Initial evaluations of a Gulf of Mexico/Caribbean ocean forecast system in the context of the Deepwater Horizon disaster

Abstract

In response to the Deepwater Horizon (DwH) oil spill event in 2010, the Naval Oceanographic Office deployed a nowcast-forecast system covering the Gulf of Mexico and adjacent Caribbean Sea that was designated Americas Seas, or AMSEAS, which is documented in this manuscript. The DwH disaster provided a challenge to the application of available ocean-forecast capabilities, and also generated a historically large observational dataset. AMSEAS was evaluated by four complementary efforts, each with somewhat different aims and approaches: a university research consortium within an Integrated Ocean Observing System (IOOS) testbed; a petroleum industry consortium, the Gulf of Mexico 3-D Operational Ocean Forecast System Pilot Prediction Project (GOMEX-PPP); a British Petroleum (BP) funded project at the Northern Gulf Institute in response to the oil spill; and the Navy itself. Validation metrics are presented in these different projects for water temperature and salinity profiles, sea surface wind, sea surface temperature, sea surface height, and volume transport, for different forecast time scales. The validation found certain geographic and time biases/errors, and small but systematic improvements relative to earlier regional and global modeling efforts. On the basis of these positive AMSEAS validation studies, an oil spill transport simulation was conducted using archived AMSEAS nowcasts to examine transport into the estuaries east of the Mississippi River. This effort captured the influences of Hurricane Alex and a non-tropical cyclone off the Louisiana coast, both of which pushed oil into the western Mississippi Sound, illustrating the importance of the atmospheric influence on oil spills such as DwH.

Keywords

Gulf of Mexico / Deepwater Horizon / ocean forecasting / skill assessment

References

[1] Arnone R A, Casey B, Ko D S, Flynn P, Carrolo L, Landner S (2007). Forecasting coastal optical properties using ocean color and coastal circulation models. Proceedings of SPIE- The International Society for Optical Engineering, 6680 

[2] Arnone R A, Casey B, Ladner S, Ko D S, Gould R W (2010). Forecasting the coastal optical properties using satellite ocean color. In Barale V, Gower J F, Alberotanza L, eds. Oceanography from Space, 335–348

[3] Badejo O, Nwilo P (2011). Oil spill model for oil pollution control. In Proceedings, International Federation of Surveyors Working Week 2011 and 6th National Congress of the Ordre National des Ingenieurs Geometres Topographes, 29. Avalable at http://www.fig.net/pub/fig2011/techprog.htm

[4] Barron C N, Birol Kara A, Rhodes R C, Rowley C, Smedstad L F (2007). Validation test report of the 1/8° Global Navy Coastal Ocean Model nowcast/forecast system. Tech. Rep. NRL/MR/7320–07-9019, Naval Research Laboratory, Stennis Space Center, MS, 144 

[5] Breaker L C, Gemmill W H, Crosby D S (1994). The application of a technique for vector correlation to problems in meteorology and oceanography. J Appl Meteorol, 33(11): 1354–1365

[6] Brunner C A, Beall J M, Bentley S J, Furukawa Y (2006). Hypoxia hotspots in the Mississippi Bight. J Foraminiferal Res, 36(2): 95–107

[7] Chang Y L, Oey L Y (2011). Loop Current cycle: coupled response of the Loop Current with deep flows. J Phys Oceanogr, 41(3): 458–471

[8] Chang Y L, Oey L Y (2013). Coupled response of the trade wind, SST gradient, and SST in the Caribbean Sea, and the potential impact on Loop Current’s interannual variability. J Phys Oceanogr, 43(7): 1325–1344

[9] Chao X, Shankar N J, Cheong H F (2001). Two- and three-dimensional oil spill model for coastal waters. Ocean Eng, 28(12): 1557–1573

[10] Charnock H (1955). Wind stress over a water surface. Q J R Meteorol Soc, 81(350): 639–640

[11] Chassignet E P, Hurlburt H E, Metzger E J, Smedstad O M, Cummings J, Halliwell G R, Bleck R, Baraille R, Wallcraft A J, Lozano C, Tolman H L, Srinivasan A, Hankin S, Cornillon P, Weisberg A, Barth R, He R, Werner F, Wilkin J (2009). U.S. GODAE: Global ocean prediction with the HYbrid Coordinate Ocean Model (HYCOM). Oceanography (Wash DC), 22(2): 64–75

[12] Chassignet E P, Hurlburt H E, Smedstad O M, Barron C N, Ko D S, Rhodes R C, Shriver J F, Wallcraft J, Arnone R A (2005). Assessment of data assimilative ocean models in the Gulf of Mexico using ocean color. In Sturges W, Lugo-Fernandez A, eds. Circulation in the Gulf of Mexico: Observations and Models. Geophysical Monograph Series, 161: 87–100

[13] Cummings J (2005). Operational multivariate ocean data assimilation. Q J R Meteorol Soc, 131(613): 3583–3604

[14] D’Sa E J, Ko D S (2008). Short-term influences on suspended particulate matter distribution in the northern Gulf of Mexico: satellite and model observations. Sensors (Basel Switzerland), 8(7): 4249–4264

[15] D’Sa E J, Korobkin M, Ko D S (2011). Effects of Hurricane Ike on the Louisiana-Texas coast from satellite and model data. Remote Sensing Letters, 2(1): 11–19

[16] Dietrich J C, Trahan C J, Howard M T, Fleming J G, Weaver R J, Tanaka S, Yu L, Luettich R A Jr, Dawson C N, Westerink J J, Wells G, Lu A, Vega K, Kubach A, Dresback K M, Kolar R L, Kaiser C, Twilley R R (2012). Surface trajectories of oil transport along the northern coastline of the Gulf of Mexico. Cont Shelf Res, 41: 17–47

[17] Dimou N K, Adams E E (1993). A random-walk, particle tracking model for well-mixed estuaries and coastal waters. Estuar Coast Shelf Sci, 37(1): 99–110

[18] Dykes J D (2011). Implementation of the automated numerical model performance metrics system. Tech. Rep. NRL/MR/7320-11-9353, Naval Research Laboratory, Stennis Space Center, MS, 31 pp

[19] Galt J A (1994). Trajectory analysis for oil spills. Journal of Advanced Marine Technology Conference, 11: 91–126

[20] Green R E, Gould R W Jr, Ko D S (2008). Statistical models for sediment/detritus and dissolved absorption coefficients in coastal waters of the northern Gulf of Mexico. Cont Shelf Res, 28(10–11): 1273–1285

[21] Gundlach E R, Finkelstein K J, Sadd J L (1981). Impact and persistence of Ixtoc I oil on the South Texas Coast. In Proceedings: 1981 Oil Spill Conference (Prevention, Behavior, Control, Cleanup), Atlanta, GA, 477–485

[22] Haltrin V I, Arnone R A, Flynn P, Casey B, Weidemann A D, Ko D S (2007). Restoring number of suspended particles in ocean using satellite optical images and forecasting particle fields. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, pp 6615

[23] Hanson B, Klink K, Matsuura K, Robeson S M, Willmott C J (1992). Vector correlation: review, exposition, and geographic application. Ann Assoc Am Geogr, 82(1): 103–116

[24] Harding J, Cross S, Bub F M J, Carleton C, Tolman H, Parsons A R (2013). OceanNOMADS- an update: real-time and retrospective access to operational U.S. ocean prediction products. 11th Symposium on the Coastal Environment at the 93rd Annual Meeting of the American Meteorology Society, Austin, TX

[25] Hernandez F, Bertino L, Brassington G, Chassignet E, Cummings J, Davidson F, Dre’villon M, Garric G, Kamachi M, Lellouche J M, Mahdon R, Martin M J, Ratsimandresy A, Regnier C (2009). Validation and intercomparison studies within GODAE. Oceanogr Mag, 22(3): 128–143

[26] Hodur R M (1997). The Naval Research Laboratorys Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS). Mon Weather Rev, 125(7): 1414–1430

[27] Hodur R M, Hong X, Doyle J D, Pullen J, Cummings J, Martin P, Rennick M A (2002). The Coupled Ocean/Atmosphere Mesoscale Prediction System (COAMPS). Oceanography (Wash DC), 15(1): 88–98

[28] Hunter J R, Craig P D, Phillips H E (1993). On the use of random walk models with spatially variable diffusivity. J Comput Phys, 106(2): 366–376

[29] Jacobs G A, Barron C N, Fox D N, Whitmer K R, Klingenberger S, May D, Blaha J P (2002). Operational altimeter sea level products. Oceanography (Wash DC), 15(1): 13–21

[30] Ko D S, Martin P J, Rowley C D, Preller R H (2008). A real-time coastal ocean prediction experiment for MREA04. J Mar Syst, 69(1–2): 17–28

[31] Ko D S, Preller R H, Martin P J (2003). An experimental real-time Intra Americas Sea ocean nowcast/forecast system for coastal prediction. In Proceedings, AMS 5th Conference on Coastal Atmospheric and Oceanic Prediction and Processes, Seatlle, WA, p. 5.2

[32] Ko D S, Wang D P (2014). Intra-Americas Sea Nowcast/Forecast System Ocean Reanalysis to Support Improvement of Oil-Spill Risk Analysis in the Gulf of Mexico by Multi-Model Approach. Tech. Rep. Prepared under BOEM contract M12PG00030, Naval Research Laboratory. Available at: ftp://ftp7320.nrlssc.navy.mil/pub/ko/IASNFS-Report.pdf

[33] Kundu P K (1976). Ekman veering observed near the ocean bottom. Journal of Physical Oceanography, 6, 238–242

[34] Larsen J C, Sanford T B (1985). Florida Current volume transports from voltage measurements. Science, 227: 302–304

[35] Le Hénaff M, Kourafalou V H, Paris C B, Helgers J, Aman Z M, Hogan P J, Srinivasan A (2012). Surface evolution of the Deepwater Horizon oil spill patch: combined effects of circulation and wind-induced drift. Environ Sci Technol, 46(13): 7267–7273

[36] Liu Y, MacFadyen A, Ji Z, Weisberg R (2011). Introduction to monitoring and modeling the Deepwater Horizon oil spill. In: Liu Y, MacFadyen A, Ji Z, Weisberg R, eds. Monitoring and Modeling the Deepwater Horizon Oil Spill: A Record-Breaking Enterprise. Geophysical Monograph Series, 195: 1–7

[37] Lubchenco J, McNutt M K, Dreyfus G, Murawski S A, Kennedy D M, Anastas P T, Chu S, Hunter T (2012). Science in support of the Deepwater Horizon response. Proc Natl Acad Sci USA, 109(50): 20212–20221

[38] Luettich R, Wright D L, Signell R, Friedrichs C, Friedrichs M, Harding J, Fennel K, Howlett E, Graves S, Smith E, Crane G, Baltes R (2013). Introduction to special issue on The U.S. IOOS Coastal and Ocean Modeling Testbed: overview of its motivation, goals, implementation and scope. J Geophys Res, 118: 6319–6328

[39] Lugo-Fernández A, Leben R R (2010). On the linear relationship between Loop Current retreat latitude and eddy separation period. J Phys Oceanogr, 40(12): 2778–2784

[40] MacFadyen A, Watabayashi G, Barker C, Beegle-Krause C J (2011). Tactical modeling of surface oil transport during the Deepwater Horizon spill response. In: Liu Y, MacFadyen A, Ji Z, Weisberg R, eds. Monitoring and Modeling the Deepwater Horizon Oil Spill: A Record-Breaking Enterprise. Geophysical Monograph Series, 195: 167–178

[41] Martin P J (2000). Description of the Navy Coastal Ocean Model Version 1.0. Tech. Rep. NRL/FR/7322–00-9962, Naval Research Laboratory, Stennis Space Center, MS, 42 

[42] Mendoza W G, Zika R G, Corredor J E, Ko D S, Mooers C N (2009). Developmental strategy for effective sampling to detect possible nutrient fluxes in oligotrophic coastal reef waters in the Caribbean. Journal of Operational Oceanography, 2: 35–47

[43] Mooers C N, Meinen C S, Baringer M O, Bang I, Rhodes R, Barron C N, Bub F (2005). Cross validating ocean prediction and monitoring systems. Eos Trans AGU, 86(29): 269–273

[44] Morey S L, Martin P J, O’Brien J J, Wallcraft A A, Zavala-Hidalgo J (2003). Export pathways for river discharged fresh water in the northern Gulf of Mexico. J Geophys Res, 108(C10): 3303

[45] Naeije M, Doornbos E, Mathers L, Scharroo R, Schrama E, Visser P (2002). Radar Altimeter Database System: exploitation and extension (RADSxx). Tech. Rep. NUSP-2 report 02-06, NUSP-2 project 6.3/IS-66, Delft Institute for Earth-Oriented Space Research (DEOS), Delft, Netherlands. ISBN 90-5623-077-8

[46] Peggion G, Barron C, Rowley C (2007). A rapidly relocatable ocean prediction system. Tech. Rep. NRL/PP/7320-06-6212, Naval Research Laboratory, Stennis Space Center, MS, 5 

[47] Pichevin T, Nof D (1997). The momentum imbalance paradox. Tellus, 49: 298–319

[48] Powell B S, Leben R R (2004). An optimal filter for geostrophic mesoscale currents from along-track satellite altimetry. J Atmos Ocean Technol, 21(10): 1633–1642

[49] Powell M D, Houston S H, Reinhold T A (1996). Hurricane Andrews landfall in South Florida. Part I: standardizing measurements for documentation of surface wind fields. Weather Forecast, 11(3): 304–328

[50] Price J M, Johnson W R, Marshall C F, Ji Z G, Rainey G B (2003). Overview of the Oil Spill Risk Analysis (OSRA) model for environmental impact assessment. Spill Sci Technol Bull, 8(5–6): 529–533

[51] Rabalais N N, Turner R E, Wiseman W J Jr (2001). Hypoxia in the Gulf of Mexico. J Environ Qual, 30(2): 320–329

[52] Rhodes R C, Hurlburt H E, Wallcraft A J, Barron C N, Martin P J, Smedstad O M, Cross S, Metzger E J, Shriver J, Kara A, Ko D S (2002). Navy real-time global modeling system. Oceanography, 15: 29–43

[53] Rosmond T E, Teixeira J, Peng M, Hogan T F, Pauley R (2002). Navy Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS):forcing for ocean models. Oceanography, 15(1): 99–108

[54] Schmitz W J Jr, Biggs D C, Lugo-Fernandez A, Oey L Y, Sturges W (2005). A synopsis of the circulation in the Gulf of Mexico and on its continental margins. In: Sturges W, Lugo-Fernandez A, eds. Circulation in the Gulf of Mexico: Observations and Models. Geophysical Monograph Series, 161: 11–30

[55] Shay L K, Jaimes B, Brewster J K, Meyers P, McCaskill E C, Uhlhorn E, Marks F, Halliwell G R Jr, Smedstad O M, Hogan P (2011). Airborne ocean surveys of the Loop Current complex from NOAA WP-3D in support of the Deepwater Horizon oil spill. In: Liu Y, MacFadyen A, Ji Z, Weisberg R, eds. Monitoring and Modeling the Deepwater Horizon Oil Spill: A Record-Breaking Enterprise. Geophysical Monograph Series, 195: 131–151

[56] Shoosmith D R, Baringer M O, Johns W E (2005). A continuous record of Florida Current temperature transport at 27°N. Geophys Res Lett, 32(23): L23603

[57] Sturges W, Hoffmann N, Leben R (2010). A trigger mechanism for loop current ring separations. J Phys Oceanogr, 40(5): 900–913

[58] van Leeuwen P J, de Ruijter W P (2009). On the steadiness of separating meandering currents. J Phys Oceanogr, 39(2): 437–448

[59] Vukovich F M (2005). Climatology of ocean features in the gulf of mexico: final report. Tech. Rep. OCS Study MMS 2005-031, New Orleans, LA

[60] Wilson W D, Johns W E (1997). Velocity structure and transport in the Windward Islands Passages. Deep-Sea Res, 44(3): 487–520

[61] Wu J (1983). Sea-surface drift currents induced by wind and waves. J Phys Oceanogr, 13(8): 1441–1451

[62] Xu F H, Chang Y L, Oey L Y, Hamilton P (2013). Loop Current growth and eddy shedding using models and observations: analyses of the July 2011 eddy-shedding event. Journal of Physical Oceanography, 43, 1015–1027

[63] Zavala-Hidalgo J, Morey S L, OBrien J J (2003). Seasonal circulation on the western shelf of the Gulf of Mexico using a high-resolution numerical model. J Geophys Res, 108(C12): 3389

[64] Zhang A, Hess K W, Wei E, Myers E (2006). Implementation of model skill assessment software for water level and current in tidal regions. Tech. Rep. NOS CS 24, NOAA, 61 pp

[65] Zhang A, Hess K W, Aikman F (2010). User-based skill assessment techniques for operational hydrodynamicforecast systems. Journal of Operational Oceanography, 3, 11–24

Acknowledgements

The authors were supported in this work by NOAA Grant 2010-012 through the U.S. IOOS Program administered by the Southeastern Universities Research Association (Fitzpatrick, Harding, Ko, Wiggert); by BP through the Gulf of Mexico Research Initiative Award #10121360 to the Northern Gulf Institute (Fitzpatrick, Harding); by the U.S. Department of Homeland Security Award #2008-ST-061-ND 0001 to Mississippi State University (Fitzpatrick); and by the Department of Energy Research Partnership to Secure Energy for America Project #08121-2801 to Portland State University (Mooers, Zaron). The authors thank Jamie Davis for contributing to AMSEAS analyses and graphics development. Brian Hanson provided the FORTRAN code for the Hanson et al. (1992) algorithm (available at http://hanson.geog.udel.edu/~hanson/ hanson/Research.html). The views and conclusions contained in this document are those of the authors and should not be interpreted as representing the official policies, either expressed or implied, of NOAA, BP, the U.S. Department of Homeland Security, the U.S. Department of Energy, or the U.S. Navy.

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg