Au cours du 20ème} siècle, les enregistrements marégraphiques suggèrent une hausse du niveau de la mer de 1.8 mm/an. Plus récemment, les observations spatiales indiquent une hausse de 3.3 mm/an sur la période 1993-2009. Cette augmentation au cours du temps est attribuée au réchauffement global de la planète enregistré depuis plusieurs années maintenant. Durant cette thèse, nous analysons les observations et les causes de la hausse moyenne globale du niveau de la mer. Nous estimons les variations stériques du niveau de la mer grâce aux données du projet international Argo et, les variations de masse des océans liés aux apports d'eau des continents à l'aide des mesures de la mission GRACE. Une autre étude se concentre sur la variabilité du stock d'eaux continentales des plus grands bassins hydrologiques de la planète, à l'aide des données GRACE, et l'impact de cette composante à la hausse du niveau de la mer. Puis, nous analysons l'impact de la variabilité interannuelle du stock d'eaux continentales aux variations du niveau de la mer sur diverses périodes. Enfin, nous étudions le bilan des contributions climatiques à la hausse observée du niveau de la mer sur la période altimétrique totale et pour les années récentes. Dans une deuxième partie, nous étudions les variations régionales du niveau de la mer. Nous établissons dans un premier temps, les causes de la variabilité régionale du niveau de la mer et nous interprétons le signal résiduel issu de la différence entre le niveau de la mer observé et l'expansion thermique des océans. Nous étudions ensuite les variations passées des structures régionales du niveau de la mer sur les dernières décennies (1950-2003). Le but est de reconstruire les variations passées du niveau de la mer en 2-D et ainsi d'avoir une connaissance plus approfondie de l'évolution régionale du niveau moyen des mers. Ce travail a pour objectif ultime de contraindre les modèles climatiques couplés utilisés par l'IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) pour prédire l'évolution future du niveau de la mer au cours du 21ème siècle. Cette analyse nous permet de détecter un signal basse fréquence dans la variabilité régionale du niveau de la mer que nous observons non seulement dans les données in situ mais aussi dans les modèles climatiques couplés.

Le niveau de la mer est une des variables climatiques essentielles dont la variabilité résulte de nombreuses interactions complexes entre toutes les composantes du système climatique sur une large gamme d'échelles spatiales et temporelles. Au cours du XXème siècle, les mesures marégraphiques ont permis d'estimer la hausse du niveau de la mer global entre 1,6 mm/an et 1,8 mm/an. Depuis 1993, les observations faites par les satellites altimétriques indiquent une hausse du niveau de la mer plus rapide de 3,3 mm/an. Grâce à leur couverture quasi-globale, elles révèlent aussi une forte variabilité du niveau de la mer à l'échelle régionale, parfois plusieurs fois supérieure à la moyenne globale du niveau de la mer. Compte tenu de l'impact très négatif de l'augmentation du niveau de la mer pour la société, sa surveillance, la compréhension de ses causes ainsi que sa prévision sont désormais considérées comme des priorités scientifiques et sociétales majeures. Dans cette thèse, nous validons d'abord les variations du niveau de la mer mesurées par la nouvelle mission d'altimétrie satellitaire, SARAL-AltiKa, en comparant les mesures avec celles de Jason- 2 et des marégraphes. Un autre volet de cette première partie de thèse a consisté à estimer les parts respectives des facteurs responsables des variations du niveau de la mer depuis 2003 en utilisant des observations issues de l'altimétrie satellitaire (missions altimétrique Jason-1, Jason-2 et Envisat), de la mission GRACE, et des profils de température et salinité de l'océan par les flotteurs Argo. Une attention particulière est portée à la contribution de l'océan profond non 'vue' par Argo. Nous montrons que les incertitudes dues aux approches du traitement des données et aux erreurs systématiques des différents systèmes d'observation nous empêchent encore d'obtenir des résultats précis sur cette contribution. Dans la deuxième partie de la thèse, en utilisant les données de reconstruction du niveau de la mer dans le passé, nous étudions la variabilité régionale du niveau de la mer et estimons sa hausse totale (composante régionale plus moyenne globale) de 1950 à 2009 dans trois régions vulnérables: l'océan Indien, la mer de Chine méridionale et la mer des Caraïbes. Pour les sites où l'on dispose de mesures du mouvement de la croûte terrestre par GPS, nous évaluons la hausse locale du niveau de la mer relatif (hausse du niveau de la mer totale plus mouvement de la croûte locale) depuis 1950. En comparant les résultats de ces trois régions avec une étude précédente sur le Pacifique tropical, nous constatons que le Pacifique tropical présente la plus forte amplitude des variations du niveau de la mer sur la période d'étude. Dans la dernière partie de la thèse, nous nous concentrons par conséquent sur le Pacifique tropical. Nous analysons les rôles respectifs de la dynamique océanique, des modes de variabilité interne du climat et du forçage anthropique sur les structures de la variabilité régionale du niveau de la mer du Pacifique tropical depuis 1993. Nous montrons qu'une partie importante de la variabilité régionale du niveau de la mer du Pacifique tropical peut être expliquée par le mouvement vertical de la thermocline en réponse à l'action du vent. En tentant de séparer le signal correspondant au mode de variabilité interne du climat de celui de la hausse régionale du niveau de la mer dans le Pacifique tropical, nous montrons également que le signal résiduel restant (c'est-à-dire le signal total moins le signal de variabilité interne) ne correspond probablement pas à l'empreinte externe du forçage anthropique. / Sea level is an integrated climate parameter that involves interactions of all components of the climate system (oceans, ice sheets, glaciers, atmosphere, and land water reservoirs) on a wide range of spatial and temporal scales. Over the 20th century, tide gauge records indicate a rise in global sea level between 1.6mm/yr and 1.8 mm/yr. Since 1993, sea level variations have been measured precisely by satellite altimetry. They indicate a faster sea level rise of 3.3 mm/yr over 1993-2015. Owing to their global coverage, they also reveal a strong regional sea level variability that sometimes is several times greater than the global mean sea level rise. Considering the highly negative impact of sea level rise for society, monitoring sea level change and understanding its causes are henceforth high priorities. In this thesis, we first validate the sea level variations measured by the new satellite altimetry mission, SARAL-AltiKa by comparing the measurements with Jason-2 and tide gauge records. We then attempt to close the global mean sea level budget since 2003 and estimate the deep ocean contribution by making use of observational data from satellite altimetry, Argo profiles and GRACE mission. We show that uncertainties due to data processing approaches and systematic errors of different observing systems still prevent us from obtaining accurate results. In the second part of the thesis, by making use of past sea level reconstruction, we study the patterns of the regional sea level variability and estimate climate related (global mean plus regional component) sea level change over 1950-2009 at three vulnerable regions: Indian Ocean, South China and Caribbean Sea. For the sites where vertical crustal motion monitoring is available, we compute the total relative sea level (i.e. total sea level rise plus the local vertical crustal motion) since 1950. On comparing the results from these three regions with already existing results in tropical Pacific, we find that tropical Pacific displays the highest magnitude of sea level variations. In the last part of the thesis, we therefore focus on the tropical Pacific and analyze the respective roles of ocean dynamic processes, internal climate modes and external anthropogenic forcing on tropical Pacific sea level spatial trend patterns since 1993. Building up on the relationship between thermocline and sea level in the tropical region, we show that most of the observed sea level spatial trend pattern in the tropical Pacific can be explained by the wind driven vertical thermocline movement. By performing detection and attribution study on sea level spatial trend patterns in the tropical Pacific and attempting to eliminate signal corresponding to the main internal climate mode, we further show that the remaining residual sea level trend pattern does not correspond to externally forced anthropogenic sea level signal. In addition, we also suggest that satellite altimetry measurement may not still be accurate enough to detect the anthropogenic signal in the 20 year tropical Pacific sea level trends.