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Reconstruction 4D d’un écoulement océanique couplé à la biogéochimie marine par une approche d’assimilation d’images satellitaires à haute résolution et d’altimétrie large-fauchée

par BRONDEX Julien - 24 mars 2015 - ( maj : 24 mars 2015 )

Marina DURAN

Date de début et de fin : octobre 2014 - septembre 2017

Financement : CNES, projet européen

Directeurs : Pierre Brasseur (LGGE) et Jacques Verron (LGGE)

Résumé :

Les observations satellitaires de température de surface et de couleur de l’eau ont mis en évidence la très grande complexité de la dynamique océanique, qui se caractérise notamment par une forte variabilité à fine échelle ( km) des propriétés océaniques. Ces observations à haute résolution constituent des « images dynamiques » de la signature de surface des processus physiques à méso- et subméso-échelle. Par ailleurs, une information sur la dynamique océanique de fine échelle commence à être disponible grâce à l’altimétrie en bande Ka (SARAL/AltiKa), et surtout, sera accessible à l’horizon 2020 grâce à l’altimétrie interférométrique (SWOT). L’observation à très haute résolution d’autres traceurs de la dynamique, comme la SSS ou la couleur de l’eau en orbite géostationnaire, est également un atout potentiel dans le contexte de missions en développement. L’interprétation conjointe de toutes ces observations, en couvrant l’ensemble des échelles observées par les satellites, pour reconstruire un écoulement océanique 4D est un problème complexe, mais essentiel pour obtenir le meilleur bénéfice des observations sur tout le spectre des phénomènes physiques et bio- géochimiques, mais aussi pour améliorer à terme la résolution des produits altimétriques cartographiés de type AVISO. Des travaux récents ont permis de montrer que l’inversion d’images satellitaires de température et de chlorophylle constituait une voie prometteuse pour améliorer les estimations de la circulation à méso-échelle de surface déduite de l’altimétrie classique (Gaultier et al., 2012). Toutefois, les méthodes d’inversion développées dans ce cadre se sont focalisées sur l’inversion de scènes instantanées, sans aller jusqu’à inférer la structure 4D de l’écoulement sous la surface ni prendre en compte l’effet de la physique à petite échelle sur la biogéochimie marine. La résolution de ce problème doit donc combiner un modèle dynamique (couplant circulation et écosystème) à des opérateurs pertinents pour lier les informations disponibles aux différentes échelles. Nous proposons donc dans cette thèse d’adjoindre le concept d’inversion d’image au problème d’assimilation spatio- temporelle dans un modèle couplé circulation/écosystème. Un axe important de ce travail portera sur l’apport de l’altimétrie large-fauchée de type SWOT pour la reconstruction de l’écoulement 4D. Pour produire des observations simulées d’altimétrie et des images simulées de la dynamique des traceurs à haute résolution (température, chlorophylle), ce travail s’appuiera sur des simulations NEMO à haute résolution menées dans le contexte d’une turbulence océanique développée à l’échelle régionale. Cette thèse contribuera en outre à préparer la future génération des méthodes d’assimilation qui seront nécessaires pour le monitoring opérationnel de l’océan physico- biogéochimique d’une part, et pour une exploitation systématique des observations d’altimétrie à haute résolution issues de la mission SWOT d’autre part.

Abstract :

Satellite observations of sea-surface temperature and ocean colour highlight the high complexity of ocean dynamics, which is manifested namely by strong variability of fine-scale ( km) ocean properties. These high-resolution observations can be considered as “dynamical images” of the surface signature of meso- and submeso-scale physical processes. An even more rich information about fine-scale ocean dynamics will be accessible in the future through Ka band (SARAL/AltiKa) and interferometric (SWOT) altimetric missions. The high resolution observation of other tracers such as SSS or ocean colour from geostationary orbit is another asset in the context of preparatory missions. The joint interpretation of these diverse observations for reconstructing ocean flows in 4D is a complex problem, which is central to yield the best benefit from those observations covering the whole set of scales of physical and bio- geochemical phenomena, and ultimately improve the resolution of altimetry products such as AVISO. Recent research progress has shown that temperature and chlorophyll satellite image inversion is a promising approach to improve the estimation of mesoscale surface circulation derived from conventional altimetry (Gaultier et al., 2012). However, the techniques developed so far were mainly focused on the inversion of a scale cascade operator, without yet being able to infer the 4D structure of the sub-surface flow including the effects of fine-scale physics on biogeochemistry. To address this problem, it is needed to combine a dynamical model (coupling the circulation with ecosystems) and relevant operators to link information available at different scales. In this thesis, the concept of image inversion will be embedded within a 4D assimilation problem dealing with a coupled circulation/ecosystem model. A key research aspect of this work will concern the benefit of SWOT-like wide- swath altimetry to reconstruct ocean flows in space and time. Simulated altimetric observations and fine-scale tracer images of temperature and chlorophyll will be produced using the output of high-resolution NEMO simulations conducted in the frame of developed geophysical turbulence at regional scale. By examining the assimilation of these data in coupled models at lower resolution, this thesis will contribute to the preparation of the next generation assimilation methods that will be required for operational monitoring of the ocean physics and biogeochemistry on the one hand, and for systematic exploitation of altimetric high-resolution observations from the SWOT mission on the other hand.

Mots-clef : Assimilation d’images, SWOT, altimétrie // Image assimilation, SWOT, altimetry

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