Depuis quelques années, les observations spatiales des traceurs, comme la température de surface de l'océan (SST) ou la couleur de l'océan, ont révélé la présence de filaments à sous-mésoéchelle, qui ne peuvent être détectées par les satellites altimétriques. Ce travail de thèse explore la possibilité d'utiliser les informations dynamiques contenues dans les images traceur haute résolution pour compléter l'estimation de la dynamique océanique de surface effectuée par les satellites altimétriques. Pour ce faire, la méthode d'inversion développée est inspirée de l'assimilation de données images. A l'aide d'une fonction coût, on mesure la distance entre une image du flot dynamique et l'image des structures présentes sur le traceur. On a choisi pour cette étude d'utiliser le FSLE (Finite-Size Lyapunov Exponents) comme proxy image de la dynamique. Cette méthode est testée avec succès sur plusieurs cas test d'observations spatiales. Un modèle de processus couplé physique-biogéochimie ainsi qu'un modèle réaliste de la mer des Salomon sont utilisés pour estimer l'erreur associée à la méthode d'inversion et la pertinence de la correction effectuée. L'utilisation conjointe d'images traceurs et de données altimétriques présente un fort intérêt pour le contrôle de la circulation océanique. / High resolution sensors of tracers such as the Sea Surface Temperature or the Ocean Color reveal small structures at the submesoscale, which are not seen by altimetry. Therefore, this thesis explores the feasibility of using tracer information at the submesoscales to complement the control of ocean dynamic fields that emerge from altimeter data analysis at larger scales. To do so, an image data assimilation strategy (i.e. inversion of images) is developed in which a cost-function is built that minimizes the misfits between image of submesoscale flow structure and tracer images. In the present work, we have chosen as an image of submesoscale flow structure the Finite-Size Lyapunov Exponents (FSLE). This method has been successfully tested on several areas using tracer and altimetric observations from space A high resolution physico-biogeochemical coupled model of process and a high resolution realistic model of the Solomon sea have been used to assess the error associated with the inversion and the efficiency of the correction on the oceanic circulation. These results show the benefits of the joint use of tracer image and altimetric data for the control of ocean circulations.

Dans ce travail nous nous sommes intéressés à des problèmes de modélisation et d'assimilation de données en océanographie, tant d'un point de vue théorique que numérique. L'étude de l'océan est cruciale pour de nombreuses raisons (changement climatique, météorologie, navigation commerciale et militaire, etc.). Dans une première partie nous étudions les équations primitives linéaires tridimensionnelles de l'océan, et nous donnons des résultats nouveaux de régularité en calculant explicitement le terme de pression. Dans une deuxième partie nous étudions l'assimilation variationnelle de données lagrangiennes dans un modèle d'océan. L'assimilation de données est l'ensemble des méthodes qui permettent de combiner de façon optimale, en vue d'effectuer des prévisions, deux sortes d'informations disponibles sur un système physique : les observations d'une part et les équations du modèle d'autre part. Nous utilisons une méthode variationnelle pour assimiler des données lagrangiennes, à savoir les positions de flotteurs dérivant dans l'océan. Nous commençons par établir de nouvelles estimations a priori pour les équations primitives afin d'étudier le problème théorique de contrôle optimal associé. Puis nous décrivons l'implémentation de la méthode variationnelle dans un modèle réaliste d'océan aux équations primitives. Enfin nous effectuons de nombreuses expériences numériques et notamment plusieurs études de sensibilité, qui montrent que l'assimilation de données lagrangiennes est techniquement réalisable et pertinente d'un point de vue océanographique.

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

Le Crétacé est décrit comme la période la plus chaude des derniers 300 millions d’années. La circulation océanique et l’origine des eaux profondes alimentant les bassins restent mal connues pour le Crétacé, alors qu’elles sont capitales dans la compréhension du rôle de l’océan dans l’évolution du climat à cette époque. Les isotopes du néodyme (Nd) permettent de tracer la circulation océanique et les échanges entre les masses d’eau, et ont été utilisés pour explorer la circulation océanique globale des océans actuels et dans le passé. La composition isotopique en Nd (εNd) des océans dérive de celle des continents qui les entourent. Les courants océaniques exportent cette signature, et les eaux profondes de chaque bassin océanique ont une composition en Nd qui leur est propre. L’interprétation du signal du Nd des eaux océaniques au Crétacé est rendue difficiles du fait de l'insuffisance de la couverture spatiale et temporelle des données existantes. L’objectif de cette thèse est l’acquisition la signature en Nd sur les marges continentales et dans les régions dépourvues de données pour le Crétacé, en se focalisant prioritairement sur les zones potentielles de production d’eau profonde. L’εNd est analysé à partir d’échantillons de dents de poissons, d’oxydes encroûtant les tests de foraminifères et de fraction détritique extraits des sédiments. Les résultats sont comparés aux données de la littérature afin d’identifier les sources des eaux profondes et leur évolution au cours du Crétacé. Les liens entre les changements océanographiques, paléogéographiques et climatiques sont explorés avec un modèle climatique couplé océan-atmosphère. / The Cretaceous is depicted as the warmest period of the last 300 Ma. The oceanic circulation and location of the source zones of deep-waters are essential to understand the role of oceans in the evolution of the climate during the Cretaceous, yet they remain unclear for this period. The neodymium (Nd) isotopes are used to track oceanic circulation and exchanges between water masses, in both past and modern oceans. The Nd isotope composition (εNd) in the ocean is related to the nature of the surrounding continental landmasses. The oceanic currents transport this isotopic signature, thus every oceanic basin acquires a singular εNd. Unequivocal interpretations of the Cretaceous seawater εNd values stem from the insufficient spatial and temporal cover of available data. This PhD thesis intents to collect the Nd signature of continental margins and in regions without data for the Cretaceous, with special attention given to the potential source zones of deep-water production. Fossil fish teeth, coatings on foraminifera tests and detrital fraction from Cretaceous sediments are analyzed for their εNd. The results are compared to published data sets, in order to identify deep-waters source zones and their evolution throughout the Cretaceous. The links connecting oceanographic, palaeogeographic and climatic changes are investigated with a coupled ocean-atmosphere circulation model.

Les modèles numériques d'océans régionaux tridimensionnels sont basés sur la résolution des équations primitives et utilisent pour la plupart des méthodes de résolution eulérienne de type différences finies sur des grilles décalées. Ces modèles doivent représenter fidèlement les transports et transferts d'énergie. L'amélioration de ces modèles numériques exige donc (i) l'identification des processus prépondérants, notamment en terme de dissipation, dans ces transferts et (ii) la construction de méthodes numériques respectant un certain nombre d'équilibres. La première partie du travail se concentre sur la propagation des ondes externes et internes de gravité. Nous nous intéresserons en premier lieu à la stabilité de la séparation en mode rapide (barotrope) et lents (baroclines) et montrons qu'elle peut être ameliorée en levant certaines hypothèses traditionnellement effectuées. Dans un second temps, nous étudions l'impact de la discrétisation (ordre des schémas, grilles décalées ou non) sur la propagation des ondes internes de gravité provenant du couplage vitesse pression. Une décomposition en modes verticaux nous permet également de proposer un schéma espace temps très efficace. La seconde partie étudie en détail les schémas d'advection de quantité de mouvement et de traceurs, tout particulièrement dans l'objectif d'une réduction de la diffusion diapycnale (diffusion dans les directions orthogonales aux couches de densité constante). Ce travail nous amène tout d'abord à porter notre attention sur les schémas d'advection verticaux souvent négligés au regard de la dimension horizontale. Les bonnes propriétés d'un schéma compact (et de ses variantes espace temps et monotones) sont mises en avant. Enfin nous analysons le comportement multidimensionnel de ces schémas d'advection. / Three-dimensional regional ocean numerical models are based on solving the primitive equations and mostly use Eulerian finite differences methods of resolution on staggered grids. These models must accurately represent transports and energy transfers. Improving these numerical models therefore requires (i) the identification of predominant process, particularly in terms of dissipation in these transfers and (ii) the construction of numerical methods respecting a number of balances. The first part of the work focuses on the propagation of external and internal gravity waves. We focus primarily on the stability of the separation in fast mode (barotropic) and slow (baroclinic) and show that it can be improved by removing certain assumptions traditionally made. In a second step, we study the impact of the discretization (order of schemes, staggered grids or not) on the propagation of internal gravity waves coming from the coupling velocity pressure. A decomposition into vertical modes also allows us to offer a highly effective space-time scheme. The second part examines in detail the numerical advection schemes of momentum and tracers, especially with the aim of reducing the diapycnal diffusion (diffusion in the orthogonal direction of constant density layers). This work leads us first to focus our attention on the vertical advection schemes often overlooked in front of the horizontal dimension. The good properties of a compact schema (and its space-time and monotonous variants ) are highlighted. Finally we analyze the multidimensional behavior of these advection schemes.

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

Dans cette thèse je me suis intéressée à l'observabilité de la variabilité de la dynamique océanique de surface du Golfe de Gascogne à partir d'observations satellite et in situ et de simulations numériques basées sur le code SYMPHONIE. Les objectifs sont d'améliorer notre connaissance des processus haute fréquence (de quelques heures à quelques jours) forcés par l'atmosphère et d'évaluer l'adéquation des outils disponibles pour l'observation et la représentation de ces processus. Dans une première approche, j'ai estimé la capacité d'un jeu de données altimétriques côtier à observer la variabilité de l'Iberian Poleward Current (IPC) durant l'hiver 2004. Les résultats ont montré qu'un tel jeu de données était capable de détecter les pulses de l'IPC et que l'altimétrie est un outil complémentaire aux observations de SST et in situ pour le suivi de l'IPC. Dans une seconde approche, j'ai étudié la réponse de l'océan au passage de la tempête Klaus du 24 janvier 2009 simulée par le modèle. J'ai caractérisé la réponse en température et salinité et les processus de mélange associés, la réponse en courant de surface et le phénomène de surcote. Le réalisme du modèle a été évalué par comparaison avec des observations satellites et in situ. Une part importante de mon travail a été accordée à l'amélioration des performances de ma configuration du modèle avec la réalisation de tests sur les paramétrisations.

Les plateaux continentaux et les marges océaniques, à l'interface entre les continents et les océans, constituent une zone clé d'échange d'éléments chimiques et de matière. Ces éléments chimiques sont apportés par les fleuves, potentiellement relâchés par les sédiments déposés sur les marges ou apportés par les résurgences sous-marines (ou plus globalement par les SGD, " Submarine Groundwater Discharge "), puis sont transmis à l'océan ouvert. De nombreuses transformations chimiques ont également lieu au-niveau de cet interface (précipitation, adsorption, désorption, floculation, diffusion depuis les sédiments etc...) qui font que l'interface continent-océan constitue une source et/ou un puits pour les éléments chimiques. Les flux d'éléments chimiques (sels nutritifs, éléments limitants, contaminants) échangés entre la côte et le large ont un impact sur la composition chimique de l'océan ainsi que sur les écosystèmes (planctoniques et benthiques). Ces échanges ont notamment un impact sur le développement du phytoplancton qui constitue une pompe biologique du carbone. Ces flux exercent donc un contrôle sur le cycle du carbone et par conséquent sur le climat. Pour étudier ces zones d'échanges clés, nous utilisons des traceurs géochimiques tels que les isotopes du radium (223Ra, 224Ra, 226Ra, 228Ra) et l'actinium-227 (227Ac). Ces isotopes portent de nombreuses informations essentielles et difficiles à obtenir par d'autres biais. Au contact des sédiments peu profonds, les masses d'eau s'enrichissent en ces isotopes au niveau des marges. Ces radioéléments permettent donc de tracer l'advection de masses d'eau qui sont entrées en contact avec les marges (où elles se sont enrichies en de nombreux éléments chimiques). Une fois que la masse d'eau se détache des sédiments, l'activité radium décroit, ce qui fournit un chronomètre destiné à estimer le temps de transit des masses d'eau ou encore l'âge des masses d'eau. Le radium permet donc également de tracer l'enrichissement potentiel d'une masse d'eau en certains éléments essentiels qui - comme le radium - diffusent depuis les sédiments (ex : fer, élément limitant pour la biomasse phytoplanctonique). Tandis que ces éléments (ex : fer) disparaissent souvent rapidement de la colonne d'eau (réactions chimiques, absorption par le phytoplancton), le radium reste dans la colonne d'eau et se comporte comme un traceur conservatif. Le mélange diffusif (horizontal ou vertical) redistribue également ces radioéléments - ainsi que d'autres éléments chimiques - au sein de l'océan qui permettent ainsi de quantifier les coefficients de mélange diffusifs Kh et Kz, paramètres essentiels pour contraindre les flux d'énergie et d'éléments chimiques dans l'océan. Les isotopes du radium et l'227Ac présentant des périodes radioactives variées (224Ra : 3.7 jours ; 223Ra : 11.4 jours ; 228Ra : 5.8 ans ; 226Ra : 1600 ans ; 227Ac : 21.8 ans), ils permettent d'étudier les processus d'advection et de mélange sur différentes échelles de temps (quelques jours à quelques années) et donc d'espace (depuis la côte jusqu'à l'océan ouvert). Enfin, les décharges d'eau souterraine étant enrichies en radium, ce radioélément a été largement utilisé pour détecter les sites de résurgences sous-marines ou les SGD et pour quantifier les flux d'eau associés à ces systèmes. Depuis 2002, j'ai conduit des études dans différents océans du globe pour fournir au niveau de régions clés - notamment au moyen des isotopes du radium et de l'227Ac - ces informations essentielles qui permettent de contraindre aussi bien les échanges côte-large que le transfert de matière au sein de la colonne d'eau. Dans ce manuscrit, j'ai choisi de présenter avec plus de détails les résultats obtenus au-niveau de régions où les échanges entre la côte et le large se faisaient par des voies différentes : nous avons travaillé dans des régions où les éléments chimiques étaient transmis à l'océan via (i) la libération par les sédiments des marges (ex : Plateau de Kerguelen, projet KEOPS), (ii) l'apport par les fleuves et réactions chimiques dans l'estuaire (ex : estuaire de l'Amazone, projet AMANDES) ou encore via (iii) l'apport par les décharges d'eau souterraine (ex : littoral français méditerranéen, projet CYMENT). Au large des îles Kerguelen, le projet KEOPS a montré que le développement du phytoplancton en pleine région HNLC (" High Nutrient Low Chlorophyll ") pouvait s'expliquer par la fertilisation en fer apporté par les sédiments du Plateau de Kerguelen (Blain et al., 2007). Nous avons contribué à montrer par une approche multitraceur que le fer, élément limitant dans cette région, était transmis dans les eaux de surface du Plateau de Kerguelen par le mélange vertical associé aux ondes de marée et par l'advection d'eau entrée en contact avec les sédiments des marges de l'île Heard, au sud du plateau. Grâce au projet AMANDES mené au large du Brésil et de la Guyane française, nous avons pu chronométrer au moyen des quatre isotopes du radium le temps de transit du panache de l'Amazone depuis l'estuaire jusque dans l'Océan Atlantique et ainsi estimer le temps de résidence de ces eaux sur le plateau continental brésilien (collaboration avec J. De Oliveira, IPEN Sao Paulo, Brésil, financement de l'AIEA). Nous avons également étudié les échanges de radium entre les phases particulaire et dissoute le long du gradient de salinité. Les isotopes du radium étant largement utilisés pour étudier les décharges d'eau souterraine en mer, nous avons travaillé au niveau de plusieurs résurgences d'eau douce le long du littoral Méditerranéen français (étang de La Palme, étang de Salses-Leucate, étang de Thau, Calanques de Marseille) et utilisé nos outils géochimiques pour détecter les résurgences sous-marines, étudier le devenir de ces eaux une fois dispersées en mer ou dans les étangs, quantifier les flux d'eau associés à ces systèmes et tenter d'estimer le temps de résidence des eaux des étangs (collaboration avec T. Stieglitz, JCU Australie, Poste Rouge OMP). Ces études ont pu être menées à bien grâce à des développements analytiques que nous avons conduits en amont. Nous avons notamment créé en 2007 le laboratoire souterrain de mesure des faibles radioactivités LAFARA, localisé à Ferrières dans l'Ariège (Pyrénées). Ce laboratoire est désormais reconnu comme une plateforme d'analyses de l'OMP et fait partie du réseau européen de laboratoires souterrains CELLAR. Le bruit de fond obtenu par les deux spectromètres gamma en fonctionnement dans ce laboratoire est particulièrement bas, ce qui nous permet d'analyser la très faible radioactivité présente dans nos échantillons. De plus, nous nous sommes équipés d'un RaDeCC (Radium Delayed Coincidence Counter) qui nous permet d'analyser les activités 223Ra, 224Ra et 227Ac de nos échantillons. Les analyses de l'227Ac, élément particulièrement rare dans l'océan, ont été conduites en collaboration avec W. Geibert (Université d'Edimbourg, projet d'échange ALLIANCE). Grâce à ces développements, nous avons pu participer aux exercices internationaux d'intercalibration GEOTRACES pour les isotopes 223Ra, 224Ra, 226Ra et 228Ra. Cette capacité analytique nous a également permis d'effectuer des comparaisons entre des analyses réalisées au moyen de différents instruments (226Ra : MC-ICP-MS versus spectrométrie gamma ; 223Ra et 224Ra : RaDeCC versus spectrométrie gamma). Ces différents exercices ont permis de valider les mesures que nous effectuons. Enfin, bien que le radium soit largement utilisé pour tracer les masses d'eau, étudier le mélange et les SGD, ou encore comme outil de datation, le cycle du radium n'est pas encore totalement compris. En particulier, très peu d'études ont été menées jusqu'à présent sur la phase particulaire susceptible d'incorporer du radium dans l'océan. Nous avons donc cherché à étudier le radium porté par cette phase particulaire, en analysant à la fois les particules en suspension et les particules collectées par les pièges à particules. Nous avons ainsi pu apporter des informations nouvelles sur les échanges de radium entre la phase dissoute et les particules dans l'océan. Dans les différents bassins océaniques que nous avons étudiés, nous avons notamment caractérisé le rôle potentiel des Acanthaires dans le cycle du radium. Enfin, les informations que nous avons obtenues dans l'océan actuel - notamment en ce qui concerne le rapport 226Ra/Ba - sont importantes car elles permettent de mieux contraindre les outils que nous utilisons pour étudier l'océan actuel et l'océan passé (ex : datation par le rapport 226Ra/Ba).