Brittany in France where data have been acquiring since 2006. This large amount of data covering a wide span of environmental conditions has been fundamental to investigatethis area in a wide variety of hydrodynamical situations

Amélioration de la connaissance de la mesure des courants de surface par radar HF

International audienc