Observing System Simulation Experiments and Adjoint Sensitivity Analysis: Methods for Observational Programs in the Arctic Ocean

• Published in: ARCTIC
• Main Authors: Francis, Oceana, Panteleev, Gleb, Yaremchuk, Max, Luchin, Vladimir, Stroh, Jacob, Posey, Pamela, Hebert, David
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Arctic Institute of North America 2018
• Subjects: Arctic Ocean; optimization observational programs; adjoint sensitivity analysis; observing system simulation experiments; océan Arctique; programmes observationnels d’optimisation; méthode adjointe pour l’analyse de sensibilité; observations expérimentales (Observing System Simulation Experiments); Arctic; Mer de Beaufort; Arctique*; Chukchi; Océan Arctique; Study of Environmental Arctic Change; Tchouktche*
• Online Access: https://journalhosting.ucalgary.ca/index.php/arctic/article/view/67641

Over recent decades, the Arctic Ocean (AO) has experienced profound climate changes. To study these climate changes, several regional observational programs have been started. Because of complicated logistics and remoteness, in situ observations in the AO are extremely expensive. Therefore, an efficient ocean observational system in the AO is critical to understand environmental changes in the Arctic. Observing System Simulation Experiments (OSSEs) and Adjoint Sensitivity Analysis (ASA) are powerful tools that could be used in the optimization of existing and incoming observational programs in the AO. These optimal planning tools recommended by the Study of Environmental Arctic Change (SEARCH) implementation plan, and widely used in atmospheric research, are still rarely implemented in physical and biological oceanography. We provide several examples of how the OSSE and ASA can be used to optimize the locations of high frequency radars and biological tracer surveys and leveraged toward creating an inexpensive drifter observational program capable of providing sufficient information to reconstruct the circulation in the northern Bering, Chukchi, and southern Beaufort Seas. Ces dernières décennies, l’océan Arctique (OA) a connu des changements climatiques d’envergure. Plusieurs programmes d’observation régionaux ont été mis en oeuvre pour étudier ces changements climatiques. En raison de la complexité de la logistique et de l’éloignement, les observations sur place dans l’OA coûtent extrêmement cher. Par conséquent, un système efficace d’observation des océans dans l’OA s’impose pour comprendre les changements environnementaux qui se produisent dans l’Arctique. Les observations expérimentales (Observing System Simulation Experiments, ou OSSE) et la méthode adjointe d’analyse de sensibilité (Adjoint Sensitivity Analysis, ou ASA) sont d’importants outils susceptibles d’être utilisés dans l’optimisation des programmes d’observation actuels et futurs dans l’OA. Ces outils de planification optimaux sont recommandés par le plan de mise en oeuvre de l’étude sur le changement environnemental dans l’Arctique (Study of Environmental Arctic Change, ou SEARCH) et sont largement utilisés dans la recherche atmosphérique, bien qu’ils soient encore rarement employés en océanographie physique et biologique. Nous fournissons plusieurs exemples de la façon dont les OSSE et l’ASA peuvent permettre d’optimiser l’emplacement des radars à haute fréquence et des levés de traceurs biologiques. De plus, elles peuvent stimuler la création d’un programme d’observation de bouées dérivantes peu coûteux pouvant fournir suffisamment d’information pour la reconstruction de la circulation dans les mers de Béring et des Tchouktches au nord, et dans la mer de Beaufort au sud.