Pendant la dernière décennie, il y a eu un incrément de la résolution spatiale des observations satellitaires. Cela est notamment dû aux avancées technologiques implémentées sur les satellites. La quantité d'information observée est vaste, et il faut donc identifier des techniques efficaces pour la traiter et pour produire de cartes précises de la dynamique en surface. La mission future SWOT collectera de données d'élévation de surface (SSH) à très haute résolution spatiale : une partie de la dynamique à petites longueurs d'onde, c'est-à-dire, de la sousméso-échelle, sera représentée dans ces observations. Les observations satellitaires servent à réaliser la reconstruction spatiale en surface et aussi à la projeter vers l'intérieur de l'océan et vers des autres variables. La question posée est donc quelles méthodes peuvent fournir ces estimés 3D et multivariés avec une bonne précision à des échelles proches de la sousméso-échelle.Nous nous situons dans ce travail de thèse dans un cadre d'assimilation de données et d'images : l'objectif du travail étant la reconstruction de façon précise de la dynamique dans la couche de surface de l'océan (~500 m) à partir d'observations satellitaires. Pour ce faire, nous implémentons une méthode qui utilise différentes observations en surface à deux étapes d'analyse séparées. Elle consiste d'abord d'une première étape d'assimilation de données qui réalise une correction linéaire de l'écoulement. La deuxième étape se base dans une méthode d'assimilation d'images (Gaultier et al, 2012) dont l'objectif est de bien localiser les structures lagrangiennes obtenues par le calcul des exposants de Lyapunov. Dans le but de fournir des incertitudes associées aux estimés, nous disposons d'une distribution de probabilité d'ébauche qui sera corrigé par notre méthode : (i) la première étape effectue une analyse SEEK pour corriger cette distribution d'ébauche en utilisant une observation d’élévation de SSH; (ii) la deuxième étape minimise une fonction coût en utilisant l'observation d'une image structure et nous obtenons ainsi une distribution de probabilité finale. Les estimés sont projetés dans la dimension verticale en utilisant des EOFs (Empirical Orthogonal Functions) 3D multivariées, de cette sorte nous avons des estimés de variables observées et des variables non-observées (Duran-Moro et al, 2017).La méthode est testée en utilisant des données synthétiques produites par un modèle numérique à haute résolution (~3 km) dans la Mer de Salomon (SOSMOD36). La méthode fournit des résultats positifs : les estimés sont bien reconstruites sur la vertical et aussi concernant les variables non-observées. Dans ce cadre, nous réalisons une évaluation de l'impact de diverses pseudo-observations altimétriques dans la performance de la méthode. Ceci est réalisé par l'implémentation des traces Jason et Envisat sur l'observation de SSH ainsi qu'à partir du simulateur SWOT développé au JPL. Ce dernier est utilisé pour générer des pseudo-observations SWOT ainsi que des erreurs et du bruit prévus pour cette mission. La corrélation significative de ces erreurs a motivé l'application de la technique dans Ruggiero et al, 2016 dans notre analyse. Des simulations à plus haute résolution spatiale (~1 km) récemment produites à partir du modèle numérique NATL60 en Atlantique Nord sont aussi utilisées pour tester la méthode. Cette étude permet d'évaluer la dépendance des résultats avec la variabilité saisonnière de la dynamique aux moyennes latitudes. / During the last decade, high resolution observations have significantly increased mainly due to the strong innovations of satellite technology. The amount of observed information from satellites is large, and it is necessary to identify effective techniques to treat and to generate surface maps of the ocean dynamics. The future SWOT mission will collect sea surface height (SSH) measurements with a high spatial resolution : some dynamics at small wavelengths, which is known as submeso-scale, will be present in these new observations. Satellite observations could be used to carry out a vertical projection into the deeper ocean and to other variables. The question that rises is which methods can be used to carry out a 3D multivariate analysis with a significant precision, especially at meso and submeso-scale.We work here in a data/image assimilation framework : our objective if to reconstruction with good precision the dynamics in the upper oceanic layer (~500 m) using satellite observations. To do so, we implement a two-step method that uses different observations of the sea surface. The first step consist on the SEEK filter which is a data assimilation technique to carry out a first linear correction of the flow. The second step uses an image assimilation method (Gaultier et al , 2012) to correct the location of the main dynamical structure. This main dynamical structure is obtained by the computation of the Lyapunov exponents. A probability approach is applied to provide uncertainties on the estimates at each step. A first probability distribution of a background state is supposed to be known : the two-step method corrects this probability distribution at each step in order to converge towards the real ocean state. The SEEK filter corrects the background probability distribution using a SSH observation. The second step continues this correction towards smaller scales by using an image structure observation. To carry out the vertical projection, an ensemble of 3D multivariate EOFs (Empirical Orthogonal Functions) is used (Duran-Moro et al, 2017).The method is tested using synthetic data generated by a numerical model in the Solomon Sea region (SOSMOD36). The spatial resolution of these simulations is of ~3 km. We evaluate the response of our method in an idealized case study by using pseudo-observations generated from the simulations. The method provides good results and the estimates are corrected also in the vertical and in terms of other variables. A more detailed exploration of the altimetric observation is realized, especially related to future SWOT observations. Errors of SWOT observations have strong spatial correlations and another technique needs to be used in our method : this modification is carried out following work done in Ruggiero et al, 2016. Simulations from another NEMO configuration in the North Atlantic region (NATL60) are also used to evaluate the method. This second test allows us to explore the method in a different latitude of the globe.

Les structures de (sous)mésoéchelle (tourbillons, filaments ou fronts) sont des composantes majeures de la circulation océanique et dirigent la distribution des éléments chimiques et biologiques dans l'océan. Cependant, encore peu d'observations attestent de cette influence. L'objectif de cette thèse est de regrouper divers jeux de données in situ, acquis aux échelles typiques de la (sous)mésoéchelle et de coupler ces informations à des observations satellites haute-résolution et des sorties de modèles numériques pour identifier et mieux comprendre l'influence de la circulation fine échelle sur la distribution spatiale des éléments. Dans un premier temps, une étude globale de la circulation océanique de surface dans le Pacifique Sud-Ouest permet de donner un aperçu de l'importance des circulations de chaque échelle (de la grande à la petite échelle) sur la distribution horizontale des éléments biogéochimiques dans cette région. Dans un second temps, l'influence de la mésoéchelle dans deux régions (mer de Corail et zone autour de 170°O et 19°S) mises en avant par la première étude pour leurs caractéristiques hydrodynamiques et biogéochimiques, est inspectée. Deux cas d'études montrent respectivement que les tourbillons océaniques, en particulier les anticyclones, sont responsables du transport et de l'échange de masses d'eau entre deux courants indépendants et que la circulation à mésoéchelle est une des sources de la formation d'un bloom phytoplanctonique. Enfin, deux autres études témoignent de l'influence des fronts et des vitesses verticales à sousmésoéchelle sur la distribution horizontale et vertical de matière et sur la structure des communautés phytoplanctoniques. / Meso- and submesoscale features (eddies, filaments, fronts) are key components of the oceanic circulation and drive the distribution of chemical and biological elements in the ocean. However, very few in situ observations confirm this influence. The aim of this PhD thesis is to use various in situ datasets, achieved at (sub)mesoscale, coupled with high-resolution satellite observations and modelled outputs to identify and better understand the impact of fine scale circulations on the spatial distribution of biogeochemical matter. Firstly, a global study of the entire southwest Pacific surface circulation provides an overview of the significance of each scale (from large to submesoscale) circulations on the horizontal distribution of biogeochemical components in this region. Secondly, the influence of mesoscale activity is inspected in two regions (Coral Sea and the region around 170°W and 19°S) highlighted by the previous study for their hydrodynamical and biogeochemical characteristics. Two cases study show, respectively, that eddies, and in particular anticyclones, are able to transport water masses between two independant jets and that mesoscale trajectories of surface water masses are responsible for a phytoplanktonic bloom formation. Finally, two other studies highlight the influence of submesoscale fronts and vertical velocities on the horizontal and vertical distribution of biogeochemical matter and on the phytoplanktonic community structure.

La mer des Salomon est une mer semi-fermée située dans le Pacifique subtropical. Elle connecte les masses d'eau des subtropiques à l'équateur via les courants de bord ouest de faibles latitudes (LLWBCs) et pourrait de ce fait moduler à l'échelle décennale le climat du Pacifique tropical. Très peu d'observations sont disponibles pour l'étude de cette région. Un des objectifs principaux de cette étude est la mise en place d'un modèle réaliste d'océan à haute résolution (1/36°) de la mer des Salomon permettant la résolution d'une large gamme d'échelles, particulièrement la mésoéchelle et marginalement la sous-mésoéchelle. La circulation générale est étudiée ainsi que la variabilité à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle. La représentation de la circulation simulée par le modèle 1/36° est non seulement validée par les observations disponibles mais aussi améliorée par rapport à celle simulée par les modèles antérieurs. La variabilité mésoéchelle simulée dans le modèle à haute résolution est fortement augmentée par rapport à celle issue des modèles antérieurs et est en bon accord avec les observations. Des études spectrales en nombre d'onde de la température de surface, de la dénivellation de la surface libre et de l'énergie cinétique ont été réalisées dans la mer des Salomon et suggèrent que les pentes spectrales obtenues sont proches de la théorie classique de la quasi-géostrophie de surface (SQG).

Depuis quelques années, les observations spatiales des traceurs, comme la température de surface de l'océan (SST) ou la couleur de l'océan, ont révélé la présence de filaments à sous-mésoéchelle, qui ne peuvent être détectées par les satellites altimétriques. Ce travail de thèse explore la possibilité d'utiliser les informations dynamiques contenues dans les images traceur haute résolution pour compléter l'estimation de la dynamique océanique de surface effectuée par les satellites altimétriques. Pour ce faire, la méthode d'inversion développée est inspirée de l'assimilation de données images. A l'aide d'une fonction coût, on mesure la distance entre une image du flot dynamique et l'image des structures présentes sur le traceur. On a choisi pour cette étude d'utiliser le FSLE (Finite-Size Lyapunov Exponents) comme proxy image de la dynamique. Cette méthode est testée avec succès sur plusieurs cas test d'observations spatiales. Un modèle de processus coupl é physique-biogéochimie ainsi qu'un modèle réaliste de la mer des Salomon sont utilisés pour estimer l'erreur associée à la méthode d'inversion et la pertinence de la correction effectuée. L'utilisation conjointe d'images traceurs et de données altimétriques présente un fort intérêt pour le contrôle de la circulation océanique.

La mer des Salomon est une mer semi-fermée située dans le Pacifique subtropical. Elle connecte les masses d'eau des subtropiques à l'équateur via les courants de bord ouest de faibles latitudes (LLWBCs) et pourrait de ce fait moduler à l'échelle décennale le climat du Pacifique tropical. Très peu d'observations sont disponibles pour l'étude de cette région. Un des objectifs principaux de cette étude est la mise en place d'un modèle réaliste d'océan à haute résolution (1/36°) de la mer des Salomon permettant la résolution d'une large gamme d'échelles, particulièrement la mésoéchelle et marginalement la sous-mésoéchelle. La circulation générale est étudiée ainsi que la variabilité à mésoéchelle et à sous-mésoéchelle. La représentation de la circulation simulée par le modèle 1/36° est non seulement validée par les observations disponibles mais aussi améliorée par rapport à celle simulée par les modèles antérieurs. La variabilité mésoéchelle simulée dans le modèle à haute résolution est fortement augmentée par rapport à celle issue des modèles antérieurs et est en bon accord avec les observations. Des études spectrales en nombre d'onde de la température de surface, de la dénivellation de la surface libre et de l'énergie cinétique ont été réalisées dans la mer des Salomon et suggèrent que les pentes spectrales obtenues sont proches de la théorie classique de la quasi-géostrophie de surface (SQG). / The Solomon Sea is a semi-closed sea located in the subtropical Pacific Ocean. It connects subtropical water masses to the equatorial one through the low latitude western boundary currents (LLWBCs) and could potentially modulate the tropical Pacific climate at decadal time-scales. This region is not well documented because of few available observations. One of the main objective of this study is to set up a high resolution realistic ocean model of the Solomon at 1/36° that will allow to resolve a broad range of scales, especially the mesoscale and partially the sub-mesoscale processes. The general circulation and the mesoscale and sub-mesoscale variabilities are studied. The representation of the high resolution circulation is consistent with the available observations and is better resolved than in previous coarser resolution models. The mesoscale variability in the high resolution model is strongly increased compared to that of previous models and is in a good agreement with the observations. SST, SSH and kinetic energy wavenumber spectra in the Solomon Sea show spectral slopes closed to the surface quasi-geostrophy SQG theory.

La dynamique océanique, notamment dans les régions Australes, se caractérise par d'importantes fluctuations induites par les processus à mésoéchelle (tourbillons, 100-200km) et à sous-mésoéchelle (filaments, <50km). Ces processus sont connus pour stimuler fortement le développement du phytoplancton et avec lui l'ensemble de la chaine trophique. Toutefois les relations entre la distribution des proies et celle des prédateurs sont encore loin d'être bien connues pour la plupart des espèces marines. C'est en particulier le cas pour l'éléphant de mer austral (EDM) dont les proies souvent localisées à grandes profondeurs. Cette thèse s’est intéressée à étudier comment le comportement de plongée et de chasse des EDM est influencé par les variations à fine échelle de l'environnement. Une des originalités de cette thèse a été d’utiliser les mesures à très haute résolution récoltées par les éléphants de mer qui constituent un jeu de données 3-D in-situ unique à sous-mésoéchelle, puis de les combiner aux mesures satellites plus classiques de température et d'altimétrie. Ce travail a montré, pour la première fois à l’aide de données in-situ très haute résolution, l’importance des zones frontales à sous-mésoéchelle dans le comportement alimentaire d’un prédateur supérieur. De plus, elle a permis le développement d’une méthode originale d’identification des zones frontales à fine échelle et confirmé la pertinence de la méthode Quasi-Géostrophique de Surface (SQG) dans l’étude de la dynamique fine échelle, notamment dans les perspectives des futures missions spatiales à hautes résolutions (de type SWOT). / Ocean dynamics, especially in the southern ocean, are caracterized by strong fluctuation due to mesoscale (eddies, 100-200km) and submesoscale (filaments, <50km) processes. Theses processes are known to strongly stimulate primary production and with him the rest of the trophic chain. However, in marine ecosystems, relationship between prey and predator distribution remain challenging to understand. Such complexe link exist within the Southern Elephant Seal (SES) and their deep diving prey.This PhD worked to understand how the SES diving and foraging behaviour is impacted by submesoscale variation of the environment. Two original aspects of this work was first to use the very high resolution measurement from SES as an unique 3-D in-situ submesoscale dataset and then to combine it to, more classic, satellite temperature and altimetry measurement. This work showed, for the first time the in-situ impact of submesoscale frontal regions on one top predator foraging behaviour. Furthermore, during this study, an original method to identify fine scale frontal regions was developped. Finally, this PhD confirm the relevant use of the Surface Quasi-Geostrophic method in the study of fine scale dynamics, especially in the possibility of high resolution spatial missions (such as SWOT).

Le but de cette thèse est d'analyser plusieurs phénomènes de bord ouest de la Mer d'Arabie : (i) le cycle de vie d'un tourbillon de mésoéchelle persistant, le Great Whirl; (ii) la dynamique d'un écoulement d'eau dense (outflow) formée dans une mer adjacente, l'outflow du Golfe Persique; et (iii) une remontée d'eau profonde (upwelling) saisonnière dans la zone côtière d'Oman. Le point commun entre ces phénomènes est leur localisation sur un bord ouest océanique. Ils sont donc influencés par des forçages locaux (notamment les vents de mousson) et les forçages à distance (ondes de Rossby et tourbillons dérivant vers l'ouest). En particulier, ces derniers vont jouer un rôle particulier car la Mer d'Arabie est située à basses latitudes, ce qui implique une propagation rapide des ondes longues et tourbillons. De plus, des ondes sont continuellement excitées par le régime saisonnier des moussons. Nous avons mis au point des expériences numériques de différentes complexités en utilisant un modèle aux équations primitives. Ces expériences permettent soit de simuler de manière réaliste la dynamique complexe de la Mer d'Arabie, soit d'isoler un processus en particulier. Les résultats principaux peuvent se résumer comme suit : (i) le cycle de vie du Great Whirl est significativement impacté par les ondes de Rossby annuelles. Le rotationnel de la tension de vent joue un rôle important dans le maintien, le renforcement et la barotropisation du tourbillon. (ii) La dispersion de l'Eau du Golfe Persique (Persian Gulf Water, PGW) est déterminée par le mélange induit par les tourbillons de mésoéchelle. Précisément, ces tourbillons entrent dans le Golfe d'Oman (où se déverse la PGW), et interagissent avec la topographie. Ces interactions frictionnelles produisent des bandes de vorticité très intenses dans la couche limite de fond. Celles-ci sont arrachées et forment des tourbillons de sous-mésoéchelle. Ces tourbillons capturent de la PGW initialement située sur la pente continentale et la redistribuent dans le golfe d'Oman. Ce mécanisme donne finalement lieu à du mélange, permettant d'expliquer le gradient de salinité climatologique observé en profondeur. (iii) La dynamique de l'upwelling saisonnier au large d'Oman contraste fortement avec la dynamique des upwelling de bord est (Eastern Boundary Upwelling Systems, EBUS). En effet, les ondes de Rossby se propagent vers le large dans les EBUS et vers la côte dans l'upwelling de bord ouest d'Oman. Ces ondes modulent la réponse en température de l'upwelling forcé par le vent.Dans l'ensemble, ces résultats sont relativement spécifiques à la Mer d'Arabie. La faible extension zonale et la basse latitude de la Mer d'Arabie, ainsi que le régime de mousson des vents saisonniers en font une région particulière. La propagation rapide des ondes et tourbillons et leurs interactions avec le bord ouest façonnent les régimes de turbulence de la Mer d'Arabie. / This PhD aims to investigate some western boundary processes in the Arabian Sea : (i) the life cycle of the socalled Great Whirl, a persistent mesoscale eddy; (ii) the dynamics of the Persian Gulf outflow, a marginal sea dense outflow; and (iii) the seasonal Oman upwelling, a coastal upwelling forced by summermonsoonal winds. The cornerstone of all these phenomena is their locationat a western boundary, which makes then being influenced by both localforcing (e.g., monsoonal winds) and remote forcing (Rossby waves and wesward drifting eddies). Specifically, the later are expected to impact the western boundary dynamics since the low latitude of the Arabian Sea implies a fast westward propagation of long Rossby waves and eddies. Moreover, waves are continously excited by the reversing monsoonal winds. Based on a primitive equation model, we designed numerical experiments of different complexity that allowed to either realistically simulate the dynamics in the Arabian Sea or to isolate some processes.Major findings can be summarized as follows : (i) The Great Whirl life cycle is found to be significantly paced by annual Rossby waves, although the strong monsoonal wind stress curl is of major importance to sustain the structure. (ii) The Persian Gulf Water (PGW) spreading in the Gulf of Oman and the northern Arabian Sea can be explained by the stirring done by eddies entering the Gulf. These remotely formed surface intensifed mesoscale eddies propagate into the Gulf and interact with the topography. Frictional interactions produce intense vorticity strips at the boundary that detach and roll up in the interior, forming submesoscale coherent vortices (SCV). These SCV trap PGW initially located on the slope and redistribute it in the interior. This mechanism of transport ultimately produces mixing that explains the large-scale gradient of salinity in the gulf. (iii) We find that the dynamics of the seasonal upwelling of Oman contrasts with the more deeply studied Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS). In particular, Rossby waves, propagating offshore in EBUS vs. onshore in this western boudary upwelling, are found to modulate the wind driven upwelling and its sea surface temperature response.Overall, these results appear to be rather specific to the Arabian Sea. The short zonal extent and the low-latitude of the Arabian Sea, as well as the seasonally reversing wind forcing are the distinguishing features of this region. Fast waves and drifting eddies and their interactions with the western boundary significantly shape the turbulent regimes of the western Arabian Sea.