Um estudo preliminar da sensibilidade do modelo oceânico HYCOM a pertubações na condição inicial e na forçante atmosférica ao largo da costa sudeste do Brasil

Abstract

A realização de um conjunto de previsões é uma estratégia importante para melhorar a previsibilidade de modelos oceânicos e abrir a possibilidade de empregar métodos de assimilação de dados baseados em conjuntos. No presente trabalho, a sensibilidade do modelo Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) a perturbações na condição inicial e forçante atmosférica foi avaliada como um passo preliminar para a construção de um Ensemble Kalman Filter (EnKF) no escopo da Rede de Modelagem e Observação Oceanográfica (REMO). Um estudo de previsibilidade curta a estendida foi realizado com ênfase em um vórtice ciclônico ao largo do Sudeste do Brasil. O HYCOM foi configurado com 1/12° de resolução horizontal e 21 camadas verticais na região 65°W-20°W/55°S-10°N. Quarenta e três membros construídos a partir de 4 estratégias diferentes formaram um conjunto de previsões em uma janela de 30 dias inicializada em 16 de abril de 2011. As estratégias consistiram em: (i) considerar diferentes magnitudes relativas dos incrementos de análise; (ii) aumentar ou reduzir as entradas da matriz de covariância de erro das observações; (iii) adicionar ou subtrair o desvio padrão da temperatura e dos componentes horizontais da velocidade; (iv) perturbar a velocidade do vento e fluxos de momentum com anomalias derivadas das saídas da forçante atmosférica. O impacto de cada estratégia foi avaliado através do cálculo do desvio padrão da temperatura e da anomalia do nível do mar. Os resultados mostraram uma maior contribuição da estratégia 4 na geração do espalhamento, seguida da estratégia 2, estratégia 1 e estratégia 3. Analisando o conjunto, na temperatura da superfície do mar houve um aumento de aproximadamente 27,7% no desvio padrão, seguido de 47,1% e 61,5% em 50 m e 100 m, respectivamente. O aumento do desvio padrão médio da anomalia do nível do mar foi de cerca de 42,8% ao longo do tempo de integração de 30 dias. As perturbações da forçante atmosférica aumentaram o espalhamento do conjunto ao longo dos 30 dias para a área de estudo. As trilhas percorridas pelo vórtice podem diferir de acordo com cada membro do conjunto, especialmente no dia 30. Porém, o conjunto manteve o sinal do vórtice na superfície, mas exibiu diferentes formatos e posições para o vórtice. A fonte de erro imposta à forçante atmosférica produziu a principal contribuição para o espalhamento e covariância do conjunto em todo o espaço tridimensional. Para este evento específico localizado no sudeste do Brasil, o EnKF deve ser iniciado com perturbações na forçante atmosférica.

Ensemble forecast is an important strategy to improve ocean model short-range to extended predictability and to open the possibility to employ ensemble-based data assimilation methods. In the present work, the Hybrid Coordinate Ocean Model (HYCOM) sensitivity to perturbations in the initial condition and atmospheric forcing was assessed as a preliminary step toward the construction of an Ensemble Kalman Filter (EnKF) under the Brazilian Oceanographic Modelling and Observation Network (REMO). The short to extended predictability study focused on forecasting a specific cyclonic eddy in Southeast Brazil. HYCOM was configured with 1/12° of horizontal resolution and 21 vertical layers over the region 65°W-20°W/55°S-10°N. Forty-three ensemble members were employed to produce 30-day forecasts initialized on 16 April 2011. Four different strategies were used by: (i) considering different relative magnitudes of the analysis increments; (ii increasing or reducing the entries of the observation error covariance matrix; (iii) adding or subtracting the standard deviation of the temperature and horizontal components of the velocity; (iv) perturbing the wind stress and momentum fluxes with anomalies derived from atmospheric forcing outputs. The impact of each strategy was evaluated by calculating the temperature and sea level anomaly standard deviation. Results showed greater contribution of the strategy 4 on generating spreading, followed by strategy 2, strategy 1 and strategy 3. Analysing the ensemble, at the surface, there was an increase of approximately 27.7% in the mean temperature standard deviation, followed by 47.1% and 61.5% at 50 m and 100 m, respectively. The increase in the mean sea level anomaly standard deviation was about 42.8% throughout the 30-day integration time. Perturbations in the atmospheric forcing increased the ensemble spread in the lead-time of 30 days for the study area. By analysing the eddy behaviour, its tracks may differ according to each member, especially on the day 30. However, the ensemble kept the eddy signal at the surface, but showed different eddy shapes and positions. The error source imposed on the atmospheric forcing produced the main contribution to the ensemble spread and covariance in the entire three-dimensional space. To this specific event located in southeast of Brazil the EnKF should be started with perturbations in the atmospheric forcing.