Assimilation opérationnelle des données Topex/Poseidon et ERS-1 dans le cadre du projet SOAP

E. Dombrowsky (CLS, France); B. Le Squère (CMO/BRESM, France)

Présentation du système SOAP

SOAP-93 constitue la première maquette d'un Système Opérationnel d'Analyse et de Prévision océanique. Basé en grande partie sur l'assimilation de données d'altimétrie satellitale dans un modèle numérique régional de l'océan, SOAP-93 est destiné à valider le principe de l'utilisation opérationnelle de modèles océaniques, en particulier pour des applications liées à l'acoustique sous-marine. SOAP-93 est donc la première étape vers la mise en place d'une filière d'analyse et de prévision océanique destinée à satisfaire les besoins opérationnels de la Marine.

SOAP-93 est développé à Toulouse sous la maîtrise d'oeuvre du Bureau de REcherches d'études SHOM-Météo (BRESM) qui dépend du Centre Militaire d'Océanographie (CMO). Ce projet a débuté en 1991. Après les phases de spécification, conception et développement, son exploitation effective a commencé au début de l'été 1993 avec les données ERS-1 FDP de l'Agence Spatiale Européenne puis avec les données IGDR de TOPEX/POSEIDON.

Les données en temps peu différé des deux satellites ERS-1 et T/P sont acquises, contrôlées et traitées toutes les semaines sur la plate-forme SOAP-93 située à la Cellule d'Environnement de la Marine (CELENV) sur le site de Météo-France. Les résidus altimétriques sont cartographiés et assimilés dans un modèle quasi-géostrophique à frontière ouverte dans une zone de 1000 km x 1000 km située à l'est de la dorsale médio-Atlantique, au sud des Açores et à l'ouest de Madère. Une prévision est alors effectuée en utilisant comme condition initiale les résultats de l'assimilation. Les prévisions sont ensuite interprétées par un expert océanographe en termes de situation hydrologique et dynamique et par un expert acousticien en termes d'impact de la variabilité prévue sur la propagation acoustique. Les produits sont alors diffusés sous la forme de graphiques et de bulletins textuels vers les utilisateurs Marine.

Validation de SOAP durant la campagne SEMAPHORE

La campagne multidisciplinaire SEMAPHORE a eu lieu au courant de l'été et de l'automne 1993 dans un domaine de 500 km de côté inclus dans la zone de prévision de SOAP. Les prévisions SOAP ont été diffusées aux navires effectuant les mesures, et en retour, les données collectées ont servi de validation aux prévisions. Nous présentons ici les résultats de prévision à 15 jours obtenus en juillet et en octobre 1993 pendant les phases 1 et 3 de la campagne.
Nous avons effectué trois expériences en assimilant :
- les FDP ERS-1
- les IGDR T/P
- les FDP ERS-1 et les IGDR T/P

La figure 1 présente la hauteur dynamique à 125 m par rapport à 2000 m obtenue par SOAP selon les trois scénarios et l'équivalent observé à partir des données CTD de la campagne SEMAPHORE le 13 juillet 1993. Nous observons dans les 4 cas que le front des Açores est alors localisé à 34° N, dirigé vers l'est. Le gradient de hauteur dynamique (vitesses géostrophiques) restitué par SOAP est plus faible que celui observé, en particulier pour le cas T/P, qui qualitativement restitue le même champ qu'ERS-1 avec toutefois une amplitude moindre.
Il faut noter que l'échantillonnage de T/P n'a pas été optimisé pour l'observation de la circulation mésoéchelle. Le maillage d'ERS-1 est beaucoup plus serré dans l'espace et plus lâche dans le temps. On remarque également une structure anticyclonique située à 23° 30' W - 35° 30' N dans les 4 cas. L'existence de cette structure a été confirmée par analyse des trajectoires de flotteurs drogués à 150 m déployés pendant SEMAPHORE. L'assimilation simultanée des mesures des deux satellites présente une situation intermédiaire entre celles obtenues en assimilant indépendamment les données de chaque satellite.

1 - Hauteurs dynamiques à 125 m par rapport à 2000 m, le 13 juillet 1993, obtenues après assimilation des données ERS-1 (en haut à gauche), TOPEX/POSEIDON (en haut à droite), ERS-1 + TOPEX/POSEIDON (en bas à gauche). En bas à droite : hauteurs dynamiques observées pendant la campagne SEMAPHORE.

La figure 2 présente les résultats obtenus le 26 octobre durant la phase 3 de l'expérience. On observe maintenant un large méandre du front des Açores qui contourne au nord une structure anticyclonique située à 25° 30' W - 34° 30' N et ensuite une structure cyclonique de grande taille par le sud. Une troisième structure anticyclonique est présente dans les trois cas SOAP à 21° 30' W - 34° N. Sa connexion avec le front est différente selon le cas.
Enfin, une structure cyclonique est prévue dans le cas ERS-1 et dans le cas ERS-1 + T/P au sud de la précédente à 21° 30' W - 32° 30' N et a été partiellement observée pendant SEMAPHORE. Cette structure est absente de la prévision T/P seul. Les gradients restitués par l'assimilation d'ERS-1 et ERS-1 +T/P sont cohérents avec ceux observés avec les CTD. Ils restent toutefois sous-estimés par T/P seul.

2 - Idem figure 1, pour le 26 octobre 1993.

Conclusion

Le système SOAP a été mis en oeuvre pendant la campagne SEMAPHORE en assimilant les données soit d'ERS-1, soit de T/P soit des deux conjointement. Les résultats obtenus sont qualitativement cohérents avec les observations à la mer en termes d'identification et de localisation des structures. L'amplitude des phénomènes reste sous-estimée dans la plupart des cas, mais est mieux restituée par l'assimilation des données ERS-1 que de T/P. Des travaux sont en cours pour améliorer les méthodes de combinaison des deux satellites et évaluer précisément le gain obtenu par cette combinaison. L'apport de T/P en complément d'ERS-1 est double. T/P peut contraindre les plus grandes échelles non observables par ERS-1 et permettre un échantillonnage plus fin des structures mésoéchelles.
Depuis la fin de la phase multidisciplinaire d'ERS-1, les données ne sont plus exploitables pour l'étude de la mésoéchelle.
Nous continuons à assimiler les données de T/P. Des prévisions pour la phase 4 de SEMAPHORE qui s'est déroulée pendant l'été 1994, ont ainsi été fournies aux bateaux sur la zone.