Surface currents in British Columbia coastal waters: Comparison of observations and model predictions

Abstract

Observations of the motion of ocean surface drifters are used to evaluate numerical simulations of surface currents in the region of Queen Charlotte Sound on the West Coast of Canada. More than 30 surface Argos drifters were deployed in the spring and summer of 1995, revealing daily average currents of 10 to 40 cm s^–1 near the coast of Vancouver Island in summer, and less than 10 cm s^–1 in mid‐sound. Wind observations in this region are provided by a network of weather buoys. Comparison of daily average drifter velocities and winds shows that the drifters moved at 2 to 3% of the wind speed, and at about 30 degrees to the right of the wind.

A complex transfer function is computed between daily wind and drifter vectors using least squares techniques. The ratio of variance in the least squares residual currents to the variance of observed drifter currents is denoted γ². A percent goodness‐of‐fit is defined as g(γ²) = 100(1 – γ²), and is 42% for the case of daily winds and drifter currents. Drifter‐measured currents are compared with two numerical simulations of surface currents: Fundy5, a steadystate baroclinic model based on historical water property measurements in summer, and the Princeton Ocean Model (POM), a prognostic, baroclinic model forced by the measured winds. Fundy5 by itself provides a goodness‐of‐fit of only 3%, whereas POM has g(γ²) = 42%. The combination of Fundy5 plus daily wind gives g(γ²) = 43%. Although the prognostic model performs only as well as the winds by themselves, it simulates the near shore currents more accurately and reproduces the speeds and veering in the surface Ekman layer on average without bias. Residual currents unexplained by POM are likely due to advection of water masses into this region and horizontal inhomogeneities in the density field that are not input to the model, as well as to Stokes drift of wind waves and to net Lagrangian tidal motion not represented by the model.

Résumé

Pour évaluer les simulations numériques des courants de surface dans la région du détroit de la Reine‐Charlotte dans l'ouest du Canada, on a utilisé les observations du movement de dériveurs de surface océanique. En déployant plus de 30 dériveurs Argos de surface au printemps et à l'été de 1995, on a constaté qu'il y avait quotidiennement des courants moyens de 10 à 40 cm/s près de la côte de l'île de Vancouver en été, et des valeurs moindres que 10 cm/s au milieu du détroit. Les observations du vent dans cette région nous ont été fournies par un réseau de bouées météorologiques. La comparaison entre les valeurs moyennes quotidiennes des vents et des vitesses des dériveurs montre que les dériveurs se sont déplacés de 2 à 3 % à celle du vent, en environ 30 degrés à la droite du vent.

Une fonction de transfert complexe est calculée quotidiennement entre les vecteurs vent et dériveur en utilisant la méthode des moindres carrés. Le rapport de la variance dans les courants résiduels des moindres carrés à la variance des courants observés des dériveurs est dénoté par γ². Un pourcentage de validité d'adjustement est défini comme g(γ²) = 100(1– γ²) et il se chiffre à 42 % pour le cas des valeurs quotidiennes des vents et des courants des dériveurs. Les courants mesurés des dériveurs sont comparés avec deux simulations numériques de courants de surface : le Fundy 5 qui est un modèle barocline stable basé sur des mesures historiques prises à l'été à partir d'une station riveraine et le Modèle océanique Princeton (MOP) qui est un modèle barocline de prévision forcé par les vents mesurés. Le modèle Fundy 5 en lui‐même fournit une validité d'adjustement de 3 %, tandis que le modèle MOP possède un pourcentage g(γ²) = 42 %. La combinaison du modèle Fundy 5 avec des vents quotidiens donne un pourcentage g(γ²) = 43 %. Quoique le modèle barocline de prevision ne fonctionne qu'avec les vents, il simule les courants près du rivage avec plus d'exactitude et reproduit, en moyenne sans biais, les vitesses et les courants dextrogyres dans la couche d'Ekman. Les courants résiduels qui ne sont pas expliqués par le modèle MOP sont probablement dus à l'advection de masses d'eau dans cette région. Ils sont dus aussi aux elements horizontaux non homogènes dans le champ de densité ne faisant pas partie du modèle, ainsi qu'à la dérive de Stokes des vagues provoquées par le vent et le mouvement lagrangien résiduel de marée, non représenté par le modèle.

Notes

Ocean Science and Productivity, Science Section, Fisheries and Oceans Canada, Institute of Ocean Sciences, P.O. Box 6000, Sidney, BC V8L 4B2