Le but de ma thèse est de conduire et d’utiliser les premières observations atmosphériquesde surface du CO2, de l’O2, du CH4 et de la composition isotopique de la vapeur d’eau et desprécipitations dans la région peu instrumentée du sud du Groenland. Quelles informations cesobservations locales peuvent-elles nous apporter à la fois concernant les processus atmosphériqueslocaux et concernant le transport atmosphérique à grande échelle ? Peut-on en extrairedes informations sur les échanges entre la surface et l’atmosphère, qui constituent une part crucialedes cycles biogéochimiques du carbone et de l’eau ? L’interprétation paléoclimatique desenregistrements de carottes de glace au Groenland peut-elle bénéficier de ces observations ?Après une validation des observations menées à Ivittuut, sur la côte sud-ouest du Groenland,en regard de normes internationales de qualité, confirmant leur représentativité des variationsatmosphériques, j’ai commencé par interpréter ces observations en analysant leur variabilité àdifférentes échelles de temps et découlant de processus spécifiques. Ceci m’a permis de montrerque le site de mesure était très peu influencé par des phénomènes locaux : peu de sources localesde gaz à effet de serre, et de processus locaux agissant sur la composition isotopique de la vapeurd’eau. Cette caractéristique facilite l’attribution des variations observées à des changements detransport atmosphérique de grande échelle en lien avec des sources distantes.Pour comprendre les variations observées, je les ai mises en relation avec des observationsissues d’autres sites ainsi qu’avec des sorties de modèles atmosphériques de grande échelle. D’unepart, j’ai constaté que de nombreuses variations de la composition atmosphérique à l’échelle synoptiquepouvaient être expliquées par des modifications du transport atmosphérique de grandeéchelle. J’ai aussi pu identifier la représentativité spatiale de nos observations, et contribuerà l’évaluation de modèles atmosphériques de grande échelle. Enfin, un cas d’étude durant lavague de chaleur ayant affecté la totalité du Groenland durant l’été 2012 m’a permis de suivrele transport atmosphérique de masses d’air et d’observer en plusieurs points ses impacts sur lacomposition isotopique de la vapeur d’eau, notamment sur la conservation du signal d’excès endeutérium, qui n’avait jamais été observée auparavant.Enfin, la combinaison des observations et de la modélisation atmosphérique m’a permis demettre en évidence les contributions de l’observation atmosphérique en terme de documentationdes échanges entre la surface et l’atmosphère : par une attribution des valeurs observées auxsources potentielles identifiées par modélisation des masses d’air affectant la station pour le CH4et la composition isotopique de la vapeur d’eau, et par la comparaison des observations à dessimulations de transport direct de sources connues issues d’inventaires pour le CH4 ou modéliséespour le CO2 et l’O2 océanique. / South Greenland is a key region placed under Arctic and Northern Atlantic influences, whichis poorly documented in terms of atmospheric monitoring. The aim of my thesis is to conductand use the first regional atmospheric observations of CO2, O2, CH4 and isotopic compositionof water vapour and precipitation performed in Ivittuut, a coastal site in south-west Greenland.Which information can we infer from these atmospheric observations, in terms of localatmospheric processes and large scale atmospheric transport variations? Can we use these observationsto document the surface-air exchanges of these compounds, which represent an importantpart of the water and carbon biogeochemical cycles?After validating the observations regarding international precision recommandations, I havebeen able to analyse the variabilities at different time scales, resulting from different specificprocesses. This highlighted the fact the atmospheric composition of our site is weakly influencedby local processes, either for local greenhouse gases sources or small scale atmosphericvariations affecting water vapour isotopic composition. This facilitates the interpretation of ourobservations in terms of large scale atmospheric transport signals.To better understand the observed variations, I related our data series with other observationsoriginating from different sites, and with outputs from different atmospheric models. Ihave first witnessed the links between variations of atmospheric composition and large synopticscale atmospheric transport changes. Then, I have identified the spatial representativity of ourobservations and contributed to the evaluation of atmospheric models. The case study of astrong heat wave covering Greenland during summer 2012 allowed me to study the transport ofwater vapour within an air mass between different stations. It allowed me to provide the firstexperimental observation of deuterium excess conservation during atmospheric transport.Finally, combining observations and atmospheric simulations, I have documented surfaceairexchanges of the observed compounds: first by the attribution of observed values of CH4and water vapour isotopic composition to their simulated potential origins, secondly by thecomparison of observed variations with the direct simulation of atmospheric transport of eitherCH4 sources estimated from inventories or simulated CO2 and O2 air-sea fluxes from an oceanmodel.

L’anticipation et l’adaptation de nos sociétés aux bouleversements résultants du changement climatique sont aujourd’hui des questions majeures guidant les activités humaines et l’action publique. Néanmoins, la prévision reste un défi essentiel en raison des fortes incertitudes existantes et il est primordial de continuer à progresser dans la compréhension des mécanismes à l’origine de ces bouleversements. Au sein du cycle hydrologique, le réservoir de surface (incluant les lacs, les rivières et les plaines d’inondation) occupe une place importante car il est l’une des principales ressources en eau des écosystèmes et des populations. Or, la dynamique des stocks d’eau de surface est toujours mal connue aux échelles régionale et globale, du fait de l’absence de mesures pluriannuelles d’extension et de hauteur d’eau des zones inondées, et de la prise en compte limitée de ces variables dans les modèles hydrologiques et hydrodynamiques. La télédétection spatiale offre désormais la possibilité d’effectuer un suivi des stocks d’eau de surface en utilisant la complémentarité entre l’imagerie multi-spectrale, permettant de cartographier les étendues inondées, et l’altimétrie radar fournissant des séries temporelles de hauteur d’eau des hydro-systèmes continentaux. L’objectif de ma thèse est de tirer le meilleur parti de la complémentarité entre les différents types d’observations spatiales pour évaluer les ressources en eau du réservoir de surface et mesurer la dynamique des transferts d’eau des continents aux océans, et son impact sur la zone côtière en utilisant les concentrations de matières en suspension comme traceur des masses d’eau. Depuis le milieu des années 1990, la multiplication des missions multi-spectrales à moyenne résolution (< 1 km de résolution spatiale) et des altimètres radars à haute précision (comprise entre 10 et 30 cm) permet de réaliser un suivi hebdomadaire à mensuel des volumes d’eau de surface dans les grands bassins fluviaux. / The anticipation and adaptation of our societies to the upheavals resulting from climate change are today major issues guiding human activities and public action. Nevertheless, the forecast remains a key challenge because of the strong uncertainties that exist and it is essential to continue to progress in understanding the mechanisms behind these upheavals. Within the hydrological cycle, the surface reservoir (including lakes, rivers and floodplains) occupies an important place as it is one of the main water resources of ecosystems and populations. However, the dynamics of surface water stocks are still poorly known at the regional and global scales, due to the absence of multi-year measures of extension and water depth of the flooded areas, and the limited consideration of these variables in hydrological and hydrodynamic models. Satellite remote sensing now offers the possibility of monitoring surface water stocks by using the complementarity between multispectral imagery, allowing to map flooded areas, and the radar altimetry providing time series of water depths of continental hydro systems. The aim of my thesis is to make the most of the complementarity between the different types of spatial observations to evaluate the water resources of the surface reservoir and to measure the dynamics of water transfers between land and ocean, and its impact on the coastal zone using suspended particulate matter as tracer of water bodies. Since the mid-1990s, the multiplication of multispectral missions with medium resolution (<1 km of spatial resolution) and high-precision radar altimeters (between 10 and 30 cm) makes it possible to carry out weekly-to-monthly monitoring of volumes surface water in large river basins.

La vapeur d’eau est le principal gaz à effet de serre de l’atmosphère et implique un processus de rétroaction climatique positif qui se traduit par une augmentation importante de l’humidité dans la troposphère dans les prochaines décennies. La vapeur d’eau joue également un rôle primordial dans le système climatique, notamment via le transport d’énergie de l’équateur vers les pôles. Malgré ceci, la compréhension des mécanismes qui contrôlent la distribution de la vapeur d’eau sur le globe reste insuffisante, ce qui se répercute sur les prédictions de l’évolution de notre climat. Depuis quelques années, les observations de la composition isotopique de la vapeur d’eau se sont révélées être particulièrement utiles pour aider à mieux comprendre les processus hydrologiques car les différents isotopologues de la vapeur d’eau (H216O, H218O, HDO) se comportent différemment selon les processus en jeu.<p>Dans cette perspective, les mesures de radiances du système terre-atmosphère dans l’infrarouge thermique par l’Interféromètre Atmosphérique de Sondage Infrarouge (IASI) à bord de la plateforme météorologique MetOp, peuvent fournir des observations du rapport isotopique δD (rapport HDO/H216O), à l’échelle globale et à haute résolution spatio-temporelle, pour autant que la restitution du rapport puisse être obtenue avec une précision suffisante.<p>Dans ce travail, nous présentons une méthodologie robuste et précise pour la restitution du profil de δD à partir des spectres IASI. Basée sur la méthode d’estimation optimale, elle consiste à appliquer des contraintes d’inversion adaptées afin d’obtenir des profils de δD fiables. Nous décrivons le choix de celles-ci et nous montrons que la méthode mise en place permet de fournir des profils de δD qui présentent un maximum de sensibilité dans la troposphère libre. L’adéquation de la méthode mise en place est ensuite évaluée grâce à une étude d’inter-comparaison avec des mesures dérivées de l’instrument spatial TES (Tropospheric Emission Spectrometer sur AURA) et FTIR localisés au sol. L’exactitude des profils IASI a aussi pu être déterminée grâce à des comparaisons avec des mesures in situ. <p>Dans une autre partie du travail, nous nous attachons à préciser les applications liées à l’utilisation des nouvelles mesures dans le domaine des géosciences. Nous documentons ainsi les capacités du sondeur IASI à fournir des mesures de δD à une résolution spatio-temporelle inégalée et décrivons les diverses distributions obtenues. Nous montrons et analysons notamment les premières cartes globales à haute résolution de δD dans la troposphère. Les mesures de δD et de l’humidité sont analysées conjointement à l’aide de modèles simples et permettent de démontrer la plus-value mesures de δD depuis les satellites. Parmi les résultats les plus significatifs, citons la mise en évidence de la signature isotopique des différentes sources de la vapeur d’eau (évaporation continentale/océanique), et celle de l’empreinte des différents processus hydrologiques qui contrôlent l’humidification de l’atmosphère (convection, mélange de masse d’air, ré-évaporation des gouttes de pluie). <p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les régions boréales seront les plus affectées par le réchauffement climatique, c'est pourquoi cette thèse s'est intéressée à l'étude du cycle hydrologique de ces régions. Une nouvelle méthodologie d'extraction du volume de neige à partir de données radiométriques sur l'ensemble des régions boréales a été validée et a permis de montrer une différence de comportement entre 1988 et 2006 sur les variations du volume de neige de l'Eurasie et celui de l'Amérique du Nord. L'étude des variations de volume des eaux de surface des régions arctiques est par contre plus difficile à estimer avec les données satellitaires actuelles. C'est pourquoi un nouveau projet de satellite, la mission SWOT (Surface Water and Ocean Topography), a été proposé qui vise à fournir des cartes de hauteurs d'eau sur l'ensemble du globe. L'apport de cette mission à l'étude des régions arctiques a été estimé en implémentant une modélisation de l'Ob inférieur, fleuve de l'Ouest sibérien, en couplant un modèle hydrologique à grande échelle et un modèle hydrodynamique d'inondations. En ajustant certains paramètres de ces modèles, il a été possible d'obtenir une modélisation réaliste du débit et des hauteurs d'eau du fleuve. L'utilisation d'un lisseur de Kalman d'ensemble local a permis de montrer que les données SWOT devraient permettre de réduire significativement (de plus de 50%) les erreurs de modélisation. L'intérêt de la mission pour l'observation du débit de l'ensemble des fleuves a aussi été estimé en se basant sur un bilan d'erreur préliminaire. L'utilisation de courbes de tarage, ainsi que la prise en compte des erreurs de mesure SWOT ont permis de montrer que ces nouvelles données devraient permettre d'estimer un débit moyen avec une erreur inférieure à 30% pour tous les fleuves ayant une profondeur de plus de 1 m. D'autre part, il a été montré que l'erreur sur l'estimation du débit mensuel due seulement à l'échantillonnage temporel de SWOT diminue avec l'aire drainée et que, pour une aire drainée supérieure à 6 900 km2, cette erreur devrait être inférieure à 20%. Enfin, une méthodologie simple a permis de calculer que la variation annuelle totale du volume de l'ensemble des lacs est de l'ordre de 9 000 km3. Les données spatiales actuelles ne peuvent pas en observer plus de 15%. Selon notre estimation, SWOT quant à lui devrait pouvoir mesurer entre 50% et 65% de cette variation de volume.