RETROSPECT - ocean analysis using optimal observation strategies

RETROSPECT har vært et samarbeidprosjekt mellom Meteorologisk institutt, Havforskningsinstituttet og Nansensenteret for miljø og fjernmåling. De overgripende målene i RETROSPECT har vært (1) bedre integrering av de operasjonelle havmodellene utviklet nasjonalt og innenfor Copernicus, (2) å evaluere nytteverdien av eksisterende og planlagte observasjonsplattformer og -nettverk i assimilerende havmodeller, samt (3) forbedre våre modeller for drift i øvre del av havet. Prosjektet har finansiert en PhD-kandidat (som disputerte 15/2-2019) og to postdoktorer. I tillegg har seniorforskere fra alle tre institusjoner vært engasjert i arbeidet. Assimilerende kystmodell basert på ROMS-4DVAR ble satt i operasjonell rutine i desember 2017. Denne modellen benytter TOPAZ (Copernicus) på rendene, og med finskala assimilasjon og bedre integrering av de norske modellene ble dermed det overgripende målet for utvikling av de operasjonelle tjenestene nådd. Vi produserer nå daglige varsler basert på ROMS-4DVAR, og har også bidratt i andre forskningsprosjekter gjennom å assimilere data fra autonome plattformer (GLIDER-prosjektet, NFR 269188) samt ad-hoc målinger samlet inn under feltkampanjer (NOFO sin olje-på-vannøvelse i juni 2018). TOPAZ, som er basert på havmodellen HYCOM, blir oppgradert i april 2019 med ny fysikk for bølge-strøminteraksjon i en versjon med doblet romlig oppløsning. Den nye funksjonaliteten er delt med HYCOM-konsortiet som vil bruke det som grunnlag for oppdatering av det globale modellsystemet. Nansensenteret har også bidratt til en sensitivitetsstudie for et foreslått satellittkonsept SKIM (Sea surface KInematics Multiscale monitoring). SKIM er valgt ut av ESA som potensiell kandidat til 9th Earth Explorer Mission. ROMS-4DVAR har blitt benyttet til å lage reanalyser for utvalgte perioder og områder. Den ene reanalysen dekker Lofoten-Vesterålen og i den har vi benyttet de svært mange insitu-observasjonene som Havforskningsinstituttet samlet inn på åttitallet i forbindelse med kartlegging av fiskebestander her. Denne reanalysen viser potensialet i å bygge ut en observasjonsinfrastruktur med autonome glidere for innsamling av salt- og temperaturprofiler, og hvilken forventet nytteverdi slike data kan ha for havvarsling og modellering av fysisk-biologiske prosesser. Den andre reanalysen er for Kattegat-Skagerrak i 2017. I denne perioden hadde vi tilgang til HF-radardata, og vi studerte hvilken innflytelse de ulike observasjonstypene hadde på estimater av transporten i Kyststrømmen. Vi konkluderte med at HF-radardata ga viktige bidrag, like store eller større enn overflatetemperatur målt fra satellitt i vårt tilfelle. Målt per datapunkt fant vi derimot at insitu-data hadde aller størst innflytelse, men siden disse er såpass få ble den samlede nytteverdien begrenset. Disse resultatene styrker tidligere funn om at en kombinasjon av insitu- og fjernmålte data er det ideelle for havassimilasjon, og resultatene er viktige bidrag i planleggingen av en nasjonal kystobservasjonsinfrastruktur. Vi har i RETROSPECT publisert arbeider som beskriver dynamikken i øvre del av havet mer detaljert enn tidligere, og i tillegg publisert arbeider som i detalj beskriver de fysisk-biologiske koblingene vi finner her. I april 2016 gjennomførte vi et tokt med et omfattende måleprogram i Vestfjorden. Vi samlet inn data for turbulens, strømmer, hydrografi, havbølger, atmosfæriske flukser, samt torskeeggkonsentrasjoner. Autonome plattformer for profiler og seksjoner ble benyttet. Det samlede datasettet viser et komplekst bilde med raske endringer i både fysikken og biologien, og store forskjeller i rom selv over korte avstander. RETROSPECT finansierte også driftere til et eksperiment i Finnmark som startet i oktober 2017, med utslipp gjort fra FF Johan Hjort (Havforskningsinstituttet) i dekningsområdet for Fruholmen HF-radar. Eksperimentet ble samfinansiert med CIRFA (NFR 237906) og vi kunne dermed kjøpe inn hele 21 driftere. I RETROSPECT har vi samarbeidet tett med forskere fra ledende miljøer i utlandet, og prosjektet finansierte to utenlandsopphold for henholdsvis PhD-kandidaten (USA) og den ene postdoktoren (Frankrike). Vi har også arrangert to workshop'er i Norge for å samle alle prosjektdeltagere fra inn- og utland. Forskere tilknyttet RETROSPECT har også presentert vitenskapelige og populærvitenskapelige foredrag i inn- og utland, samt vært med på arrangere en sesjon på 2018 AGU Ocean Sciences Meeting i Portland som ble svært populær med mange bidrag.

I RETROSPECT har vi forbedret de operasjonelle havmodellene. Dette arbeidet har vesentlig styrket tjenesten vi leverer og den direkte samfunnsnytten av prosjektet har vært betydelig. Vi har også gjort viktige framskritt når det gjelder driftsmodellene. Observasjoner av en lang rekke fysiske og biologiske parametere ble samlet inn gjennom to tokt. Disse observasjonene har gitt oss en bedre forståelse av dynamikken i øvre del av havet og de fysisk-biologiske koblingene vi finner her. Vi har også undersøkt nytteverdien av ulike typer observasjoner for dataassimilerende havmodeller, noe som er nyttig for planleggingen av framtidige observasjonsinfrastrukturer. Metodene som er utviklet innenfor prosjektet nå er integrert med de operasjonelle tjenestene. Dette sikrer at resultatene fra RETROSPECT vil ha nytteverdi i overskuelig framtid.

RETROSPECT focuses on the optimal use of ocean observations in numerical ocean models. These models provide data for decision support (e.g. oil spill mitigation and offshore operations), offshore construction design critera and studies of acute and long-term exposure to pollutants in the marine environment. Rapid technological developments open up exciting new possibilities for ocean observations. It is therefore necessary to have tools at hand to devise observation sampling strategies, in particular when the observations are intended for use in data assimilative ocean models. RETROSPECT focuses on northern areas and two field campaigns will provide detailed observations for studying transport and mixing processes at high latitudes. A fully integrated system for devising observation sampling strategies and production of high quality ocean analyses using the field data is proposed. Observation impacts and the role of improved physical forcing for biophysical modeling systems will also be quantified. RETROSPECT brings together the major national oceanographic research institutes, and a strong research group provides expertise on ocean data assimilation, upper ocean dynamics, and biophysical modeling. In addition to the scientific results, project outcomes are new datastreams that will be made publicly available to our users of numerical ocean model data in government and industry.