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Fiche détaillée Thèses
Université Paul Sabatier - Toulouse III (12/12/2011), Daniel Cariolle (Dir.)
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pajot_20111212.pdf(6 MB)
Analyse et prévision de l'ozone issues d'une assimilation de données satellitaires à haute résolution
Benjamin Pajot1

Pour améliorer la représentation du champ d'ozone atmosphérique fournie par des observations ou bien par un modèle numérique, on peut combiner ces deux sources d'information par des techniques d'assimilation de données. La taille des pixels des données issues des instruments embarqués à bord des satellites de dernière génération est cependant bien inférieure à la résolution horizontale couramment utilisée dans les Modèles de Chimie-Transport (MCT) en version globale. Ainsi ces observations apportent de l'information sur des structures de petite échelle du champ d'ozone ne pouvant être représentées par le modèle qu'avec l'augmentation de sa résolution. Dans le but d'assimiler l'information de petite échelle au sein du MCT Mocage de Météo-France avec une grille horizontale haute résolution tout en conservant un coût d'exécution raisonnable, nous avons développé une version spectrale du système d'assimilation de données Valentina du Cerfacs. Puis nous utilisons l'algorithme de la boucle externe conjointement avec la méthode variationnelle 3D-Var avec FGAT. Nous montrons que cette combinaison dégrade les analyses dans le cas de situations atmosphériques dominées par le transport. En conséquence, nous optons dans la suite pour la méthode variationnelle 4D-Var en terme d'incrément pour procéder aux simulations d'ozone haute résolution. Nous utilisons le système Valentina avec le MCT Mocage à basse et haute résolutions horizontales sur le mois de septembre 2008 durant lequel des structures de petite échelle sont présentes dans le champ d'ozone au voisinage du vortex polaire antarctique. Les colonnes totales d'ozone de l'instrument IASI, choisies pour leur haute répartition spatiale, ont été moyennées sur grilles modèle basse et haute résolution en deux jeux de super-observations. Nous les combinons aux profils d'ozone de l'instrument MLS pour contraindre la répartition verticale de l'information dans la stratosphère et la haute troposphère lors du processus d'assimilation de données. L'augmentation de résolution du modèle améliore les simulations directes du MCT et, dans une moindre mesure, les analyses issues de l'assimilation du jeu de données combinées basse résolution. En revanche, l'augmentation de résolution dans les super-observations conduit à une dégradation des analyses à certains niveaux verticaux car les données de MLS qui contraignent la structure verticale du profil d'ozone sont éparses par rapport aux données de IASI. Nous mettons ce résultat en lien avec le besoin d'avoir une source d'information sur la distribution verticale de l'ozone aussi dense que le jeu de données de colonnes totales assimilées telle l'information fournie par les Averaging Kernels.
1 :  CERFACS - Centre Européen de Recherche et de Formation Avancée en Calcul Scientifique
chimie atmosphérique – ozone – assimilation de données variationnelle – Metop-A/IASI

Ozone analysis and forecast from a high resolution satellite data assimilation
To improve the representation of the atmospheric ozone field given by some observations or a numerical model, one can combine these two sources of information by data assimilation techniques. The pixel size of the data coming from the instruments on board the latest generation of satellites is however much lower than the horizontal resolution usually used within global Chemical-Transport Models (CTMs). These data bring information on small-scale structures of the ozone field that can only be represented in the model by increasing its resolution. In order to assimilate small-scale information within the Météo-France Mocage CTM with a high resolution horizontal grid while keeping reasonable execution cost, we have developed a spectral version of the Cerfacs Valentina data assimilation system.We use the external loop algorithm in conjunction with the 3D-Var with FGAT variational method. We show that this combination deteriorates the analyses for atmospheric situations governed by rapid transport. As a consequence we choose to use the variational 4D-Var method in terms of increment to perform high resolution ozone simulations. We use the Valentina system with the Mocage CTM both at low and high horizontal resolutions for the month of September 2008 during which small-scale structures are present in the ozone field at the vicinity of the Antarctic polar vortex. The total ozone columns from the IASI instrument have been assimilated because of their high spatial repartition. They have been averaged on the low and the high model grids giving two super-observation sets. We combine them with the profiles from the MLS instrument in order to constrain the vertical repartition of the information in the stratosphere and the upper troposphere during the data assimilation process. The model resolution increase improves the CTMs direct simulations and, to a lesser extent, the analyses obtained from the assimilation of the low resolution data set. However, the increase of the super-observation resolution deteriorates the analyses at some vertical levels because the MLS data that constrain the vertical shape of the ozone profile are sparse compared to IASI data. We point out the need to have a source of information on the ozone vertical distribution as dense as the assimilated total columns, such as the information brought by the Averaging Kernels.
atmospheric chemistry – ozone – variational data assimilation – Metop-A/IASI

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