A4DVAR assimilation method for open boundary conditions control in a coastal circulation model: application to the Gulf of Lions
Contrôle des conditions aux frontières ouvertes d'un modèle de circulation côtière avec une méthode variationnelle d'assimilation de données: application au Golfe du Lion
Résumé
The marine circulation dynamics in coastal zones can be assessed by observation and modelisation. If coastal domains are quantitatively observed (routine remote sensing, periodic in situ surveys, long term measurements), consistent model set up remain relatively elusive, especially for the prescription of appropriate initial and open boundary conditions. This issue raised by the specification of model boundary conditions is proposed to be posed in the optimal control framework, which leads to a data assimilation problem solved by an adjoint method: these model parameters are determined according to information from observations. A four-dimensional variational (4DVAR) assimilation method for open boundary control is then developed and implemented on the basis of the primitive equation circulation model OPA and its adjoint. The algorithm is validated with three academic twin experiments: (i) the detection of perturbations on the barotropic forcing along the open boundary of a non-stratified model are obtained by assimilating surface currents taken inside the domain; (ii) the development of a density current inside a semi-infinite homogeneous channel is retrieved from a synthetic data set figuring density profiles distributed downstream; (iii) the observation of the spin up of a coastal circulation induced by a baroclinic Kelvin front incident to a shallow shelf topography permits to identify the upstream boundary conditions linked to the separation at the shelf break. The Gulf of Lions, which is largely opened to the north-western Mediterranean basin, appears to be an appropriate study case to investigate mechanisms and magnitudes of coastal lateral export to the open ocean. The assimilation method is applied in situations of regional influence on the gulf circulation. It is assessed in the hind cast mode for monitoring applications, especially on the data related aspect. The regional forcing provided by the Liguro-Provençal current flowing along the shelf break is controlled to study the ability of the available observational networks to detect transient cross shelf intrusions according to their spatial and temporal coverage.
La dynamique de la circulation marine en région côtière peut être appréhendée par des moyens d'observation et de modélisation. Si le domaine côtier bénéficie de réseaux de mesure adaptés en résolution et en couverture, la mise en oeuvre d'un outil de modélisation s'avère délicate, particulièrement dans la spécification de conditions initiales et de conditions aux frontières ouvertes appropriées. Cette question de l'estimation des conditions aux limites peut être considérée comme relevant d'une problématique plus générale de détermination des paramètres de fonctionnement d'un modèle à partir de l'information apportée par les observations. Ainsi posé, le problème est abordé par l'outil mathématique du contrôle optimal qui conduit à une opération d'assimilation de données par méthode d'adjoint. L'adaptation et l'application de cette formulation inverse à un problème de modélisation océanographique contrôlé par ses conditions frontières font l'objet de ce travail de thèse. Une approche 4D-variationnelle d'assimilation pour le contrôle des conditions frontières est ainsi développée et implémentée sur la base du modèle aux équations primitives OPA (version 'toit rigide') et de son adjoint existant. L'algorithme d'inversion est validé sur trois expériences d'identification: (i) les perturbations du forçage barotrope sur la frontière ouverte d'un modèle non stratifié sont détectées par l'assimilation de courants de surface pris à l'intérieur du domaine; (ii) le développement d'un courant de densité dans un canal semi infini et homogène est retrouvé à partir de profils hydrologiques distribués en aval; (iii) l'observation du " spin up " d'une circulation de plateau induit par un courant côtier permet d'identifier les conditions amonts prévues par le mécanisme de séparation d'un front de Kelvin barocline en incidence sur un talus. Cette méthode d'assimilation est alors proposée pour des applications s'inscrivant dans la problématique scientifique des échanges côte - large sur la zone du Golfe du Lion. Riche en observations et largement ouverte sur le bassin méditerranéen occidental, cette région est soumise à l'influence du courant Liguro-Provençal qui s'écoule en bord de plateau. L'algorithme d'inversion permet de contrôler cette influence régionale sur la circulation de plateau; il est donc évalué à travers des expériences réalistes menées dans le mode diagnostique. En particulier, la faculté de réseaux d'observation à détecter des épisodes d'intrusion du courant côtier sur le golfe est traitée suivant leur couverture spatiale et temporelle.
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