Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

136

ASSESSMENT OF TEMPERATURE AND SALINITY SAMPLING STRATEGIES 

IN THE MEDITERRANEAN FORECASTING SYSTEM

Fabio Raicich

CNR, Istituto di Scienze Marine, Sezione di Oceanografia Chimica e Fisica, Trieste, Italy – fabio.raicich@ts.ismar.cnr.it

Abstract

Different temperature and salinity sampling strategies are studied using Observing System Simulation Experiment techniques, by assessing

their impact on a Mediterranean GCM via bivariate data assimilation. Such sampling strategies consist of combinations of XBTs and CTDs

deployed along Volunteer Observing Ships (VOS) tracks. The sampling strategy assessment is made by means of identical twin numerical

experiments, and is quantified as the error reduction achieved in the assimilation run relative to the free run.

Keywords: Mediterranean Sea; numerical modelling; Observing System Simulation Experiments; data assimilation.

Introduction

The spatial and temporal coverage provided by oceanographic data

sets is usually limited, therefore a general aim is to design as effective

sampling strategies as possible, real optimization generally being

difficult due to logistic and economic constraints. A programme of

XBT data collection along VOS tracks was established in the

Mediterranean Forecasting System Pilot Project (MFSPP) (1, 2) and

is a component of the MFSTEP (MFS Towards Environmental

Predictions) project. An assessment programme is included in

MFSTEP to study the effectiveness of sampling strategies already

used in the project or representing realistic evolutions. Sampling

strategies are assessed by quantifying their impact in a Mediterranean

GCM via data assimilation. To this purpose, Observing System

Simulation Experiment (OSSE) techniques are used, consisting of

identical twin numerical experiments.

The assessment of several sampling strategies involving

temperature only was performed in the framework of MFSPP (3).

That study was limited by the use of univariate temperature data

assimilation, enabling only temperature correction. Present work is a

preliminary assessment based on multivariate temperature and salinity

data assimilation, which provides corrections for both variables.

Methods

Each twin experiment consists of: a) A control run, defined as the

truth, from which temperature and salinity data for subsequent

assimilation are extracted; b) an assimilation run, with different initial

conditions and assimilation of temperature and salinity data taken

from the control run; c) a free run, with same initialisation as the

assimilation run but without data assimilation. The Mediterranean

GCM is MOM-1 with 1/8°

×

1/8°horizontal grid spacing and 31

vertical levels, forced by ECMWF 6-hr operational analyses. Data

assimilation is performed by means of the reduced-order optimal

interpolation scheme implemented in the SOFA code (4) and

corrections to temperature and salinity are computed every 7 days.

The order reduction is achieved by projecting temperature and salinity

profiles onto vertical bivariate EOFs (5). Each experiment lasts 12

weeks and is initialised on 1 February 2000, i.e. in winter conditions.

The assimilation and free runs are initialised one year earlier.

The convergence of the assimilation run towards the control run is

assessed by means of the standard deviation (the ‘error’) of the

difference between assimilation and control runs. It measures the

effectiveness of data assimilation in driving the model towards the

truth starting from incorrect initial conditions. The analogous error

involving the free run is used for reference, since it measures the

model convergence due to the atmospheric forcing only. The

assessment is made for the western and eastern Mediterranean regions

and three vertical layers, namely surface (L1, 5-240 m), intermediate

(L2, 280-400 m) and deep (L3, 440 m - bottom).

In this work the sampling strategies simulate the acquisition of

temperature only or temperature and salinity profiles along the VOS

tracks described in (2, 3), representing XBT and XCTD data,

respectively. The latter are not yet adopted but represent a possible

development of the present observing system. Each track is covered

once a week except the Haifa-Messina-Gibraltar, which is covered

fortnightly.

Four configurations are compared here: the first is the already

studied (3) univariate assimilation of XBT data (labelled “UT”). Two

other configurations involve bivariate assimilation of XBT (BT),

where salinity is estimated via bivariate EOFs, or XCTD (BTS) data.

The fourth consists of the periodic repetition in space of two XBT and

one XCTD profiles (BTTS). It should be noted that strategy UT is the

sole retaining the full temperature signal, while in the others the EOFs

carry only a fraction. The profiles positions and times are the same for

all configurations.

Results and concluding remarks

A general result is that temperature and salinity data impact is

larger in the western Mediterranean than in the eastern, particularly in

L2 and L3. This different behaviour can be related to the typical

winter vertical structure of the water column, which exhibits distinct

layers in the eastern Mediterranean, among which the Intermediate

Levantine Water, while the western basin, frequently affected by

convection, is significantly more homogenous. Strategies BTS and

BTTS show essentially identical impacts on temperature and very

close impacts on salinity, BTTS being slightly less effective since one

third of salinity profiles is used.

Concerning temperature, in L1 all strategies are almost equivalent,

with temperature error reduction of 25-30% in the western basin and

20% in the eastern. In L2 and L3 of the western basin, strategy BTS

becomes the most effective only after 10-11 weeks, with 40% error

reduction, while its impact is the same as UT in L2 and even smaller

in L3; the error reduction reaches 20% at the end of the experiment.

In the eastern basin all strategies are almost equally effective, but UT

turns out to be the best after several weeks in L2 and L3 with 20 and

10% error reductions, respectively.

In the case of salinity, strategies UT and BT have negligible impact

(less than 10% salinity error reduction). In the western basin the

introduction of salinity data enable to achieve 30% error reduction in

L1, 20% in L2 and about 10% in L3. In the eastern basin even strategy

BTS does not achieve more than 10% error reduction.

The lower error reduction, i.e. data impact, in the eastern

Mediterranean may be partly due to the more complex variability of

the water column than in the western basin, a fact that might not be

adequately captured by the EOFs.

Acknowledgements.This work was partly funded by EC Projects

“Mediterranean Forecasting System Pilot Project” and

“Mediterranean Forecasting System Towards Environmental

Predictions”.

References

1-Pinardi N., and Flemming N.C. (eds.), 1998. The Mediterranean

Forecasting System Science Plan. EuroGOOS Publication No. 11,

Southampton Oceanographic Centre, Southampton, UK, 49 p.

2-Manzella G.M.R., Scoccimarro E., Pinardi N., and Tonani M., 2003.

Improved near real-time data management procedures for the

Mediterranean ocean Forecasting System – Voluntary Observing Ship

program. Ann. Geophys.,21: 49-62.

3-Raicich F., and Rampazzo A., 2003. Observing System Simulation

Experiments for the assessment of temperature sampling strategies in the

Mediterranean Sea. Ann. Geophys.,21: 151-165.

4-De Mey P. and Benkiran M., 2002. A multivariate reduced-order

optimal interpolation method and its application to the Mediterranean

basin-scale circulation. Pp . 279-303. In: Pinardi N., and Woods J. (eds.),

Ocean Forecasting Conceptual Basis and Applications, Springer-Verlag,

Berlin.

5-Sparnocchia S., Pinardi N., and Demirov E., 2003. Multivariate

Empirical Orthogonal Function analysis of the upper thermocline structure

of the Mediterranean Sea from obrservations and model simulations. Ann.

Geophys., 21: 167-187.