DATA ASSIMILATION IN A TWO-WAY NESTED MODEL OF THE LIGURIAN SEA

A. Barth

1*

, A. Alvera-Azcárate

1

, J.-M. Beckers

1

, M. Rixen

2

, L. Vandenbulke

1

, Z. Ben Bouallegue

1

1

GHER, University of Liege, Belgium, 

2

SACLANT Undersea Research Centre, Italy - *A.Barth@ulg.ac.be

Abstract

A two-way nested model is applied to the Mediterranean Sea. The model grid is refined twice in order to achieve a 1/60°resolution grid

of the Ligurian Sea. Sea surface temperature , sea surface height and CTD profiles are assimilated in this nesting system. The assimilation

scheme is multivariate (temperature, salinity and surface elevation) and multi-grid, i.e. all nested models are assembled into one state

vector.

Keywords: data assimilation, nested models, Ligurian Sea

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

84

The GHER 3D primitive equation model is implemented with three

different resolutions: a low resolution model (1/4°) covering the

whole Mediterranean Sea, an intermediate resolution model (1/20°) of

the Liguro-Provençal basin and a high resolution model (1/60°)

simulating the fine mesoscale structures in the Ligurian Sea.

Boundary conditions and the averaged fields (feedback) are

exchanged between two successive nesting levels. Further

explications can be found in Barth et al.[1].

The nesting system is coupled with a reduced order, optimal

interpolation data assimilation scheme. The state vector is composed

by temperature, salinity and sea surface elevation.

Novel in the present approach is that these variables from the three

nested model grids are assembled to one multi-grid state vector. This

implementation allows to take into account the correlation of the

variables across the nested model grids in order to avoid for example

artificial gradients after an assimilation cycle.

The eigenvectors of the covariance matrix are constructed by an

EOF analysis of the free model run. Cross-grid correlations especially

in the overlapping domains are thus consistently represented.

Horizontal correlations over long distances are suppressed by

multiplying each error mode with a set of radial Gaussian functions.

This procedure increases considerably the rank of the covariance

matrix but ensures the local impact of each observation.

Corrections for the velocity are obtained from a linearised

geostrophy relation, except near the coast where the velocity

correction is gradually decreased to zero.

Sea surface temperature (SST, from the DLR EOWEB), sea surface

height (SSH, from the CLS) and CTD profiles (SIRENA cruise from

SACLANT Center and cruises from the MEDAR/M

EDATLAS

database

[2]) are assimilated into the model. In overlapping model grids the

measurements are related to the highest resolution grid. Since the SSH

has a resolution of 1/8°, the surface elevation of the Ligurian Sea and

the Liguro-Provençal model are filtered in order to be coherent with

the space scales present of the observations. The assimilation scheme

works only with spatially uncorrelated observations. This assumption

is not true for representative error of the SST with a resolution of 1

km. The weight of this data is reduced in order to take into account the

redundancy of the data. Another approach tested is the creation of data

bins of mean temperature in a small rectangle. 

Starting from the 1st January 1998 the low and intermediate

resolution models are spun up for 18 months. The initial conditions

for the Ligurian Sea are interpolated from the intermediate resolution

model. The three models are then integrated until August 1999.

During this period SST, SSH and the CTD profiles are assimilated.

The results are compared with a free model run. In particular the

model forecast just before the assimilation step are compared with the

observations. The model forecast and the measurements are then

independent and the difference is a measure of the model forecast skill

and the impact of the previous assimilation cycles. The validation

procedure is detailed in Alvera-Azcárate et al.[3].

References

1-Barth A., Alvera-Azcárate A., Rixen M., and Beckers J.M.. 2003. Two-

way nested model of mesoscale circulation features in the Ligurian Sea.

Progress In Oceanography, accepted.

2-MEDAR Group, 2002 - MEDATLAS/2002 database. Mediterranean

and Black Sear database of temperature salinity and bio-chemical

parameters. Climatological Atlas. IFREMER Edition (4 CDROMs).

3-Alvera-Azcárate A., Barth A., Ben Bouallegue Z., Vandenbulke L.,

Rixen M. and Beckers, J.-M, Wavelets in the Forecast Verification of an

assimilation experiment in the Ligurian Sea. 2003, this issue.