Towards data assimilation in the Catalan Continental Shelf From data analysis to optimization methods.

Abstract

L'objectiu d'aquesta tesi és implementar un sistema d'assimilació de dades a un model hidrodinàmic de la plataforma continental catalana. Aquest sistema ens permetrà combinar la informació proporcionada per les dades mesurades amb la informació que prové dels models numèrics per tal de fer la millor estimació possible, en termes estadístics, de la realitat.<br/>Per arribar a aquesta fita cal en un primer moment tenir un bon coneixement de la regió d'estudi i els processos físics que hi tenen lloc. La següent passa és disposar de un model numèric que sigui capaç de reproduir de manera realista la dinàmica de la zona.<br/>Acte seguit cal identificar i caracteritzar les fonts d'errors del sistema i la seva dinàmica per, finalment, poder implementar un sistema d'assimilació de dades adequat al problema que tracta. Seguint aquest camí podem aprofitar les dades i les eines desenvolupades per aprofundir en el coneixement de la dinàmica a la plataforma continental catalana des de diversos plantejaments.<br/>- L'estudi de les mesures obtingudes en el marc dels projectes FANS i YOYO ens ha permès caracteritzar la dinàmica de la regió, estudiar l'origen de la variabilitat del corrent de tal·lus tant per altes com per baixes freqüències, estudiar els processos sobre la plataforma i veure l'evolució de les masses d'aigua.<br/>-La implementació del model hidrodinàmic SYMPHONIE s'ha fet amb cura aplicant una novedosa tècnica d'inicialització i s'ha validat amb dades reals per tal d'obtenir un model complet i realista. Un pic aconseguit això l'hem emprat per estudiar l'evolució d'una ona topogràfica de Rossby sobre la plataforma continental, l'efecte del vent en la dinàmica tridimensional i els intercanvis plataforma-tal.lús induïts pel vent i per oscil·lacions del corrent de tal.lús.<br/>-L'ús de la modelització estocàstica ens ha permès descriure la dinàmica dels errors associats a la caracterització del corrent de tal·lus i al camp de vents podent veure que els primers són no lineals però estacionaris mentre que els segons són lineals però no estacionaris. A partir d'aquests resultats també hem definit la base d'EOFs que defineix l'espai d'ordre reduït on es farà l'assimilació de dades.<br/>-Aprofitant els elements mencionats abans hem implementat el sistema d'assimilació de dades SEQUOIA amb un nucli d'anàlisi basat en interpolació òptima d'ordre reduït. <br/>Després d'avaluar el seu comportament hem utilitzat un protocol d'experiències bessones per comparar l'efectivitat de diverses xarxes de mesura per corregir diversos errors del model.<br/>Malgrat tot el treball s'ha centrat a la plataforma continental catalana gran part dels resultats obtinguts i de les tècniques emprades són aplicables a qualsevol altra regió amb característiques similars.

The goal of this thesis is to implement a data assimilation scheme into a hydrodynamic model of the Catalan continental shelf. This system would allow us to combine the information provided by measured data with the information coming from the numerical models in order to find the best approach, from a statistical point of view, of reality.<br/>To reach this objective it is needed, in a first moment, to have a good knowledge of the region and of the physical processes therein. The next step is to have a numerical model able to reproduce in a realistic way the dynamics of the area. Afterwards, the error sources of the system and the error dynamics should be characterized to, finally, implement a data assimilation system well suited for the problem. <br/>Following this way we can take profit of the data available and the tools developed to deepen in the the knowledge of the dynamics in the Catalan continental shelf from different approaches.<br/>-The analysis of the measures obtained in the frame of the research projects FANS and YOYO have allowed us to characterize the region dynamics, to study the origin of the slope current variability in the high and low frequencies, to study the processes over the shelf and to see the water mass evolution.<br/>-The implementation of the hydro dynamical model SYMPHONIE has been done carefully applying a new initialization technique (the modal potential vorticity method) and has been validated again real data to obtain a complete and realistic model. Once we had this part done, we have used it to study the evolution of a topographic Rossby wave over the continental shelf, the wind effects over the 3D dynamics and the exchanges shelf-slope induced by the wind and the slope current.<br/>-The stochastic modelling has been used to describe the dynamics of the errors associated to the slope current characterization and the wind field. We have determined that the former are stationary but non linear while the last are non stationary but highly linear. From these results we have also defined the EOFs base which defines the reduced order space where the data assimilation will be carried on. <br/>-Taking profit of the above mentioned elements, we have implemented the SEQUOIA data assimilation system with an analysis kernel based in the reduced order optimal interpolation. After evaluation its behaviour we have used a twin experiments protocol to compare the performance of different observational networks to correct different model errors.<br/>Although all the work have been done in the frame of the Catalan continental shelf, most of the obtained results and the techniques used could be applied to other shelf-slope regions with similar characteristics.