Implementation of a high resolution regional ocean model for investigating air-sea interaction in the Mediterranean Area

Abstract

The investigation of climate variability in different timescales such as daily, monthly, seasonal and inter-annual has utmost importance for managing the socio-economic processes on regional to global scale. Indeed, the variation in the climate has a crucial impact on agriculture, water, health, tourism, economy and transportation. Therefore the development of climate forecasting tools is necessary which helps to manage these sectors more efficiently. However, there are limitations on producing accurate climate forecast for more than two weeks in advance due to the chaotic nature of the climate system, especially for the region like the Mediterranean, which is characterized by high interannual variability. Due to its importance and challenging nature, a collective effort is being done to improve the skill of models and climate forecasting in the Mediterranean. The contribution of this thesis is a overall effort, which consists of developing a high resolution model application in the Mediterranean, which can provide reliable estimate of Sea Surface Temperature (SST) and Mixed Layer Depth (MLD). This approach is based on the fact that the atmospheric predictability in seasonal to interannual time scale is significantly dependent on slowly varying lower boundary conditions (e.g. Charney and Shukla 1981) i.e. Mediterranean SSTs.

The spatial resolution of model is increased for taking into account the mesoscale processes in the Mediterranean. Since the first internal Rossby radius of deformation in the Mediterranean sea is of the order of 10-15 kms, the spatial resolution of an eddy resolving model should have at least a resolution one half of the Rossby radius. Based on this assumption, the spatial resolution is explored to the order of -5 km (1/16°). The regional ocean modeling system (ROMS) adopted from the Rutgers University is used in the current study. The objective is to validate certain fields (such as SST and MLD) obtained from model simulations and study air-sea interactions. The validation is done by performing two experiments namely, climatological and interannual simulations. The model simulated results are validated with observations as well as intercompared to evaluate the skill of model. The monthly mean SST climatology is obtained from ten years of model run forced with climatological air-sea fluxes is well captured by the model configuration and follows the annual cycle. Model simulated summer SST climatology shows biases of the order of 0.8-1.0 °C with observation (MedAtlas) and 1.0-1.2 °C with other datasets (intercomparison). The vertical structure of temperature climatology is found to be well simulated by model in which upper layer shows a difference of 1.0 °C and it further decreased at intermediate layers. The simulated sea surface height and surface currents is validated with Aviso altimetry data. On the large scales the surface currents generated by model captures general structures of surface circulation. The monthly mean mixed layer depth (MLD) climatology computed from model is validated with observed monthly MLD climatology and found that the winter MLD is overestimated by model. In second experiment, model is forced with six hourly air-sea interaction fluxes from ERA-Interim and interannual simulations are obtained for the period 1998-2007. The monthly mean SST climatology obtained from above interannual simulation follows climatological annual cycle with cold biases in summer season. The weak SSTs (bias of the order of 1.0 to 1.5 °C) are observed in the summer for the period 2002-2007 in the model simulations. The monthly mean SST anomalies are well simulated by model except for the year 2006. The time evolution of monthly mean SST anomalies area averaged over different sub-basins are exhibits interannual variability. The comparison with satellite derived SSTs reveals that our model is able to capture both, the seasonal and inter-annual variability, although it still has a bias of the order of 1 to 1.2 °C. The model is able to reproduce the temperature at subsurface layer having the signatures of existence of intermediate water masses. The monthly mean mixed layer climatology derived from interannual simulations is quite well reproduced by model. In the Gulf of Lions, MLD values are reached upto 1500 meter deep in winter whereas it shows 50 meter in summer season. The time evolution of monthly mean mixed layer climatology derived from the model is able to reproduce annual variability. The interannual variability of monthly mean mixed layer depth is simulated quite well by model for the year 2004-2007. The timeseries of climatological, monthly and daily mixed layer depth which is area averaged over various sub-basins follows seasonal cycle. The

high resolution regional model application developed in the current study is thus able to reproduce certain fields. The surface currents and eddy kinetic energy in the model shows small scale structures and strong variability. The model is also capable to generate mesoscale eddies in the western Mediterranean although model overestimated surface fields.

La investigación de la variabilidad climática en diferentes escalas de tiempo, como diario, mensual, estacional e interanual tiene suma importancia para la gestión de los procesos socio-económica en la región a escala global. De hecho, la variación en el clima tiene un impacto crucial en la agricultura, el agua, la salud, el turismo, la economía y el transporte. Por lo tanto el desarrollo de herramientas de predicción del clima es necesario que ayuda a gestionar estos sectores de manera más eficiente. Sin embargo, existen limitaciones en la producción de pronóstico climático precisa durante más de dos semanas de antelación debido a la naturaleza caótica del sistema climático, especialmente para la región como el Mediterráneo, que se caracteriza por una alta variabilidad interanual. Debido a su importancia y naturaleza desafiante, se está haciendo un esfuerzo colectivo para mejorar la habilidad de los modelos y la predicción del clima en el Mediterráneo. La contribución de esta tesis es un esfuerzo global, que consiste en el desarrollo de una aplicación de modelo de alta resolución en el Mediterráneo, que puede proporcionar una estimación fiable de la temperatura superficial del mar (TSM) y la profundidad de la capa mixta (MLD). Este enfoque se basa en el hecho de que la previsibilidad atmosférica en estacional a interanual escala de tiempo es significativamente dependiente de variación lenta condiciones límite inferior (por ejemplo, Charney y Shukla 1.981), es decir TSM mediterráneos.

La resolución espacial de modelo se incrementa por tomar en cuenta los procesos de mesoescala en el Mediterráneo. Desde la primera radio interno de deformación de Rossby en el mar Mediterráneo es del orden de 10-15 kms, la resolución espacial de un remolino resolución de modelo debe tener al menos una resolución de la mitad del radio de Rossby. Basándose en esta suposición, la resolución espacial se explora a la orden de — 5 km (1/16°). El sistema de modelado regional de los océanos (ROMS), aprobada por la Universidad de Rutgers se utiliza en el estudio actual. El objetivo es validar ciertos campos (como SST y MLD) obtenidos a partir de simulaciones de modelos y estudiar las interacciones aire-mar. La validación se realiza mediante la realización de simulaciones de dos experimentos saber, climatológicos e interanuales. Los resultados del modelo simulado se validan con las observaciones, así como intercomparados para evaluar la habilidad del modelo. La media mensual climatología SST se obtiene a partir de diez años de ejecución del modelo forzada con climatológicas flujos aire-mar es bien capturados por la configuración del modelo y sigue el ciclo anual. Simulado Modelo SST climatología verano muestra sesgos del orden de 0,8 a 1,0 °C con observación (MEDATLAS) y 1,0-1,2 °C con otros conjuntos de datos (de intercomparación). La estructura vertical de la climatología de temperatura se encuentra para ser bien simulado por modelo en el que la capa superior muestra una diferencia de 1,0 °C y disminuyó aún más en las capas intermedias. Las corrientes simulados altura y la superficie de la superficie del mar se valida con los datos de altimetría aviso. En las grandes escalas de las corrientes superficiales generadas por el modelo capta las estructuras generales de la circulación superficial. La climatología media mensual profundidad de la capa mixta (MLD) calculada a partir del modelo se valida con la observada climatología mensual MLD y encontró que el invierno MLD se sobreestima el modelo. En segundo experimento, el modelo se ve obligado a seis por hora aire-mar flujos de interacción a partir de simulaciones ERA-Interim e interanuales se obtienen para el período 1998-2007. La climatología TSM mensual media obtenida desde arriba simulación interanual sigue el ciclo anual climatológica con sesgos fríos en la temporada de verano. Los TSM débiles (sesgo del orden de 1,0 a 1,5 °C) se observan en el verano para el período 2002-2007 en las simulaciones del modelo. Las anomalías medias mensuales de la TSM son bien simuladas por el modelo, excepto para el año 2006. La evolución en el tiempo de media área de anomalías de TSM mensual promedio durante diferentes subcuencas son exposiciones variabilidad interanual. La comparación con TSM satélite derivada revela que nuestro modelo es capaz de capturar tanto, la variabilidad estacional e interanual, a pesar de que todavía tiene un sesgo del orden de 1 a 1,2 °C. El modelo es capaz de reproducir la temperatura a la capa subsuperficial tener las firmas de la existencia de masas de agua intermedias. La media climatología capa de mezcla mensual derivado de simulaciones interanuales está bastante bien reproducido por modelo. En el Golfo de León, los valores de MLD se alcanzan hasta 1.500 metros de profundidad en invierno mientras que muestra 50 metros en temporada de verano. La evolución en el tiempo de la media climatología capa de mezcla mensual derivada del modelo es capaz de reproducir la variabilidad anual. La variabilidad interanual de media profundidad de la capa mixta mensual se simula bastante bien por el modelo para el año 2004-2007. Las series de tiempo de profundidad de la capa mixta climatológica, mensual y diaria, que es el área de media sobre varias subcuencas del siguiente ciclo estacional. La aplicación modelo regional de alta resolución desarrollado en el presente estudio es, pues, capaz de reproducir ciertos campos. Las corrientes superficiales y la energía cinética de Foucault en el modelo muestra las estructuras de pequeña escala y fuerte variabilidad. El modelo también es capaz de generar remolinos de mesoescala en el Mediterráneo occidental, aunque el modelo sobreestima campos superficiales.