ASSESSING THE REALISM OF OCEAN SIMULATIONS AGAINST HYDROGRAPHY AND ALTIMETRY

Future climate prediction systems will include ocean models at eddy-admitting to eddy-resolving resolution, i.e. ° on the horizontal or finer. The development and calibration of such models requires the us

Observations in the Spanish Mediterranean Waters: A Review and Update of Results of 30-Year Monitoring

The Instituto Español de Oceanografía (IEO, Spanish Institute of Oceanography) has maintained different monitoring programs in the Spanish Mediterranean waters (Western Mediterranean) since 1992. All these monitoring programs were unified in 2007 under the current program RADMED (series temporales de datos oceanográficos en el Mediterráneo), which is devoted to the in situ multidisciplinary sampling of the water column of coastal and open-sea waters by means of periodic oceanographic campaigns. These campaigns, together with a network of tide-gauges, are part of the IEO Observing system (IEOOS). In some cases, the temperature and salinity time series collected in the frame of these monitoring programs are now more than 30 years long, whereas sea level time series date to the beginning of the 1940s. This information has been complemented with international databases and has been analyzed in numerous works by the Grupo mediterráneo de Cambio Climático (GCC; Mediterranean Climate Change Group) for more than 20 years. These works have been devoted to the detection and quantification of the changes that climate change is producing on the physical, chemical, and biological properties of the Spanish Mediterranean waters. In this work, we review the results obtained by the GCC since 2005 in relation to the changes in the physical properties of the sea: water column temperature, salinity, and density, heat content, mixed layer depth, and sea level. Time series and results are updated from the last works, and the reliability of the existing time series for the detection of climatologies and long-term trends are analyzed. Furthermore, the different sources of uncertainty in the estimation of linear trends are considered in the present work. Besides this review and update of the results obtained from the data collected in the frame of the IEOOS, we conduct a review of the existing monitoring capabilities from other institutions in the Spanish Mediterranean waters and a review of results dealing with climate change in the Spanish Mediterranean obtained by such institutions. In particular, we include a review of the results obtained by SOCIB (Servicio de Observación y Predicción Costero de las Islas Baleares; Balearic Islands costal observing and forecasting system) in relation to the study of marine heat waves and the warming of the sea surface, and the results corresponding to the intense warming of the Catalan continental shelf at L’Estartit oceanographic station. All these results evidence that the surface Spanish Mediterranean waters are warming up at a rate higher than that affecting the global ocean (>2 °C/100 years). This warming and a salinity increase are also observed along the whole water column. Marine heat waves are increasing their intensity, frequency, and duration since 1982, and coastal sea level is increasing at a rate of 2.5 mm/yr. The salinity increase seems to have compensated for the warming, at least at surface and intermediate waters where no significant trends have been detected for the density. This could also be the reason for the lack of significant trends in the evolution of the mixed layer depth. All these results highlight the importance of monitoring the water column and the necessity of maintaining in situ sampling programs, which are essential for the study of changes that are occurring throughout the Spanish Mediterranean waters

Medclic: the Mediterranean in one click

Medcli

Océanographie physique,simulations numériques,observations,altimétrie,hydrographie,méthodes statistiques

L'objectif de cette thèse est de développer des approches statistiques pour l'évaluation systématique et quantitative de simulations océaniques multi-décennales globales à l'aide d'observations altimétriques et hydrographiques. La première étape consiste à extraire des simulations la contrepartie exacte (en temps et en espace) des observations pour construire des données synthétiques. La comparaison entre les données observées et simulées colocalisées permettent d'évaluer les simulations et de les comparer entre elles par rapport à des références communes (observations). De plus, la comparaison entre les sorties des modèles considérées chaque point de grille et colocalisées permet d'évaluer l’impact du sous-échantillonnage des réseaux d’observations sur l'estimation de certaines quantités océaniques importantes pour le climat. Nous quantifions l'impact de la résolution de nos modèles (2°, 1°, ½°, ¼°) sur le réalisme des simulations au regard des observations. Résoudre une gamme d'échelles spatio-temporelles plus large améliore de façon significative la représentation de la circulation océanique moyenne, de la structure thermohaline, de la variabilité saisonnière de la couche de mélange et de la variabilité du niveau de la mer sur plusieurs échelles spatio-temporelles, notamment à l'échelle interannuelle. Ce résultat nouveau montre l’intérêt d’utiliser un modèle au 1/4°, capable de représenter en partie la méso-échelle, pour les scénarios climatiques. Nous mettons également en évidence la capacité du modèle au 1/4° à simuler une variabilité interannuelle intrinsèque du niveau de la mer, non corrélée avec les observations en raison de son caractère chaotique, mais probablement réaliste et nécessaire pour mieux représenter l'intensité de la variabilité interannuelle.A l’aide des simulations, nous montrons également que l'inhomogénéité de la couverture spatio-temporelle du réseau d'observations Argo induit une surestimation des profondeurs et des contenus thermiques de la couche de mélange, et que les limitations géographiques du réseau actuel induisent des biais en amplitude sur les estimations des variabilités saisonnière et interannuelle du contenu thermique de l'océan global.This work aims to develop statistical approaches to systematically and quantitatively assess 50-year global ocean simulations against altimetric and hydrographic observations. Simulation outputs are first sub-sampled exactly like observations to build pseudo (synthetic) observations. We use collocated misfits between synthetic and real observations to assess the simulations at the same dates and locations, and compare the simulations together. We then use the sub-sampled and fully sampled model outputs to assess the impact of sub-sampling in real observing systems on the estimation of oceanic quantities with climatic relevance. We first quantify how the resolution of our ocean models (2°, 1°, ½°, ¼°) affects the realism of their solutions with respect to both observational datasets. We quantify how broadening the range of resolved space scales significantly improves the representation of the mean surface circulation, the thermohaline structure, the seasonal cycle of mixed layers, as well as sea-surface height variability at most space and time scales; this is particularly the case at interannual time scales, highlighting the potential of eddy-permitting resolutions for climate simulations. We also show the capacity of the 1/4° model to simulate an interannual intrinsic variability of sea-level, decorrelated from observed timeseries because of its chaotic character, but probably realistic and necessary to better represent the intensity of the interannual variability.The simulations also show that the spatio-temporal dispersion of the Argo floats induces overestimations of the mixed layer depths and heat contents, and the geographical restrictions of the actual Argo array induce biases in amplitude on the seasonal and interannual variabilities of the global ocean heat content

Comparing sea-surface topography modes of variability from altimetry and global models

International audienceThe quasi-global sea-level anomaly AVISO altimetric database (weekly SLA, 1993-present) is compared with its collocated counterparts simulated by the models in various wavenumber-frequency bands. This assessment concerns the structure&intensity of the leading modes of variability at global and basin scale, the part of the observed SLA variance simulated by the model (and their mutual correlation), and local investigations of the simulated and observed variabilities in selected regions. We discuss realism of the variability simulated by the 2° and the 1/4° global models with the same forcing, and the sensitivity to resolution is commented. More generally, this validation procedure is applied to all DRAKKAR simulations to guide physical investigations, characterize the structure of model biases, and assess the impact of numerical and physical choices

Modélisation numérique et observations de l'océan global (développement des interfaces, évaluation de simulations et de réseaux d'observations, investigations dynamiques)

L'objectif de cette thèse est de développer des approches statistiques pour l'évaluation systématique et quantitative de simulations océaniques multi-décennales globales à l'aide d'observations altimétriques et hydrographiques. La première étape consiste à extraire des simulations la contrepartie exacte (en temps et en espace) des observations pour construire des données synthétiques. La comparaison entre les données observées et simulées colocalisées permettent d'évaluer les simulations et de les comparer entre elles par rapport à des références communes (observations). De plus, la comparaison entre les sorties des modèles considérées chaque point de grille et colocalisées permet d'évaluer l impact du sous-échantillonnage des réseaux d observations sur l'estimation de certaines quantités océaniques importantes pour le climat. Nous quantifions l'impact de la résolution de nos modèles (2, 1, , ) sur le réalisme des simulations au regard des observations. Résoudre une gamme d'échelles spatio-temporelles plus large améliore de façon significative la représentation de la circulation océanique moyenne, de la structure thermohaline, de la variabilité saisonnière de la couche de mélange et de la variabilité du niveau de la mer sur plusieurs échelles spatio-temporelles, notamment à l'échelle interannuelle. Ce résultat nouveau montre l intérêt d utiliser un modèle au 1/4, capable de représenter en partie la méso-échelle, pour les scénarios climatiques. Nous mettons également en évidence la capacité du modèle au 1/4 à simuler une variabilité interannuelle intrinsèque du niveau de la mer, non corrélée avec les observations en raison de son caractère chaotique, mais probablement réaliste et nécessaire pour mieux représenter l'intensité de la variabilité interannuelle.A l aide des simulations, nous montrons également que l'inhomogénéité de la couverture spatio-temporelle du réseau d'observations Argo induit une surestimation des profondeurs et des contenus thermiques de la couche de mélange, et que les limitations géographiques du réseau actuel induisent des biais en amplitude sur les estimations des variabilités saisonnière et interannuelle du contenu thermique de l'océan global.This work aims to develop statistical approaches to systematically and quantitatively assess 50-year global ocean simulations against altimetric and hydrographic observations. Simulation outputs are first sub-sampled exactly like observations to build pseudo (synthetic) observations. We use collocated misfits between synthetic and real observations to assess the simulations at the same dates and locations, and compare the simulations together. We then use the sub-sampled and fully sampled model outputs to assess the impact of sub-sampling in real observing systems on the estimation of oceanic quantities with climatic relevance. We first quantify how the resolution of our ocean models (2, 1, , ) affects the realism of their solutions with respect to both observational datasets. We quantify how broadening the range of resolved space scales significantly improves the representation of the mean surface circulation, the thermohaline structure, the seasonal cycle of mixed layers, as well as sea-surface height variability at most space and time scales; this is particularly the case at interannual time scales, highlighting the potential of eddy-permitting resolutions for climate simulations. We also show the capacity of the 1/4 model to simulate an interannual intrinsic variability of sea-level, decorrelated from observed timeseries because of its chaotic character, but probably realistic and necessary to better represent the intensity of the interannual variability.The simulations also show that the spatio-temporal dispersion of the Argo floats induces overestimations of the mixed layer depths and heat contents, and the geographical restrictions of the actual Argo array induce biases in amplitude on the seasonal and interannual variabilities of the global ocean heat content.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Comparing sea-surface topography modes of variability from altimetry and from DRAKKAR models

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Assessment of DRAKKAR global simulations against altimetry and hydrography: Methods and results

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