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Abstract
The advent of satellite remote sensing has led to new ways of monitoring and studying the near-surface ocean circulation, but its use has often been limited to the deep ocean. Here we present and validate a method of reconstructing the near-surface currents from multi-sensor satellite data off Atlantic Canada with a resolution of 0.25°, for the period from October 1992 to September 2006. The reconstructed ocean circulation consists of a superposition of 1) depth-variable wind-induced Ekman currents and surface wave-induced Stokes drift calculated from scatterometer-measured wind velocities using a theoretical formulation; 2) depth-invariant geostrophic surface current anomalies calculated from altimetric sea surface height anomalies; and 3) mean currents that are a combination of model-simulated currents for the Newfoundland and southern Labrador Shelves and satellite-observed currents for the rest of the study region. The method features two novel aspects: the integration of simulated and satellite-observed mean circulation fields, and the consideration of the surface wave-induced Stokes drift. Individual weekly-mean composite current fields show considerable temporal variation and spatial structure. Inclusion of the numerically simulated mean circulation field leads to better agreement between the composite currents and buoy-observed currents at 15 m depth, compared to using the satellite-derived mean current field alone. There is also fair agreement between the composite currents and instantaneous currents observed at various depths by shipboard acoustic Doppler current profiler (ADCP) data, with a correlation coefficient of 0.59 (a 95% confidence interval of 0.49–0.68) and a vector difference ratio of 0.61. The 15 m depth composite currents agree better with buoy-observed currents than a similar near-surface current product with coarser horizontal resolution. At the sea surface, composite currents calculated with Stokes drift have a mean speed of 0.35 m s−1, similar to currents observed by drifters (0.36 m s−1), but exclusion of the Stokes drift leads to an underestimation of the current speed. The present study demonstrates that an appropriate integration of multi-sensor satellite data can provide approximate near-surface current information and could be used for routine monitoring of the shelf circulation at synoptic scales, complementing in situ observations and numerical ocean modelling.
RÉSUMÉ [Traduit par la rédaction] La télédétection par satellite a fourni de nouveaux moyens de surveiller et d’étudier la circulation océanique près de la surface, mais son emploi a souvent été limité à l'océan profond. Ici, nous présentons et validons une méthode de reconstruction des courants près de la surface à partir des données de satellites multicapteurs au large du Canada atlantique avec une résolution 0.25° pour la période allant d'octobre 1992 à septembre 2006. La circulation océanique reconstruite consiste en une superposition 1) de courants d'Ekman de profondeur variable produits par le vent et de dérive de Stokes en surface due aux vagues calculée d'après des vitesses de vent mesurées par diffusomètre à l'aide d'une formulation théorique; 2) d'anomalies de courant géostrophique de surface de profondeur invariante calculées d'après les anomalies de hauteur altimétrique de la surface de la mer; et 3) de courants moyens qui sont une combinaison de courants simulés par modèle pour les plates-formes continentales de Terre-Neuve et du sud du Labrador et de courants observés par satellite pour le reste de la région à l’étude. La méthode employée fait intervenir deux aspects nouveaux : l'intégration de champs de circulation moyenne simulés et observés par satellite et la prise en compte de la dérive de Stokes en surface sous l'effet des vagues. Les différents champs de courants composites moyennés sur une semaine montrent une variation temporelle et une structure spatiale considérables. L'inclusion du champ de circulation moyenne numériquement simulé permet d'obtenir un meilleur accord entre les courants composites et les courants observés par bouées à une profondeur de 15 m que lorsqu'on utilise seulement le champ de courants moyens dérivé par satellite. Il y a aussi un assez bon accord entre les courants composites et les courants instantanés observés à diverses profondeurs selon les données de profileurs de courant acoustiques à effet Doppler (ADCP) embarqués, avec un coefficient de corrélation de 0.59 (un intervalle de confiance de 95% pour 0.49–0.68) et un rapport de différence vectorielle de 0.61. Les courants composites à 15 m s'accordent mieux avec les courants observés par bouées qu'un courant similaire près de la surface produit avec une résolution horizontale plus grossière. À la surface de la mer, les courants composites calculés avec la dérive de Stokes ont une vitesse moyenne de 0.35 m s−1, ce qui est très proche de celle des courants observés par bouées dérivantes (0.36 m s−1), mais l'exclusion de la dérive de Stokes mène à une sous-estimation de la vitesse des courants. La présente étude montre qu'une intégration appropriée des données de satellites multicapteurs peut fournir une information approximative sur les courants près de la surface et pourrait être utilisée pour la surveillance régulière de la circulation sur les plates-formes continentales aux échelles synoptiques et ainsi compléter les observations in situ et la modélisation numérique de l'océan.
Acknowledgements
The project is partially supported by the Canadian Space Agency's Government Related Initiative Program (GRIP) and the Canadian Program for Energy, Research and Development (PERD). The drifter observations were provided by Charles Tang (Fisheries and Oceans Canada). We thank two anonymous reviewers for helpful comments on an earlier version of this manuscript.