Les techniques de télédétection spatiale constituent un apport majeur pour l'étude des variations de masses d'eau dans les grands bassins fluviaux, en permettant un suivi homogène de ces fluctuations dans l'espace et dans le temps. <br />L'objectif de cette thèse a été de développer de nouvelles applications hydrologiques au moyen des mesures spatiales acquises par différents types de mission satellitaire : altimétrie radar, imagerie satellitaire, gravimétrie spatiale. L'altimétrie spatiale offre la possibilité d'étudier les variations de niveau d'eau des grands fleuves, des lacs et des zones d'inondation, garantissant ainsi une surveillance continue et globale des eaux de surface. Elle donne aussi accès à des produits hydrologiques nouveaux comme le profil hydrologique ou la pente des fleuves. Elle permet en outre de définir des réseaux limnimétriques nivelés, dont les stations peuvent être définis tant sur les fleuves que sur les zones d'inondation, complémentaires des réseaux in-situ. Combinée à l'imagerie spatiale, l'altimétrie satellitaire a été utilisée pour déterminer les variations de volume d'eau dans les grands bassins fluviaux. Ces paramètres revêtent, en effet, une importance fondamentale pour les hydrologues car le premier est à la base des études hydrodynamiques et le second apporte des contraintes sur la répartition des masses d'eau entre zones inondées et réseau hydrographique, avec des applications au transport des sédiments et à la disponibilité des ressources en eau à l'échelle régionale. Des exemples d'utilisation de ces techniques sont présentés pour les bassins amazoniens et du Mékong. La mission de gravimétrie spatiale GRACE, lancée en mars 2002, fournit, quant à elle, les variations spatio-temporelles des stocks d'eaux continentales (eau des sols et manteau neigeux) et de paramètres hydrologiques dérivés comme l'évapotranspiration. Une analyse de l'évolution des stocks d'eau et de neige est présentée à partir des premiers géoïdes mensuels issus de la mission GRACE, aux échelles globale et régionale, ainsi que le calcul du paramètre d'évapotranspiration, à l'échelle du bassin versant. Ces résultats sont comparés à la variation des volumes d'eau de surface obtenue précédemment pour le bassin du Mékong.

Le travail présenté s'attache à répondre aux questions suivantes :<br /><br />L'altimétrie spatiale radar peut elle être utilisée pour régionaliser les débits du Bassin du Rio Negro ? Si oui, les méthodologies développées peuvent elles être appliquées à un bassin encore moins bien instrumenté, par exemple celui du fleuve Caqueta, en Amazonie Colombienne ? <br /><br />Nous présentons le méthodologie utilisée pour définir une série temporelle de hauteur d'eau à une station virtuelle (intersection entre une trace satellite et un plan d'eau) à partir des mesures des missions radar Topex/Poseidon et ENVISAT. La mise en œuvre d'un modèle hydrodynamique permet de propager les débits à partir de quelques stations de mesures in-situ jusqu'aux stations virtuelles. Une courbe de tarage (relation hauteur/débit) peut alors être estimée aux stations virtuelles ce qui permet de compléter les mesures in-situ et de densifier le réseau hydrologique; ainsi que déterminer certains paramètres physiques tels que la profondeur moyenne de l'eau sur la section transversale, la pente du fond du lit et le coefficient de rugosité de Manning. L'introduction de 21 et 11 stations virtuelles respectivement sur le cours principal du Rio Negro et le Caqueta, nous a permis de réduire d'environ 10 fois les tailles des bassins pour lesquels on peut disposer désormais de mesures de flux à partir des mesures spatiales.

La mission Cassini-Huygens a été conçue dans le but d'étudier la planète Saturne et son environnement proche, notamment le satellite Titan. L'orbiteur Cassini possède à son bord un instrument radar en bande Ku (f=13.78 GHz) qui aura pour principal but de percer l'épaisse atmosphère de Titan et d'en imager la surface. Dans ce contexte, l'objectif de notre travail était de préparer l'interprétation des futures données du radar. Nous avons, pour ce faire, réalisé des simulations de la propagation de l'onde radar avec l'aide de mesures diélectriques effectuées en laboratoire, ceci afin d'anticiper les éventuelles perturbations liées à la traversée de l'épaisse atmosphère de Titan et à la rétrodiffusion sur sa surface. En raison de l'absence de données concernant les propriétés diélectriques micro-onde des particules qui composent les brumes de Titan, nous avons effectué des mesures de la constante diélectrique d'analogues d'aérosols synthétisés en laboratoire (aussi appelés tholins) autour de 13.78 GHz. Nous avons obtenu pour la partie réelle une valeur comprise entre 2 et 2.5, avec une tangente de perte allant de 10-3 à 5.10-2. Nous avons également rassemblé les valeurs de constante diélectrique des espèces susceptibles de composer l'atmosphère et la surface de Titan pour lesquelles il existait déjà des mesures dans le domaine micro-onde : hydrocarbures légers en phase liquide et solide, glace d'eau et silicates. Avec l'aide de ces mesures diélectriques, nous avons ensuite développé des simulations dédiées à l'étude du comportement de l'onde radar de Cassini tout au long de son parcours. Les résultats en termes d'atténuation atmosphérique sont les suivants : (1) les scénarios de brumes d'aérosols ne causent aucune atténuation et dans ces conditions l'onde radar atteint la surface de Titan sans subir aucune perte. Dans ces modèles d'atmosphère, le rayon des particules n'excède pas 1 um et l'atténuation résultante ne dépassent jamais 0.01 dB. (2) En revanche, lorsque une couche de pluie est ajoutée dans les derniers kilomètres, l'atténuation dépasse rapidement la limite de sensibilité de l'instrument radar. Une onde émergeant d'un tel nuage serait tellement atténuée qu'en retour, aucun écho de surface ne pourrait être détecté. Seule la composante réfléchie sur la couche de nuages pourrait être accessible. Les simulations de rétrodiffusion de surface démontrent également que l'on peut s'attendre à une rétrodiffusion plutôt faible, même pour des surfaces relativement rugueuses à la longueur d'onde du radar de Cassini. A travers une étude plus détaillée de la propagation du pulse de l'altimètre de Cassini et de son interaction avec l'atmosphère de Titan, nous sommes arrivés à la conclusion qu'il serait possible de détecter la présence hypothétique de nuages et de sonder un certain nombre de leurs propriétés (existence de pluies et extension des systèmes de nuages, taille, concentration et vitesse des particules).

Dans le contexte de la hausse actuelle du niveau marin, la détermination du mouvement vertical à la côte est cruciale pour deux principales raisons. D'une part, parce qu'il est enregistré dans la mesure marégraphique et constitue une source d'incertitude dans l'estimation des variations long terme du niveau marin (suivant les auteurs ces variations sont de l'ordre de 1 à 2 mm/an de montée au cours du siècle passé). Et d'autre part, parce que les processus de subsidence à la côte sont un facteur aggravant des effets de la montée du niveau marin avec parfois des taux qui résultent en une montée relative du niveau marin de l'ordre de 1 cm/an, soit des projections de 1 mètre en un siècle, sans accélération des contributions climatiques actuelles. Cette thèse de doctorat s'attaque à la détermination des mouvements verticaux à la côte par GPS et par une méthode originale de combinaison des données de marégraphie et d'altimétrie radar embarquée sur satellite. La méthode proposée ici est basée sur celle de Kuo et al. (2004), reprise et étendue en appliquant un filtrage spatio-temporel issu de l'analyse EOF des deux types de séries de données. La méthode est appliquée dans le Golfe du Mexique sur la période 1950-2009 en utilisant les quinze séries marégraphiques de plus de 40 ans d'observations disponibles dans la région au PSMSL et les séries altimétriques mises à disposition dans AVISO sur la période 1992-2009. La comparaison avec les mouvements verticaux issus des cinq séries de positions de stations GPS co-localisées avec marégraphes montre un écart moyen quadratique sur les différences de 0.60 mm/an révélant la grande précision de la nouvelle approche. Les séries temporelles GPS ont préalablement fait l'objet d'une analyse poussée du bruit et des incertitudes associées, légitimant l'utilisation des séries GPS dans la correction des tendances du niveau marin obtenues des marégraphes. Les incertitudes obtenues des vitesses verticales GPS sont de l'ordre de 0.5 mm/an ce qui est significativement inférieur à d'autres analyses de ce type. La méthode altimétrie moins marégraphie mise au point offre donc des perspectives intéressantes dans la détermination précise des mouvements verticaux côtiers où il n'existe pas de mesures géodésiques.

La mesure de la hauteur des océans, des vents de surface (fortement liés aux températures des océans), ou encore de la hauteur des vagues sont un ensemble de paramètres nécessaires à l'étude des océans mais aussi au suivi de leurs évolutions : l'altimétrie spatiale est l'une des disciplines le permettant. Une forme d'onde altimétrique est le résultat de l'émission d'une onde radar haute fréquence sur une surface donnée (classiquement océanique) et de la mesure de la réflexion de cette onde. Il existe actuellement une méthode d'estimation non optimale des formes d'onde altimétriques ainsi que des outils de classifications permettant d'identifier les différents types de surfaces observées. Nous proposons dans cette étude d'appliquer la méthode d'estimation bayésienne aux formes d'onde altimétriques ainsi que de nouvelles approches de classification. Nous proposons enfin la mise en place d'un algorithme spécifique permettant l'étude de la topographie en milieu côtier, étude qui est actuellement très peu développée dans le domaine de l'altimétrie.

Cette thèse propose le développement d'une méthodologie d'utilisation des données d'altimétrie satellitaire radar pour l'analyse de la variation spatio-temporelle des processus hydriques dans les zones humides du bassin Amazonien. Etant donné le faible nombre de travaux publiés sur le sujet pour les eaux continentales, ce travail a inclus une validation extensive des données d'altimétrie satellitaire des missions ENVISAT et ERS-2, sur divers objets du bassin Amazonien. Nous avons utilisé une méthode originale permettant une sélection fine en 3D des mesures et l'application de corrections de mesures inclinées. Cette méthode a permis d'améliorer sensiblement la qualité des séries de niveau d'eau. Les séries temporelles altimétriques ont été alors couplées avec des images MODIS pour l'étude des variations de volumes stockés dans les zones humides et utilisées pour analyser la variabilité spatio-temporelle du cycle hydrologique à l'échelle des sous-bassins. Du point de vue de l'altimétrie satellitaire. Les validations conduisent avec des traces entre elles au niveau de points de croisement ou des données in situ résultent en RMS qui varient de 12 à 226 cm pour ENVISAT (Ice-1 et Ice-2) et de 32 à 197 cm pour ERS-2 (Ice-2). Ces séries temporelles mettent en évidence la grande variabilité spatiale du cycle hydrologique, selon la connexion et la position relative entre les lits principaux, les lacs et les marécages. En ce qui concerne l'analyse intégrée d'altimétrie et d'images MODIS, elle a montre qu'il est possible de mettre en évidence la saisonnalité du cycle hydrique dans des zones humides a partir d'informations satellitaire.

Ce travail de thèse a pour objectif d'évaluer l'apport des données altimétriques satellitaires sur le contrôle des circulations océaniques dans l'océan Atlantique Tropical par assimilation de données.<br />Une méthode d'Expériences de Simulations de Systèmes d'Observations (OSSE) a été appliquée en expériences jumelles avec le modèle de circulation océanique NEMO dans une configuration emboîtée d'une résolution spatiale de 0.25°.<br />Ces expériences ont été réalisées, de manière distinctes, pour deux phénomènes marquants de l'Atlantique Tropical : les ondes tropicales d'instabilités (TIW) et les tourbillons associés au courant du Brésil (NBC).<br />Nous avons testé différents systèmes satellitaires, comprenant des satellites existants (JASON-1, JASON-2, ou ENVISAT ...), des satellites programmés (SARAL) ou encore en projet tels que SWOT.<br />Pour ces derniers, différentes options d'orbites ont été envisagées.<br />Les principaux résultats obtenus ont montré que si un seul satellite est suffisant pour contrôler la propagation des TIW et des tourbillons du NBC, un système multi-satellitaire est nécessaire pour corriger avec précision leur structure verticale.<br />Certaines orbites se sont révélées plus favorables que d'autres pour corriger l'un des deux phénomènes, et l'existence de critères d'échantillonnage spécifiques (cycle de répétitivité, sous-cycles) est apparue comme déterminante.<br />Enfin, les apports de l'atimétrie à large fauchée (qui devrait être opérationnelle dans quelques années) ont été mis clairement en évidence.

La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus. <br /><br />Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.<br /><br />On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur. <br /><br />Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple). <br /><br />La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.

Dans le contexte de la hausse actuelle du niveau marin, la détermination du mouvement vertical à la côte est cruciale pour deux principales raisons. D’une part, parce qu’il est enregistré dans la mesure marégraphique et constitue une source d’incertitude dans l’estimation des variations long terme du niveau marin (suivant les auteurs ces variations sont de l’ordre de 1 à 2 mm/an de montée au cours du siècle passé). Et d’autre part, parce que les processus de subsidence à la côte sont un facteur aggravant des effets de la montée du niveau marin avec parfois des taux qui résultent en une montée relative du niveau marin de l’ordre de 1 cm/an, soit des projections de 1 mètre en un siècle, sans accélération des contributions climatiques actuelles. Cette thèse de doctorat s’attaque à la détermination des mouvements verticaux à la côte par GPS et par une méthode originale de combinaison des données de marégraphie et d’altimétrie radar embarquée sur satellite. La méthode proposée ici est basée sur celle de Kuo et al. (2004), reprise et étendue en appliquant un filtrage spatio-temporel issu de l’analyse EOF des deux types de séries de données. La méthode est appliquée dans le Golfe du Mexique sur la période 1950-2009 en utilisant les quinze séries marégraphiques de plus de 40 ans d’observations disponibles dans la région au PSMSL et les séries altimétriques mises à disposition dans AVISO sur la période 1992-2009. La comparaison avec les mouvements verticaux issus des cinq séries de positions de stations GPS co-localisées avec marégraphes montre un écart moyen quadratique sur les différences de 0.60 mm/an révélant la grande précision de la nouvelle approche. Les séries temporelles GPS ont préalablement fait l’objet d’une analyse poussée du bruit et des incertitudes associées, légitimant l’utilisation des séries GPS dans la correction des tendances du niveau marin obtenues des marégraphes. Les incertitudes obtenues des vitesses verticales GPS sont de l’ordre de 0.5 mm/an ce qui est significativement inférieur à d’autres analyses de ce type. La méthode altimétrie moins marégraphie mise au point offre donc des perspectives intéressantes dans la détermination précise des mouvements verticaux côtiers où il n’existe pas de mesures géodésiques. / In the context of the current sea level rise, the determination of coastal vertical land motion is crucial for two main reasons. In one hand, tide gauge measurements are affected by vertical displacements and this is a source of uncertainties for the estimation of long-term sea level variations ( those variations are in the order of 1 to 2 mm/yr of sea level rise during the last century according to different authors). On the other hand, coastal subsiding processes could aggravate the effects of sea level rise with rates leading sometimes to 1 cm/yr of relative sea level rise, that is 1 meter over a century, without any acceleration of climatic contribution. This PhD thesis addresses the determination of coastal vertical land movement by GPS and by an original method combining the data from both tide gauge and satellite radar altimetry. The method which is suggested here is based on those of Kuo et al., (2004), repeated and extended by spatio-temporal filtering from EOF analysis of the two kinds of series. The method is applied in the Gulf of Mexico over the period 1950-2009 using the available fifteen tide gauge series of more than 40 years of observations selected from the PSMSL and altimetric series selected from AVISO over the period 1992-2009. The comparison between vertical land movements from the five position time series of the GPS stations collocated at tide gauge locations shows a root mean square error of 0.60 mm/an over the difference , highlighting the high accuracy of the new approach. Beforehand, GPS time series underwent a detailed noise analysis and their associated uncertainties, legitimating the use of GPS series in the correction of tide gauge sea level trends. The uncertainties from GPS vertical velocities are in the order of 0.5 mm/yr which is significantly lower than other analysis of this type. The adjusted method altimetry minus tide gauge presents interesting prospects for the accurate determination of coastal land motion where there are not geodetic measurements.

La thèse est centrée sur l'étude des lacs dans la Cordillère des Andes en Amérique du Sud. Pour améliorer la connaissance des changements climatiques qui ont lieu dans cette région plusieurs études sont réalisées. Au Nord, pour le Lac Poopó en Bolivie une bathymétrie est calculée à partir des données de télédétection. Pour la première fois, il a été possible de calculer la variation du stock d'eau de ce lac éphémère à partir des observations MODIS couplés avec la bathymétrie. Dans la partie centrale du Chili l'étude est concentrée sur une région nommée Los Lagos, occupée par une myriade des petits lacs. Cette région a été choisie pour étudier les performances et les limitations des altimètres nadir. Au sud, à l'intersection avec la Patagonie, l'étude se concentre sur les barrages du glacier Perito Moreno et la modélisation du bassin versant des lacs Argentino et Viedma. Cette thèse s'inscrit aussi dans le cadre des préparations pour la mission Surface Water and Ocean Topography (SWOT). Son objectif était d'étudier la capacité et la précision verticale du masque d'eau restitué par SWOT. Cet objectif est réalisé en combinant la bathymétrie du Lac Poopó et les observations MODIS. Ces informations permettent de générer des scènes théoriques de hauteur d'eau utilisées en entrée du simulateur SWOT développé par le JPL et le CNES. La précision verticale du masque d'eau est comparée aux spécifications théoriques de la mission. / The thesis focuses on lakes in Andean Cordillera in South America. In order to improve the knowledge of climatic changes occurring in this area several studies are made. In the North, for the Lake Poopó in Bolivia a bathymetry is computed from freely available remote sensing data. For the first time the water storage of this ephemeral saline lake can be calculated from direct MODIS observations coupled with bathymetry. In central Chile the study focus on a region called Los Lagos filled with numerous lakes in order to precisely evaluate nadir altimetry potential to study mountainous lakes, and to explore nadir altimetry weakness. On the south at the boundary with Patagonia, the study focuses on Perito Moreno glacier damming events and numerical modelling of Lake Argentino - Viedma basin. The thesis is also included in the preparation of Surface Water and Ocean Topography (SWOT) mission preparation process. The aim is to assess SWOT accuracy on water mask retrieval. This is done by combining high precision bathymetry of Lake Poopó in Bolivia with MODIS observations in order to create multiple realistic scenes processed by the SWOT Simulator. The vertical accuracy of water heights inverted from interferograms is compared to the theoretical mission specifications.