Dans quelle mesure les variations du niveau marin actuelles agissent-elles sur la mobilité du trait de côte? Cette question est difficile en raison du caractère lacunaire des jeux de données côtières disponibles. Cette thèse montre tout d'abord qu'il est possible d'évaluer l'élévation relative du niveau de la mer en combinant l'interférométrie radar satellitaire l'analyse de données géodésiques ponctuelles telles que le GPS. Elle examine ensuite le cas de littoraux ayant fait l'expérience d'une élévation du niveau de la mer sensiblement différente de la moyenne globale lors des 50 dernières années. Dans le cas d'atolls de Polynésie Française, les données disponibles montrent le rôle majeur des vagues saisonnières et cycloniques pour contrôler l'évolution du trait de côte. Dans certains secteurs, les effets des vagues sont suspectés se combiner avec l'élévation du niveau de la mer pour favoriser l'érosion de secteurs abrités. Dans le cas de la base de données côtière européenne Eurosion, environ 17 000 observations côtières sont disponibles et peuvent être analysées par une méthode d'exploration de données basée sur les réseaux Bayésiens. Une partie de la variabilité spatiale de l'évolution du trait de côte s'explique par le fait que les littoraux de Fennoscandie sont majoritairement en accrétion, alors qu'ils sont affectés par une baisse du niveau de la mer liée au rebond post-glaciaire. D'une manière générale, ces résultats suggèrent qu'il est encore trop tôt pour observer des effets érosifs évidents de l'élévation du niveau de la mer d'origine climatique. Une analyse probabiliste de l'équation du bilan sédimentaire côtier montre que si cette équation est vérifiée, les effets de l'élévation du niveau de la mer deviendront perceptibles à partir de la seconde moitié du XXIe siècle si les objectifs de réduction des gaz à effet de serre ne sont pas atteints. Finalement, cette thèse ouvre un champ de recherches dans le domaine des mathématiques appliquées pour l'étude des conséquences du changement climatique et de l'élévation du niveau de la mer dans les zones côtières. / To which extent does present day sea-level rise affect shoreline changes? This question remains largely open due to the lack of knowledge and data regarding coastal hydrosedimentary processes and relative sea-level changes (i.e., including vertical ground motions). This PhD Thesis first addresses the question of measuring relative sea-level changes using a combination of geodetic data, including satellite-radar interferometry and permanent GPS stations. Then, it examines the case of coasts that experienced sea-level changes significantly different from the global average over the last 50 years. In the case of atoll islands of French Polynesia, the available data illustrate the major role of southern, trade and cyclonic waves in controlling shoreline changes. For some sheltered coasts, waves are suspected to combine with sea-level rise to favour shoreline retreat. In the case of the European coastal database Eurosion, about 17 000 coastal observations are available and have been analysed using a Bayesian network. Here, part of the spatial variability of shoreline changes can be explained by the fact that Fennoscandian coasts are not only accreting, but also uplifting due to the post-glacial rebound. Overall, these results suggest that it is still too early to observe obvious effects of climate-induced sea-level rise. A probabilistic analysis of the coastal sedimentary equation shows that under common assumptions on hydrosedimentary processes, sea-level rise impacts for beaches should become observable during the second half of the 21st century, if the efforts to maintain climate warming below the 2 C threshold fail. Finally, this PhD thesis offers opportunities for stimulating future research in the field of mathematics applied to the question of climate change and sea-level rise impacts to coastal zones.

Les plages sableuses et les dunes côtuères occupent encore de nos jours une place importante dans la zone côtière du Nord-Pas-de-Calais. Ces accumulations sableuses, qui sont parfois le seul rempart protégeant les zones basses de la plaine côtière des submersions marines, sont des milieux particulièrement vulnérables dans le contexte actuel de l'élévation du niveau de la mer associée au changement climatique. Les objectifs principaux de la thèse étaient d'analyser les variations du trait de côte et du bilan sédimentaire à l'échelle régionale, d'apprécier le rôle des variations du volume sédimentaire sur la stabilité de la ligne de rivage, et d'évaluer les zones les plus menacées par les risques littoraux dans un avenir proche, de travail reposant en grande partie sur l'utilisation de données topographiques acquises par LiDAR aéroporté entre 2008 et 2014 ainsi que de photographies aériennes de 1963 à 2009. L'analyse de l'évolution du trait de côte a montré des évolutions contrastées, que ce soit spatialement ou temporellement. En effet, plusieurs portions de littoral ont connu une propagation du trait de côte à long terme, comme à court terme, tandis que d'autres sites ont subi un très fort recul à l'échelle de plusieurs décennies, mais aussi ces dernières années. La comparaison entre l'évolution du trait de côte et le volume initial du haut de plage en 2008, a montré que les reculs les plus importants se sont essentiellement produits dans les secteurs où l'on pouvait observer une absence de haut de plage à marée haute. Sur plusieurs sites, nos résultats suggèrent également qu'à partir d'un volume seuil de sédiments sur le haut de plage, le trait de côte est stable ou montre une tendance à la propagation vers le large. La cartographie de l'aléa de submersion marine à l'horizon 2050, prenant en compte la hausse du niveau marin liée au changement climatique, a montré clairement des franchissements du cordon dunaire sur plusieurs sites. Cette cartographie étant établie sur les données topographiques les plus récentes, à savoir décembre 2013 et janvier 2014, ces submersions potentiells ont une forte probabilité de se produire bien plus tôt que l'année 2050 en raison des forts taux d'érosion constatés sur certains massifs dunaires. Le calcul des bilans sédimentaires de l'ensemble du littoral régional, a montré, dans l'ensemble, une tendance à l'accrétion. Cette accrétion est d'autant plus significative pour le haut de plage et les dunes côtières, hormis pour quelques sites qui connaissent un grave déficit sédimentaire (particulièrement dans la baie de Wissant et sur la rive nord de la baie de l'Authie). Ces résultats suggèrent que la côte du Nord-Pas-de-Calais ne se trouve pas dans une situation de pénurie sédimentaire mais connaitrait plutôt une accumulation sur la majeure partie de son linéaire côtier. / Sandy beaches and coastal dunes still represent a significant portion of the coastal of Nord-Pas-de-Calais, northern France. These sandy accumulation landforms, which sometimes constitute the only defense protecting low-lying coastal areas from coastal flooding, are particularly vulnerable to sea level rise associated with climate change. The main objectives of the thesis were to analyze shoreline change and coastal sediment budget at the regional scale, to assess the role of changes in sediment volume on shoreline stability,and to evaluate areas at risk from coastal hazards in the near future, using airborne topographic LiDAR data collected between 2008 and 2014 and aerial photographs from 1963 to 2009. Analyses of shoreline change revealed spatially as well as temporally variables evolutions.Seaward shoreline progradation occured along several stretches of coastline at multidecadal and short times-scales, while significant coastal retreat took place at other sites during the same time periods. The comparison between coastline evolution and the initial volume of the upper beach in 2008 showed that the higher retreat rates were mainly observed in areas where the upper beach was lacking at high tide. Our results also suggest that there is a sediment volume threshold on the upper beach at each site above which the coastline is stable or progrades seaward. Mapping of areas at risk of marine flooding in 2050, taking into account a projection of sea level rise due to climate change, clearly shows that the submersion of coastal dunes would take place at several sites during storm-induced high water level events. The mapping of these areas at risk being based on topographic data collected in December 2013 and January 2014, coastal flooding is very likely to occur much earlier than 2050 at several sites, however, where very high rates of coastal retreat result in severe erosion of the coastal dunes. The calculation of sediment budget based on the repetitive LiDAR surveys shows that, overall, sediment accretion predominates over the entire regional coastal zone. This accretion is particularly significant for the upper beach and coastal dunes, except for a few sites that are characterized by a strong sediment deficit (particularly Wissant bay and the Northern shore of the Authie estuary). These results suggest that the coastal zone of Northern France does not experience sediment shortage, but is rather dominated by sediment storage in the backshore of the sand beaches

Les littoraux sableux dominés par l'action des vagues sont des zones très dynamiques où l'aléa érosion menace les activités humaines et la sécurité des personnes. Comprendre et prévoir les évolutions du trait de côte est crucial pour informer et guider les gestionnaires du littoral. Actuellement, aucun modèle numérique ne permet de reproduire les évolutions du trait de côte sur l'ensemble des échelles spatio-temporelles et des configurations de côte requises du fait de limitations numériques et physiques. Cette thèse se concentre sur le développement de nouveaux outils de modélisation à complexité réduite pour simuler les évolutions du trait de côte le long des littoraux sableux dominés par l'action des vagues sur des échelles de temps allant de l'heure à plusieurs décennies avec des temps de calcul réduits. D'abord, un modèle statistique de trait de côte s'appuyant uniquement sur les occurrences saisonnières de régimes de temps est développé. Ce modèle permet de simuler la variabilité du trait de côte à l'échelle pluriannuelle, sans avoir besoin de connaitre les conditions de vagues ou de modéliser le transport sédimentaire. Puis, un nouveau modèle numérique de trait de côte basé sur les vagues (LX-Shore) est développé en intégrant entre autres les forces de certains modèles existants. Il inclut les processus cross-shore et longshore, et couple la dynamique du trait de côte à la propagation des vagues via le modèle spectral de vagues SWAN. Ce modèle permet de simuler l'évolution de formes complexes comme par exemple les flèches sableuses. Ces outils ouvrent aussi la voie vers une meilleure évaluation des évolutions futures du trait de côte, ainsi que de la contribution respective des processus impliqués. / Wave-dominated sandy coasts are highly dynamic and populated systems increasingly threatened by erosion hazard. Understanding and predicting shoreline change is critical to inform and guide stakeholders. However, there is currently no numerical model able to reproduce and predict shoreline evolution over the full range of temporal scales and coastal geometries owing to numerical and physical limitations. This thesis focuses on the development of new reduced-complexity models to simulate shoreline change along wave-dominated sandy coasts on the timescales from hours to decades with low computation time. First, a statistical shoreline change model based on the seasonal occurrences of some oceanic basin weather regimes is developed. This model allows simulating shoreline variability at the seasonal and interannual scales, without resorting to wave data or sediment transport modeling. Second, a new so-called LX-Shore numerical wave-driven shoreline change model is developed, which takes the best from some existing models and includes additional numerical and physical developments. LX-Shore couples the primary longshore and cross-shore processes and includes the feedback of shoreline and bathymetric evolution on the wave field using a spectral wave model. LX-Shore successfully simulates the dynamics of coastal embayments or the formation of subsequent nonlinear evolution of complex shoreline features such as flying sandspits. It is anticipated that LX-Shore will provide new and quantitative insight into the respective contributions of the processes controlling shoreline change on real coasts for a wide range of wave climates and geological settings.