L'objectif de cette thèse est de développer des approches statistiques pour l'évaluation systématique et quantitative de simulations océaniques multi-décennales globales à l'aide d'observations altimétriques et hydrographiques. La première étape consiste à extraire des simulations la contrepartie exacte (en temps et en espace) des observations pour construire des données synthétiques. La comparaison entre les données observées et simulées colocalisées permettent d'évaluer les simulations et de les comparer entre elles par rapport à des références communes (observations). De plus, la comparaison entre les sorties des modèles considérées chaque point de grille et colocalisées permet d'évaluer l’impact du sous-échantillonnage des réseaux d’observations sur l'estimation de certaines quantités océaniques importantes pour le climat. Nous quantifions l'impact de la résolution de nos modèles (2°, 1°, ½°, ¼°) sur le réalisme des simulations au regard des observations. Résoudre une gamme d'échelles spatio-temporelles plus large améliore de façon significative la représentation de la circulation océanique moyenne, de la structure thermohaline, de la variabilité saisonnière de la couche de mélange et de la variabilité du niveau de la mer sur plusieurs échelles spatio-temporelles, notamment à l'échelle interannuelle. Ce résultat nouveau montre l’intérêt d’utiliser un modèle au 1/4°, capable de représenter en partie la méso-échelle, pour les scénarios climatiques. Nous mettons également en évidence la capacité du modèle au 1/4° à simuler une variabilité interannuelle intrinsèque du niveau de la mer, non corrélée avec les observations en raison de son caractère chaotique, mais probablement réaliste et nécessaire pour mieux représenter l'intensité de la variabilité interannuelle.A l’aide des simulations, nous montrons également que l'inhomogénéité de la couverture spatio-temporelle du réseau d'observations Argo induit une surestimation des profondeurs et des contenus thermiques de la couche de mélange, et que les limitations géographiques du réseau actuel induisent des biais en amplitude sur les estimations des variabilités saisonnière et interannuelle du contenu thermique de l'océan global. / This work aims to develop statistical approaches to systematically and quantitatively assess 50-year global ocean simulations against altimetric and hydrographic observations. Simulation outputs are first sub-sampled exactly like observations to build pseudo (synthetic) observations. We use collocated misfits between synthetic and real observations to assess the simulations at the same dates and locations, and compare the simulations together. We then use the sub-sampled and fully sampled model outputs to assess the impact of sub-sampling in real observing systems on the estimation of oceanic quantities with climatic relevance. We first quantify how the resolution of our ocean models (2°, 1°, ½°, ¼°) affects the realism of their solutions with respect to both observational datasets. We quantify how broadening the range of resolved space scales significantly improves the representation of the mean surface circulation, the thermohaline structure, the seasonal cycle of mixed layers, as well as sea-surface height variability at most space and time scales; this is particularly the case at interannual time scales, highlighting the potential of eddy-permitting resolutions for climate simulations. We also show the capacity of the 1/4° model to simulate an interannual intrinsic variability of sea-level, decorrelated from observed timeseries because of its chaotic character, but probably realistic and necessary to better represent the intensity of the interannual variability.The simulations also show that the spatio-temporal dispersion of the Argo floats induces overestimations of the mixed layer depths and heat contents, and the geographical restrictions of the actual Argo array induce biases in amplitude on the seasonal and interannual variabilities of the global ocean heat content.

L'eau fait partie intégrante de la vie sur notre planète et joue un rôle important dans les études pour évaluer l'impact du changement climatique. La recherche des ressources en eau est donc très importante pour la communauté scientifique du "climat" non seulement en surveillant de près le budget régional et mondial des ressources en eau, mais aussi pour comprendre les changements dans la fréquence et l'intensité des événements météorologiques ponctuels. Cela est particulièrement vrai pour les phénomènes météorologiques extrêmes, qui ont de grands impacts socio-économiques. L'impact des tempêtes tropicales plus ou plus intenses, des méga-neiges ou des coupes de poussières est l'un des principaux domaines de la recherche climatique. Le but de mon travail de recherche est de fournir des moyens d'évaluer l'impact des changements climatiques sur les ressources en eau et de trouver des outils flexibles permettant une gestion durable de l'eau. Des études récentes ont montré que l'on peut tirer parti des ondes émises en continu par les constellations du système mondial de navigation par satellite (GNSS) pour mesurer l'humidité du sol. Cette technique de télédétection opportuniste, connue sous le nom de réflectométrie GNSS (GNSS-R), consiste à comparer l'interférence des ondes réfléchies par le sol et celles provenant directement des satellites. Dans ma thèse, je me suis concentré sur la base GNSS-R sur le rapport signal-sur-bruit (SNR) enregistré par un récepteur GNSS conventionnel avec une unique antenne pour récupérer les variations d'humidité du sol. Beaucoup d'études ont montré l'efficacité de la méthode sur les sols argileux, et j'ai démontré dans ma thèse qu'elle était tout aussi efficace sur les sols sableux à condition d'appliquer la méthode du déroulement de phase. Cette méthode que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales d'humidité du sol: (1) 100% du sable dans le terrain de jeu de volleyball (Toulouse, France); et (2) >85% de sable dans la zone critique sahélienne de Dahra (Sénégal). En outre, la mesure précise et continue des niveaux d'eau des rivières est un élément important de la gestion des ressources en eau, afin d'obtenir une estimation continue du débit de la rivière dans le monde. La précision de la technique GNSS-R pour l'altimétrie fluviale est son pas d'échantillonnage élevé permet de suivre les événements hydrologiques extrêmes. Deux méthodes, les moindres carrés et la technique "Larson", ont été appliquées avec succès pour déterminer les variations des hauteurs au Vietnam: (1) sur la fleuve Rouge (21 ° 2'44.04 "N, 105 ° 51'48.86" E) où les événements et changements morphologiques associés aux événements hydrologiques (tempête tropicale) en 2016; et (2) sur le delta du Mékong (9 ° 31'38.63 "N, 106 ° 12'2.01" E) où les eaux continentales interagissent avec les eaux océanique. Mon travail montre que le GNSS-R est une alternative puissante et un complément significatif aux techniques actuelles de mesure de la gestion des ressources en eau en établissant un lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement obtenues par les outils conventionnels (in-situ capteurs, télédétection radar, etc.). Cette technique présente le grand avantage d'être basic sur le réseau pérenne du constatation GNSS et peut donc être utilisé sur n'importe quelle station GNSS. Par conséquent, en implantant une chaîne de traitement SNR, on peut automatiquement suivre les variations des environnementaux fondamentaux, i.e. la hauteur de la rivière, la pente locale de la surface de l'eau, les zones inondées, les variations d'humidité du sol et même la hauteur de végétation. / Water is an integral part of life on our planet and it plays an important role in climatic changes. Water resources research is, therefore, very important for the climate communities to not only closely monitor the regional and global water supply budget, but to also understand changes in frequency of occurrence and strength of individual weather events. This is especially true for extreme weather events, which have great societal and economic impacts. Whether we will have more or more intense tropical storms, mega-snow events, or dust-bowls in the near or far future climate. This is one of the key focus areas of climate research. The aim of my PhD work is to provide some answers to assess the impact of future climate change threats on water resources. And we are trying to find the adaptive tools needed for sustainable water resources management. In an effort to optimize water resource management, it is crucial to improve soil moisture situation awareness. With the advent of remote sensing, soil moisture is systematically monitored at the global scale but at the expense of the temporal and/or spatial resolution. Recent studies suggested to take advantage of continuously emitted waves by the Global Navigation Satellite System (GNSS) constellations, to retrieve soil moisture. This opportunistic remote sensing technique, known as GNSS Reflectometry (GNSS-R), consists in comparing the interference of reflected waves by the ground and those which come directly from satellites. In my thesis, I focused on GNSS-R technique base on the signal-to-noise ratio (SNR) recorded by conventional GNSS receiver with single antenna to retrieve soil moisture variations. Previous studies show the efficiency of this methodology for clay soil and I demonstrate for the first time, it's efficiency for sandy soil using Unwrapping phase method. This method that I propose has been successfully applied to determine local soil moisture variations of : (1) 100% of sand in Volleyball playground (Toulouse, France); and (2) >85% of sand in the Sahelian critical zone of Dahra (Senegal). In addition, accurate and continuous measurement of river water levels is an important element in water resource management, to obtain an ongoing estimate of the river's flow around the world. The accuracy of GNSS-R technique for river altimetry is useful for detection of extreme hydrological events and to show the competition between continental and oceanic water near coastal area. The two methods, Least Square and "Larson" methods, has been successfully applied to determine local variations in Vietnam of: (1) the Red river (21°02'44.04"N, 105°51'48.86"E) to identify flood events and morphological changes associated to the hydrological events (tropical storm) in 2016; and (2) the Mekong river delta (9°31'38.63"N, 106°12'2.01"E) where continental water interacts with oceanic water. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques for managing water resource by establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (in-situ sensors, remote sensing radar, etc.). This technique has a great advantage based on already-developed and sustainable GNSS satellites networks and can be applied to any GNSS geodetic station. Therefore, by installing a processing chain of the SNR acquisitions, we are able to monitor various environmental parameters i.e. height river, local slope of water surface, flooded areas, soil moisture variations and even vegetation/plant height.

Basé sur l'analyse conjointe et complémentaire de ~10 ans de données altimétriques et de profils verticaux de température et de salinité acquis par les profileurs Argo, l'objectif principal de cette thèse est d'étudier en détail les caractéristiques de surface et la structure verticale des tourbillons dans les 4 grands systèmes d'upwelling mondiaux (EBUS Pérou-Chili, Californie, Canaries et Benguela), qui partagent une dynamique à grande échelle relativement similaire. Les résultats principaux montrent que l'ensemble des tourbillons détectés sur les cartes altimétriques dans les 4 EBUS ont des propriétés physiques relativement proches, avec une forte proportion de tourbillons de faibles dimensions ayant une durée de vie relativement courte. Au contraire, la faible partie des tourbillons échantillonnés par les profileurs Argo montre des dimensions bien plus grandes pour des durées de vie plus longues. La sur-représentation de ces grandes échelles dans le jeu des tourbillons échantillonnés par les profileurs Argo est donc le biais majeur des résultats obtenus sur la structure verticale des tourbillons. L'analyse des profils moyens d'anomalies de température et de salinité acquis par les profileurs Argo dans les tourbillons révèle une forte hétérogénéité entre les 4 EBUS, mais également au sein de chacun de ces systèmes d'upwelling. Les structures verticales des tourbillons sont fortement liées à l'hydrologie et à la dynamique locale. Par exemple, les tourbillons de subsurface du PCUS occupent plutôt la partie Sud du système, alors que les tourbillons intensifiés en surface sont présents à la limite Nord de la gyre subtropicale. Dans le CALUS, la présence de Cuddies se devine à la côte, les autres sous-régions contenant des tourbillons dont les anomalies sont majoritairement intensifiées à la base de la pycnocline, avec comme particularité un changement de signe lié à la salinité des couches superficielles. Le CANUS est peuplé de tourbillons très différents en fonction de leur position par rapport à la zone frontale du Cap Vert : au Nord, des tourbillons intenses en subsurface, avec la présence de quelques Meddies ; au Sud, des tourbillons très superficiels. De même dans le BENUS, la partie au Nord de 15°S contient plutôt des tourbillons intensifiés dans les couches de surface, alors qu'au Sud du front d'Angola-Benguela, les tourbillons présentent des anomalies fortes sur une grande partie de la colonne d'eau. L'extrême Sud de cet EBUS est également le lieu de passage des Anneaux des Aiguilles. Les contributions de l'advection isopycnale et du déplacement de la colonne d'eau sur la verticale nous permettent d'affiner la description de ces différentes structures. La présence de grands types de tourbillons, à la morphologie bien distincte (cœur de surface, de subsurface, grande extension verticale, tourbillons fortement intensifiés, etc.), est confirmée par l'étude des tourbillons spécifiquement générés dans la bande côtière. L'analyse Lagrangienne de ces tourbillons nous permet également de décrire l'évolution temporelle de leur structure verticale, qui montre une homogénéité temporelle inattendue. Cette thèse présente donc plusieurs outils facilement applicables dans différentes régions océaniques pour caractériser la structure thermohaline des tourbillons et fournit pour la première fois une description des grands types de tourbillons peuplant les EBUS, soulignant la grande diversité de la mésoéchelle. / Merging ~10 years of altimetry maps and vertical profiles provided by Argo floats, we aim to study in details the eddy's surface characteristics and vertical structure in the 4 major Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS : Peru-Chile, California, Canaries and Benguela), sharing similar large-scale dynamics. Our main results show that the eddies detected on altimetry maps in the 4 EBUS have close physical properties, with a lot of small-scale structures (radius < 40km, amplitude < 1cm and lifetime < 30 days). In contrast, the few eddies sampled by Argo floats have larger dimensions (radius of ~90-140 km, amplitude of ~3-7 cm) and longer lifetimes (6-10 months). The major bias with the analyzed vertical structure is the over representation of these large-scale eddies. The temperature and salinity anomaly mean profiles acquired by Argo floats surfacing within eddies reveals a strong heterogeneity between each of the 4 EBUS, but also within them. The eddies' vertical structure is strongly influence by the local hydrology and dynamics. For example, the subsurface-intensified eddies of the PCUS tend to be located in the Southern part of this EBUS, while the surface-intensified eddies are preferentially located near the Northern boundary of the subtropical gyre. In the CALUS, we can identify Cuddies in some coastal sub-regions, but in this EBUS, most of the eddies are intensified at the base of the pycnocline, with a reversal of the salinity anomaly compared to the surface layers. In the CANUS, the Cape Verde frontal zone separates distinct subsurface-intensified eddies and some Meddies in the North, from the Southern part, where eddies are surface-intensified. In the same way, the Angola-Benguela Front of the BENUS separates the surface-intensified eddies in the North from strong, deep-reaching anomalies in the South. The Southern-most part of the BENUS is also a preferential pathway for the large Agulhas Rings and their associated cyclones. The respective contributions of isopycnal advection and vertical displacement improve the description of these very diverse structures. The presence of several eddy-types, with distinct thermohaline properties (surface or subsurface-intensified, deep vertical extend, intense or not, etc.) is confirmed by the study of eddies generated in the coastal area of each EBUS. Their Lagrangian analysis allows us to describe the temporal evolution of their vertical structure, which shows an unexpected temporal homogeneity. This manuscript presents different efficient tools used to analyze the surface characteristics, the thermohaline properties and the temporal evolution of mesoscale eddies in the 4 major EBUS, highlighting their diversity.

L'Antarctique est encore un continent à explorer pour comprendre le climat terrestre, passé, présent et futur. Grâce à l'analyse des carottages, on peut remonter l'histoire du climat terrestre sur plusieurs centaines de milliers d'années. Grâce à l'étude de sa topographie, on peut remonter à la variabilité de son climat, connaître sa dynamique : écoulement de la glace, vêlages d'icebergs. . . Grâce au suivi de la topographie, c'est-à-dire la variation de la hauteur de glace, on peut estimer les pertes et les gains de masses ainsi que la contribution à la hausse du niveau de la mer, pour déduire l'impact sur les océans et les littoraux. Pour explorer ce continent, nous utilisons dans cette thèse l'instrument embarqué sur satellite qu'est l'altimètre. Une onde radar ou laser est envoyée sur le sol et la réflexion de ce signal est enregistrée permettant d'extraire des paramètres pertinents et la hauteur de glace. Les satellites ont pris le relais des expéditions célèbres du XIXème siècle, notamment depuis le lancement du premier altimètre couvrant jusqu'à 82æ S ce continent, embarqué sur la mission ERS-1. Depuis 2013, SARAL marque un changement dans les caractéristiques instrumentales par rapport aux missions précédentes, car elle émet dans une fréquence appartenant à la bande Ka (36.75 Ghz) au lieu des bandes Ku (13.6 Ghz) et S (3.2 Ghz) ce qui implique une interaction avec la surface différente qu'il faut pouvoir comprendre. Avec près de trois ans d'observations, ce manuscrit regroupe les travaux sur le traitement des données altimétriques dans un but de valorisation de la mission SARAL. Nous présentons le contexte géographique et le contexte technique pour montrer les difficultés du traitement des données . En utilisant la méthode des points de croisement que nous expliciterons, nous présentons l'importance de la comparaison de deux missions concomitantes, ENVISAT et ICESat afin d'estimer la profondeur de pénétration en bande Ku de l'onde radar et corriger de cet effet, étude que l'on pourra répéter avec SARAL une fois la mission ICESat-2 lancée. Nous avons adapté une chaîne de calibration et de validation des données sur glace continentale qui nous permet d'établir des diagnostics, des statistiques et des suivis temporels. La pente de la surface joue un rôle prépondérant dans la dégradation de la précision des données. Nous mettons en place un processus de sélection des données altimétriques afin d'augmenter cette précision. Grâce à cette sélection et l'application de la correction de marée océanique, nous quantifions avec des métriques aux points de croisement la performance de la mesure de SARAL sur glace continentale, et nous réduisons l'imprécision de la mesure de plus de 90%. Enfin, grâce aux sorties de notre chaîne de validation, nous décrivons les observations de SARAL sur près de trois ans afin d'apporter une analyse préliminaire cohérente avec la mission précédente qu'est ENVISAT. Nous soulevons les améliorations à apporter pour aller plus loin dans la physique de la mesure. Que ce soit la comparaison avec d'autres missions, l'utilisation de modèles ou des modifications dans l'algorithme d'extraction des paramètres du signal appelé retracking, SARAL apporte de nouvelles perspectives afin que l'évolution de la calotte Antarctique soit connue avec une précision toujours croissante. / Antarctica still remains a fascinating place to be explored. With ice corings, the past Earth climate can be retraced. Studying its surface, its climate variability and its dynamic are better known : ice velocity, iceberg calvings. . . Through the height variations monitoring, ice gains and losses are estimated, leading to the contribution to the sea-level rise, from which is deduced the impact over coastal areas or the oceans. To explore this continent, we use the sensor called altimeter : a radar or laser wave is sent from the satellite to the surface and the reflected signal is recorded. From this signal we extract relevant parameters and the height. The satellites have observed this area, notably since the altimetric mission ERS-1 launching, until 82æ S in 1991, following the still famous explorations from the beginning of the twentieth century. SARAL, launched in February 2013, innovates because of the major change in the frequency used, the Ka-band (36.75 Ghz) instead of the Ku-band (13.6Ghz) and the S-band (3.2 Ghz) implying a different interaction between the radar wave and the snowpack that needs to be investigated. Using almost three years of observations, we focus on the altimetric signal processing and its validation. The geographic and the technical aspects are introduced and we show the limitations in the altimetric data processing. Using the crossover method (explained in greater detail later), we compare two simultaneous missions, ENVISAT and ICESat in order to better constrain the penetration effect of the radar-wave into the snowpack and correct it. The method that is used will be of great interest to compare SARAL with the future mission ICESat- 2. A new calibration and validation tool has been implemented, allowing a long-term survey of the Antarctic area, providing statistics, diagnostics and temporal series. The slope effect is the major limitation in the precision assessment of the mission. Thanks to a new way of selecting the data and the oceanic tide correction, we quantify with metrics computed at crossover points the accuracy of altimetric data over the Antarctic ice sheet. We describe in the last part the SARAL observations to give a preliminary analysis in agreement with the former mission ENVISAT. Other ways of improvement are presented, like future altimetric missions, modifications in the so-called retracking algorithm that extracts the relevant parameters or even the use of models. SARAL raises perspectives to estimate with a growing precision the evolution of the Antarctic continent, and this thesis is a state of the art about the different possible processings needed to do so.

Mit der Mission des Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) gelangte erstmals ein Laseraltimetersystem in einen erdgebundenen Orbit. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht anhand von drei verschiedenen Anwendungen das Potenzial dieser Altimeterdaten zur Überwachung des Antarktischen und des Grönländischen Eisschilds. Beide Schilde bilden ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem der Erde. In einem ersten Hauptabschnitt werden die ICESat-Altimeterdaten für das Gebiet des Lake Vostok, des größten Vertreters subglazialer Seen in der Antarktis, untersucht. Dieses Gebiet eignet sich durch die Höhenstabilität des über dem See liegenden Eisschilds insbesondere als Validierungsgebiet für Altimeterdaten. Diese werden hinsichtlich der zwischen den Lasern auftretenden Offsets umfassend analysiert. Die ermittelten Offsets variieren in einem Bereich zwischen -7.5 und +13.9 cm und erreichen damit die angestrebte Messgenauigkeit der Mission. Im Hinblick auf eine Bestimmung von zeitlich linearen Höhenänderungen der Eisschilde stellen sie den größten genauigkeits-limitierenden Faktor dar. Aus den um die Offsets korrigierten Altimeterdaten wird ein rasterförmiges Topographiemodell der Eisoberfläche erstellt. Dieses wird umfassend untersucht. Im Anschluss werden glaziologische Anwendungen vorgestellt, für welche das Topographiemodell eine zentrale Grundlage bildet. Unter anderem erfolgt in der Kombination mit Eisdicken- und Geoidinformationen der Nachweis, dass sich das Eis über dem See im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Im Zuge dieser Untersuchung wird aber auch deutlich, dass an einigen Stellen des Sees das Gleichgewicht verletzt wird. Mögliche Ursachen hierfür werden näher untersucht und eingehend diskutiert. Für den Grönländischen Eisschild erfolgt die Analyse der um die Laseroffsets korrigierten Altimeterdaten zur Ableitung zeitlich linearer Höhenänderungen. Die methodische Basis hierfür bildet eine Wiederholspuranalyse der Altimeterdaten. Zur Minimierung des Einflusses der lokalen Topographie und zur besseren Separation der saisonalen Höhenvariation werden die korrespondierenden Altimetermessungen entlang der Referenzspuren an ein drei-komponentiges mathematisches Modell durch Ausgleichung bestmöglich angepasst. Die für den ICESat-Missionszeitraum bestimmte mittlere Höhenrate des Eisschilds beträgt -13.0±0.5 cm/a. Die stärkste Höhenabnahme verzeichnet der Eisschild in den westlichen und südöstlichen küstennahen Randbereichen. Unter Verwendung der Eisdichte für die Volumen-Massen-Umrechnung entspricht dies einer Massenänderung von -209.5±35.6 Gt/a. Dies entspricht einem eustatischen Meeresspiegelanstieg von +0.6±0.1 mm/a. In einer dritten Anwendung werden die ICESat-Altimeterdaten über dem Amery-Schelfeises untersucht. Es wird eine Methodik vorgestellt, welche auf der Kreuzkorrelation von Höhenprofilen verschiedener Epochen beruht und zur Ableitung von Fließgeschwindigkeiten des Schelfeises dient. Der entwickelte Ansatz wird auf die ICESat-Referenzspur 49 angewendet. Sie verläuft entlang der zentralen Achse des Schelfeises. Im Bereich zwischen -71.6° und -70.1° Breite wächst die Fließgeschwindigkeit von +0.83±0.09 m/d auf +1.02±0.06 m/d an. Das Ergebnis steht im Einklang mit einem unabhängigen Geschwindigkeitsmodell, welches zur Validierung herangezogen wurde. / The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) was the first Earth-orbiting laser altimeter mission in space. The following work is dedicated to the ICESat-altimetry data in order to demonstrate their full potential for the investigation of glaciological implications in polar regions. The primary science objective of the mission was to focus on the mass balances of the Greenland Ice Sheet and the Antarctic Ice Sheet. Both of them play a key role in the Earth's climate system. Firstly, the ICESat elevation profiles covering the Lake Vostok region are analysed in more detail. The Lake Vostok is the largest known subglacial lake in Antarctica to date. Due to a fast and strong degradation of the laser energy, the ICESat elevation measurements are affected by offsets. The estimated offsets between the laser operational periods vary between -7.5 und +13.9 cm. Therefore, they can't be neglected in the view of precise mass change determinations for ice sheets. In addition, a Digital Elevation Model (DEM) of the ice surface topography is generated on the basis of the adjusted elevation profiles. The DEM is analysed in more detail. Furthermore, the DEM forms the basis for the investigation of glaciological implications. In combination with an ice-thickness model and a regional geoid model the hydrostatic equilibrium condition is evaluated. It turns out, that the ice sheet covering the lake fulfils the hydrostatic equilibrium condition within ±1 m for large parts of the lake. Beside this, positive and negative deviations are found in the northern and southern part of the lake. Secondly, ice surface height changes and their temporal variations are inferred for the Greenland ice sheet. This investigation is based on a refined repeat-track analysis in order to exploit the full potential of ICESat's altimetry data. To reduce the influence of the local topography corresponding measurements along the track are fitted to a mathematical model, consisting of three components. For the entire ice sheet a mean surface height trend of -13.0±0.5 cm/yr is determined. The largest changes are identified at the coastal margins of the ice sheet. Using the ice surface height changes long-term volume- and mass-change rates are inferred. For this purpose the density of pure ice is used for the volume-mass-conversion. The overall long-term mass change rate amounts to -209.5±35.6 Gt/yr. This is equivalent to an eustatic sea level rise of +0.6±0.1 mm/yr. A third approach analyses ICESat elevation profiles over the Amery ice shelf. The method is based on a cross-correlation analysis of different ICESat repeat cycle in order to determine the ice flow velocity along the track. This method is applied to reference track 49. The investigation reveals that between 71.7° S and 70.1° S along the reference track, the ice-flow velocity increases from about +0.83±0.09 m/d to +1.02±0.06 m/d. These results are in general good agreement with velocities derived from an independent velocity field.

Die Bestimmung von Variationen des Meeresspiegels ist heute wichtiger Gegenstand geodätischer Forschungen. So stellt der mittlere Meeresspiegel eine geometrische Grenzfläche der Erdfigur dar. Seine säkulare Änderung ist darüber hinaus eine wichtige Größe u.a. bei der Planung künftiger Küstenschutzmaßnahmen. Die zuverlässige Schätzung dieser Größen aus den relativ kurzen Zeitreihen aktueller Satellitenaltimeterbeobachtungen wird jedoch durch lang- und kurzzeitig wirkende Meeresspiegelvariationen erschwert. Am Beispiel der Ostsee wurde ein Verfahren entwickelt, diese Variationen in den Beobachtungsdaten mit Hilfe modellierter Oberflächenauslenkungen, die einem hochauflösenden ozeanographischen Modell der Ostsee entnommen wurden, zu reduzieren. Die Streuung der beobachteten Höhen wurde so von ursprünglich etwa 15 bis 25cm auf unter 10cm reduziert. Vor der Nutzung des Modells ergab der Vergleich der modellierten mit beobachteten Variationen des Meeresspiegels eine Genauigkeit der modellierten Meeresspiegelauslenkungen von 5 bis 15cm. Darüber hinaus konnte unter Verwendung von Pegelbeobachtungen eine Modellverbesserung erzielt werden. Die Kombination der Beobachtungen unterschiedlicher Altimetermissionen erforderte des Weiteren eine Homogenisierung der Reihen und die Überprüfung ihrer Langzeitstabilität. Hierzu erfolgte eine absolute Altimetervalidierung durch Vergleich mit Pegelmessungen in der südlichen Ostsee. Relative Biaswerte wurden durch Vergleich der Beobachtungen unterschiedlicher Altimeter im Bereich der gesamten Ostsee ermittelt. Die korrigierten und um die modellierten Meeresspiegelvariationen reduzierten Altimetermeeresspiegelhöhen bildeten im Weiteren die Grundlage zur Bestimmung des mittleren Meeresspiegels der Ostsee und seiner säkularen Änderung. Der lineare Trend des Meeresspiegelanstieges in der Ostsee, bezogen auf das Geoid, ergab sich zu (+1,2+-0,8)mm/Jahr. Die Kombination dieses Wertes mit der an Küstenpegeln beobachteten relativen Meeresspiegeländerung erlaubte weiterhin die Schätzung postglazialer Landhebungsraten im Küstenbereich an den Pegelstationen. Die mittlere Meerestopographie innerhalb der offenen Ostsee wurde, bezogen auf ein regionales Geoidmodell, mit einer Genauigkeit von etwa 3 bis 10cm bestimmt. Das erarbeitete Verfahren zeigt das Potential der Kombination geodätischer Beobachtungsverfahren mit den Ergebnissen einer präzisen Modellierung der beobachteten Größe. Die Arbeit stellt eine regionale Studie dar, die - bei Vorhandensein entsprechender Daten - auch auf andere Regionen übertragbar ist. / The determination of sea level variations is a major topic of present geodetic research. The mean sea surface is a geometric boundary surface to describe the figure of the Earth. Its secular change has, for instance, to be considered in future coastal protection projects. However, the estimation of reliable values for these parameters from the relatively short altimeter observation time series is hampered by long- and short-term sea level variations. For the Baltic Sea, a processing scheme was developed that uses sea surface elevations taken from a high-resolution oceanographic model of the Baltic Sea to reduce these sea level variations in the observations. Thus, the standard deviation of the observed sea level heights was reduced from original values of about 15 to 25cm to final values of less than 10cm. A comparison of the modelled and the observed sea level variations was performed before the model was employed. From this, the accuracy of the modelled sea surface elevations was found to be in the order of 5 to 15cm. Moreover, the oceanographic model could be improved by the assimilation of tide gauge observations. The combination of the observations of different satellite altimeters requires also the homogenisation of the time series and the examination of their temporal stability. The comparison with tide gauge observations at the southern coast of the Baltic Sea allowed the determination of the absolute bias of each altimeter mission. Relative bias values were estimated by comparison of altimetric heights of different missions within the entire Baltic Sea. Finally, the time series of the corrected and reduced altimetric sea level heights formed the basis on which the mean sea surface of the Baltic Sea and its secular change were determined. The linear rate of the sea level rise in the Baltic Sea with respect to the geoid was estimated to (+1,2+-0,8)mm/year. This absolute rate was then combined with the relative sea level change observed at coastal tide gauges, allowing the estimation of the rates of the postglacial rebound in the vicinity of the gauges. The mean sea surface topography in the open Baltic was determined with an accuracy of about 3 to 10cm. A regional geoid model served as the reference surface. The presented procedure shows the potential of combining geodetic observations with the results of a precise model of the observed parameter. It can be regarded as a regional study that can be applied also to other regions where observational and modelled data are available.

Este estudo apresenta o teste da eficiência do Earth Global Model 2008 (EGM2008) na geração de um modelo geoidal local, através da compatiblização com a ondulação obtida por posicionamento GPS (Global Positioning System) em 63 Referências de Nível (RN’s) localizadas no município de Porto Alegre, Rio Grande do Sul. O objetivo geral da dissertação foi analisar a exatidão do modelo geoidal gerado a partir dos coeficientes do modelo geopotencial EGM2008 para nivelamento por GPS no município de Porto Alegre e os objetivos específicos foram: a avaliação do modelo na região de Porto Alegre, a comparação das ondulações geoidais do EGM2008 (NEGM2008) com as ondulações geoidais em 63 RN’s (NGPS), o ajustamento da componente sistemática do geoide que é a diferença entre NEGM2008 e NGPS e a geração do modelo geoidal local compatibilizado para Porto Alegre. O método adotado apresenta as seguintes etapas: cálculo das ondulações geoidais nas RN’s; eliminação de erros grosseiros; geração do modelo geoidal através dos dados do EGM2008 com resolução de 7” de arco; cálculo da componente sistemática do geoide; ajustamento da componente sistemática através de transformação por polinômio de 2° grau com seis parâmetros pelo Método dos Mínimos Quadrados (MMQ). Os resultados obtidos foram: os parâmetros que compatibilizam o modelo geoidal global com o local e modelo geoidal local compatibilizado no formato raster, contendo as ondulações geoidais para todo o município. O novo modelo apresentou erro médio de 1,9 cm e desvio padrão de 7,2 cm. Os resultados da dissertação confirmam que é possível reduzir o erro associado ao modelo global através dos procedimentos adotados. Dessa maneira, conclui que o método utilizado reduziu o valor médio da componente sistemática de 15,4 cm para 1,9 cm após o ajustamento. / This study presents the Earth Global Model 2008’s (EGM2008) efficiency test on the conception of a local geoid model. The results were acquired through the undulation compatibility obtained by GPS (Global Positioning System) in 63 Bench Mark (BM) located in Porto Alegre, Rio Grande do Sul state, Brazil. The aim of this research was to analyze the accuracy of the geoid model generated from the geopotential model EGM2008’s coefficients to GPS leveling in Porto Alegre. The specific goals were the evaluation of the model in Porto Alegre region’s, the comparison between the EGM2008 (NEGM2008) geoid undulations and the geoid undulations in 63 BM (NGPS), and the adjustment of geoid’s systematic component, that is the difference between NEGM2008 and NGPS and the local geoid model’s conception to Porto Alegre. The method used presents the following steps: geoid undulation on RN’s’s computation; elimination of gross errors; geoid model’s conception through EGM2008’s data with resolution of 7” of arch; geoid’s systematic component computation; adjustment of the systematic component through transformation of 2nd degree polynomial with six parameters by the method of Least Squares. The results were: the parameters that make the models global and local compatible, and local geoid model compatible in raster format, containing the geoid undulations for the entire municipality. The new model showed 1.9 of mean error and 7.2 cm of standard deviation. Through the procedures adopted, the dissertation results’ confirm that it is possible to reduce the error associated of the the global model. Therefore, the conclusion is that the method used reduced the mean error of the systematic component from 15,4 cm to 1.9 cm, after the adjustment.

Este estudo apresenta o teste da eficiência do Earth Global Model 2008 (EGM2008) na geração de um modelo geoidal local, através da compatiblização com a ondulação obtida por posicionamento GPS (Global Positioning System) em 63 Referências de Nível (RN’s) localizadas no município de Porto Alegre, Rio Grande do Sul. O objetivo geral da dissertação foi analisar a exatidão do modelo geoidal gerado a partir dos coeficientes do modelo geopotencial EGM2008 para nivelamento por GPS no município de Porto Alegre e os objetivos específicos foram: a avaliação do modelo na região de Porto Alegre, a comparação das ondulações geoidais do EGM2008 (NEGM2008) com as ondulações geoidais em 63 RN’s (NGPS), o ajustamento da componente sistemática do geoide que é a diferença entre NEGM2008 e NGPS e a geração do modelo geoidal local compatibilizado para Porto Alegre. O método adotado apresenta as seguintes etapas: cálculo das ondulações geoidais nas RN’s; eliminação de erros grosseiros; geração do modelo geoidal através dos dados do EGM2008 com resolução de 7” de arco; cálculo da componente sistemática do geoide; ajustamento da componente sistemática através de transformação por polinômio de 2° grau com seis parâmetros pelo Método dos Mínimos Quadrados (MMQ). Os resultados obtidos foram: os parâmetros que compatibilizam o modelo geoidal global com o local e modelo geoidal local compatibilizado no formato raster, contendo as ondulações geoidais para todo o município. O novo modelo apresentou erro médio de 1,9 cm e desvio padrão de 7,2 cm. Os resultados da dissertação confirmam que é possível reduzir o erro associado ao modelo global através dos procedimentos adotados. Dessa maneira, conclui que o método utilizado reduziu o valor médio da componente sistemática de 15,4 cm para 1,9 cm após o ajustamento. / This study presents the Earth Global Model 2008’s (EGM2008) efficiency test on the conception of a local geoid model. The results were acquired through the undulation compatibility obtained by GPS (Global Positioning System) in 63 Bench Mark (BM) located in Porto Alegre, Rio Grande do Sul state, Brazil. The aim of this research was to analyze the accuracy of the geoid model generated from the geopotential model EGM2008’s coefficients to GPS leveling in Porto Alegre. The specific goals were the evaluation of the model in Porto Alegre region’s, the comparison between the EGM2008 (NEGM2008) geoid undulations and the geoid undulations in 63 BM (NGPS), and the adjustment of geoid’s systematic component, that is the difference between NEGM2008 and NGPS and the local geoid model’s conception to Porto Alegre. The method used presents the following steps: geoid undulation on RN’s’s computation; elimination of gross errors; geoid model’s conception through EGM2008’s data with resolution of 7” of arch; geoid’s systematic component computation; adjustment of the systematic component through transformation of 2nd degree polynomial with six parameters by the method of Least Squares. The results were: the parameters that make the models global and local compatible, and local geoid model compatible in raster format, containing the geoid undulations for the entire municipality. The new model showed 1.9 of mean error and 7.2 cm of standard deviation. Through the procedures adopted, the dissertation results’ confirm that it is possible to reduce the error associated of the the global model. Therefore, the conclusion is that the method used reduced the mean error of the systematic component from 15,4 cm to 1.9 cm, after the adjustment.

Este estudo apresenta o teste da eficiência do Earth Global Model 2008 (EGM2008) na geração de um modelo geoidal local, através da compatiblização com a ondulação obtida por posicionamento GPS (Global Positioning System) em 63 Referências de Nível (RN’s) localizadas no município de Porto Alegre, Rio Grande do Sul. O objetivo geral da dissertação foi analisar a exatidão do modelo geoidal gerado a partir dos coeficientes do modelo geopotencial EGM2008 para nivelamento por GPS no município de Porto Alegre e os objetivos específicos foram: a avaliação do modelo na região de Porto Alegre, a comparação das ondulações geoidais do EGM2008 (NEGM2008) com as ondulações geoidais em 63 RN’s (NGPS), o ajustamento da componente sistemática do geoide que é a diferença entre NEGM2008 e NGPS e a geração do modelo geoidal local compatibilizado para Porto Alegre. O método adotado apresenta as seguintes etapas: cálculo das ondulações geoidais nas RN’s; eliminação de erros grosseiros; geração do modelo geoidal através dos dados do EGM2008 com resolução de 7” de arco; cálculo da componente sistemática do geoide; ajustamento da componente sistemática através de transformação por polinômio de 2° grau com seis parâmetros pelo Método dos Mínimos Quadrados (MMQ). Os resultados obtidos foram: os parâmetros que compatibilizam o modelo geoidal global com o local e modelo geoidal local compatibilizado no formato raster, contendo as ondulações geoidais para todo o município. O novo modelo apresentou erro médio de 1,9 cm e desvio padrão de 7,2 cm. Os resultados da dissertação confirmam que é possível reduzir o erro associado ao modelo global através dos procedimentos adotados. Dessa maneira, conclui que o método utilizado reduziu o valor médio da componente sistemática de 15,4 cm para 1,9 cm após o ajustamento. / This study presents the Earth Global Model 2008’s (EGM2008) efficiency test on the conception of a local geoid model. The results were acquired through the undulation compatibility obtained by GPS (Global Positioning System) in 63 Bench Mark (BM) located in Porto Alegre, Rio Grande do Sul state, Brazil. The aim of this research was to analyze the accuracy of the geoid model generated from the geopotential model EGM2008’s coefficients to GPS leveling in Porto Alegre. The specific goals were the evaluation of the model in Porto Alegre region’s, the comparison between the EGM2008 (NEGM2008) geoid undulations and the geoid undulations in 63 BM (NGPS), and the adjustment of geoid’s systematic component, that is the difference between NEGM2008 and NGPS and the local geoid model’s conception to Porto Alegre. The method used presents the following steps: geoid undulation on RN’s’s computation; elimination of gross errors; geoid model’s conception through EGM2008’s data with resolution of 7” of arch; geoid’s systematic component computation; adjustment of the systematic component through transformation of 2nd degree polynomial with six parameters by the method of Least Squares. The results were: the parameters that make the models global and local compatible, and local geoid model compatible in raster format, containing the geoid undulations for the entire municipality. The new model showed 1.9 of mean error and 7.2 cm of standard deviation. Through the procedures adopted, the dissertation results’ confirm that it is possible to reduce the error associated of the the global model. Therefore, the conclusion is that the method used reduced the mean error of the systematic component from 15,4 cm to 1.9 cm, after the adjustment.

La mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), menée par le CNES et le JPL et dont le lancement est prévu pour 2020, marque un tournant majeur pour l'altimétrie spatiale, à la fois en océanographie et en hydrologie continentale. Il s'agit de la première mission interférométrique SAR dont l'objectif spécifique est la mesure de la hauteur des eaux. L'instrument principal de la mission, KaRIn, un radar interférométrique en bande Ka, présente des caractéristiques particulières : angle de visée proche du nadir (0.6 à 3.9°), faible longueur d'onde (8.6 mm) et courte base stéréoscopique (10 m). Ces spécificités techniques entrainent des particularités propres à SWOT, à la fois en termes de phénoménologie et de traitement des données. Par ailleurs, du fait de la nature et du grand volume des données, de nouvelles méthodes de traitement sont envisagées, qui se distinguent de celles des missions interférométriques antérieures. Pour le mode " Low Rate " (LR) dédié à l'océanographie, une grande partie du traitement se déroulera à bord pour limiter le volume de données à transmettre au sol. Le mode " High Rate" (HR) visant principalement l'hydrologie continentale, présente lui aussi des originalités en termes de traitement, essentiellement réalisé au sol, de par la grande diversité de structure des surfaces d'eau qui seront observées. Pour les deux modes, la stratégie d'inversion de la phase en hauteurs géolocalisées ne peut être calquée sur celles des missions antérieures, fondées sur le déroulement spatial de la phase interférométrique. L'approche retenue est d'utiliser, autant que possible, un modèle numérique de terrain (MNT) de référence pour lever l'ambiguïté de phase et procéder directement à l'inversion de hauteur. Ceci permet à la fois de gagner en temps de traitement et de s'affranchir de l'utilisation des points de contrôle, difficiles à obtenir sur les océans comme sur les continents, du fait des variations de niveau d'eau et un rapport signal à bruit très faible sur les zones terrestres. Dans les cas où la précision du MNT de référence n'est pas suffisante pour assurer correctement le déroulement de la phase, des méthodes visant à détecter et réduire les erreurs sont proposées. Afin de faciliter l'utilisation des hauteurs géolocalisées issues de la phase l'interférométrique en mode HR, nous proposons une méthode qui permet d'améliorer considérablement la géolocalisation des produits, sans dégrader l'information de hauteur d'eau. / The SWOT mission (Surface Water and Ocean Topography), conducted by CNES and JPL, and scheduled for launch in 2020, is a major step forward for spaceborne altimetry, both for oceanography and continental hydrology. It is the first interferometric SAR mission whose specific objective is the measurement of water surface height. The main instrument of the mission, KaRIn, a Ka-band Radar Interferometer, has particular characteristics: very low incidence angle (from 0.6 to 3.9°), short wavelength (8.6 mm), and short baseline (10 m). This technical configuration leads to properties that are specific to SWOT, both in terms of phenomenology and data processing. Moreover, due to the nature and the huge volume of data, new processing methods, different from those used in previous interferometric mission, are considered. For the Low Rate (LR) mode dedicated to oceanography, a large part of the processing will take place onboard to limit the data volume transmitted to ground. The High Rate (HR) mode, mainly targeting continental hydrology, also present original characteristics in terms of processing, essentially conducted on ground, due to the large diversity in the structure of the observed water surfaces. In both modes, the strategy for conversion of phase into geolocated heights cannot be directly based on those of previous missions, relying on spatial phase unwrapping. The approach retained here is to use, as far as possible, a reference Digital Terrain Model (DTM) to remove the phase ambiguity and proceed directly to height inversion. This allows both to reduce the computing time and to avoid the need for ground control points, which are difficult to obtain both over oceans and continental surfaces, due to varying water level and very low signal-to-noise ratio over land. For cases where the precision of reference DTM is not good enough to ensure a correct phase unwrapping, methods to detect and reduce the errors are proposed. To facilitate the use of the geolocated heights derived from the interferometric phase in HR mode, we propose a method that permits to significantly improve the geolocation of the products, without degrading the water height information.