L’augmentation du risque d’inondation fluviale ou de submersion littorale est déjà visible à travers des événements récents comme la tempête Xynthia et les inondations du Var qui ont causé des dizaines de morts en France. Ces événements dramatiques bien que d’ampleur limitée auraient justifié l’évacuation préventive des zones à fort risque, mais les conséquences pour la population seront bien plus importantes lorsque des agglomérations urbaines de plusieurs dizaines ou centaines de milliers d’habitants menaceront d’être partiellement ou totalement submergées par les flots. Cette possibilité est déjà d’actualité pour des grandes mégapoles mondiales comme Alexandrie et Bangkok, et menace en France des villes comme Tours, Paris ou Nice. De plus en plus conscientes de cette éventualité, les grandes villes côtières, estuariennes et fluviales de France, d’Europe et sur tous les continents vont être amenées à préparer des plans de secours et d’évacuation de masse pour faire face à des événements exceptionnels. L’élaboration de ces plans s’avère extrêmement complexe et délicate aussi bien pour des raisons techniques, organisationnelles, sociologiques et même politiques. La grande majorité des villes du monde soumises à un risque de catastrophe de grande ampleur ne disposent pas de ce type de plan et une recherche auprès de différentes sources montre qu’il existe peu ou pas d’outils opérationnels pour aider les responsables territoriaux à mettre en œuvre ces plans en phase de préparation et de gestion de crise. Nos travaux visent plus précisément à contribuer à l’élaboration d’une méthode d’aide à la décision d’évacuation s’appuyant sur les plans d’évacuations réalisés en phase de préparation. Nous proposons pour cela d’adapter les outils de la logique floue à un ensemble d’indicateurs de synthèse sélectionnés à partir d’une méthode de planification des évacuations développée par ailleurs au sein du laboratoire Avenues-GSU. Ces indicateurs retenus intègrent des données classiques sur le niveau d’aléa (prévision globale et niveaux d’eau locaux), la vulnérabilité du territoire et des habitants, mais aussi et c’est plus innovant sur la capacité des autorités et de la population à évacuer dans un cadre sécurisé. Le résultat final de cette méthode, appliquée à la dimension spatiale avec les logiciels MatLab et ArcGIS, est une carte de nécessité d’évacuation indiquant les zones les plus prioritaires à évacuer selon une analyse multicritères en logique floue. Elle a été expérimentée sur le site pilote de l’estuaire de la Gironde et la ville de Bordeaux, et les résultats théoriques comparés avec les inondations historiques de 1981 et 1999. On a également étudié un scénario 2 prospectif tenant compte du changement climatique et des conséquences d’une élévation du niveau de la mer de 1m au cours du 21ème siècle. Cette méthode et cet outil prototype devraient aider à termes les décideurs à mieux appréhender une situation complexe en phase de pré-alerte et à évaluer le besoin réel d’évacuation sur la base d’un ensemble limité mais représentatif d’indicateurs. La carte de nécessité d’évacuation représente une avancée qui prolonge et complète la cartographie officielle de la prévision inondation (vigicrue) et de ses conséquences en termes d’anticipation des impacts et de gestion de crise au niveau local. / The increasing risk of river flooding or coastal submersion is already visible through recent events like the storm Xynthia and the floods in the Var department, which caused several dozens of deaths in France. These catastrophic events, even if their extent remains relatively limited, would have justified a preventive evacuation of high risk prone areas. However, the consequences for the population would be much more serious when large cities of hundreds of thousands of people will be partially or totally threatened by floods. This possibility is already an actual danger for large megacities like Bangkok and Alexandria, and also threatens French cities like Tours, Paris or Nice. Being more and more aware of this possibility, big coastal, estuarine and river cities in France, in Europe and in all continents are incited to prepare emergency and mass evacuation plans in order to prevent and cope with exceptional events. The elaboration of these plans is extremely complex and difficult due to technical, organizational, sociological and even political aspects. The great majority of cities in the world prone to large scale disasters do not already have this kind of plan at their disposal. Moreover, the existing state of the art shows that there are few operational tools to help territorial managers implement these plans in the phases of preparation and crisis management. Our work aims to contribute to the development of a support method for the evacuation decision taken in a crisis management context. This method is partly based on the information included in the provisional evacuation plans produced in the preparation phase. To reach this objective, we propose to adapt the tools of the fuzzy logic approach and apply them to a set of synthesized indicators. These indicators or decision criteria have been first selected from a method of evacuation planning previously developed by the research team Avenues-GSU. These criteria integrate classic data on the hazard level (overall forecast level and local flood water levels), the vulnerability of the territory and population and, which is more innovative, some information about the ability of the organization to evacuate and the security or the risk of the evacuation itself. The final result of this method, applied to the spatial dimension with the Matlab and ArcGIS software, is a map of the necessity to evacuate. This map shows the areas with the highest priority to be evacuated according to a fuzzy multicriteria analysis. It has been tested 5 at the pilot site of the city of Bordeaux located upstream in the Gironde estuary, and the theoretical results were compared with historical floods of 1981 and 1999. A hypothetic flood scenario was also studied taking into account the potential climate change impact and the consequences of a 1 meter sea level rise during the 21st century. This method and prototype tool should help policymakers to better understand a complex situation in pre-alert phase and assess the real need for urban zones evacuation on the basis of a limited but representative set of criteria. The maps of the necessity to evacuate represents an innovative proposal which extend and complement the existing official maps of flood forecasting (vigicrue) and its implications in terms of local impacts and crisis management anticipation.

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.

Les zones côtières ont depuis longtemps été attractives pour leur potentiel économique, et leur intérêt touristique et résidentiel. Elles ont fait l’objet d’une implantation massive dans tous les pays du monde. Or, les littoraux sont non seulement fragilisés par cette anthropisation, mais sont également sujet à des dégradations liées au changement climatique. À l’élévation du niveau de la mer souvent mise en avant dans les médias s’ajoute l’érosion intensifiée par les tempêtes et ouragans à répétition. Alors qu’émerge depuis plusieurs années la question des déplacés environnementaux ne disposant d’aucun statut protecteur, et dont le symbole le plus extrême est la situation de certains petits États insulaires dont le territoire est menacé de disparition par la montée des eaux, la question de la gestion de cette problématique dans le respect des droits humains se pose de manière accrue. L’enjeu de ce travail, s’appuyant sur des pays au profil différent : Bangladesh, États-Unis, France, petits États insulaires (notamment les Maldives, Kiribati, Tuvalu), est de rechercher les causes profondes de cette contrainte devenue tellement intense qu’elle conduit au déplacement, pour favoriser l’adaptation sur place ou mettre en œuvre un déplacement non plus conçu comme un échec mais comme une stratégie d’adaptation. Ce changement de perspective impliquera de mobiliser des outils juridiques issus de branches variées du droit (urbanisme, assurance, responsabilité et droit humanitaire, etc.) et surtout de respecter certains principes afin d’assurer l’anticipation et l’acceptation de la démarche par les populations. Fort de l’étude de ces exemples, il s’agira d’identifier ces éléments communs tout en mettant en lumière et en tenant compte des spécificités de chaque pays, de chaque communauté. / Coastal areas have always been attractive for their economic potential and their touristic and residential interest. They have been massively settled in countries all over the world. However, while coastlines are weakened by human impact, they are also subject to degradations due to climate change. Besides the sea-level rise, often emphasized by the media, we must consider the erosion caused by storms and hurricanes. The current context is strongly marked by the question of the environmental displaced persons who do not have any status. This situation can be illustrated by the small island states whose territory is threatened by the sea-level rise. Thus, the issue of managing these problems in respect with human rights arises to an increased extent. The challenge of this work, supported by different country profiles: Bangladesh, USA, France, Small Island States (including the Maldives, Kiribati, Tuvalu), is to seek the root causes of this dilemma that has become so intense that it leads to displacement, and then to promote and facilitate adaptation in-situ or adopt new displacement policies that are no longer perceived as a failure but as an adaptation strategy towards risks. This change of perspective intends to mobilize legal tools from various branches of law (Urbanism, Insurance, Liability and humanitarian law, etc.). It also intends to respect principles to ensure anticipation and acceptance of the approach by the people. With the study of these examples, we must identify these commons elements and take into account the specificities of each country and each community.

Nous avons caractérisé et estimé les erreurs du modèle océanique barotrope MOG2D en réponse aux incertitudes sur les forçages météorologiques à haute fréquence (pression et vent ARPEGE), dans le Golfe de Gascogne et la Manche. Les covariances d'erreur sont obtenues par méthode d'ensemble sous forme d'EOFs d'ensemble multivariés. En Manche, les erreurs océaniques sont fortement liées aux erreurs de vent, tandis que sur le Golfe de Gascogne elles sont surtout contrôlées par les incertitudes sur la pression. Puis ces statistiques d'erreur sont utilisées dans le système d'assimilation de données à ordre réduit SEQUOIA/MOG2D pour évaluer le contrôle du modèle via des expériences jumelles, dans différentes configurations du système et dans plusieurs scenarii de réseau d'observation in situ et altimétriques. Moyennant une correction du forçage atmosphérique, les réseaux marégraphiques permettent un contrôle efficace de l'erreur modèle et apparaissent complémentaires des réseaux de radars HF.

Alors que depuis un peu plus de 2000 ans, le niveau moyen de la mer a peu varié, ce niveau s'est élevé d'environ 2 mm/an au cours du 20ème siècle. Cette hausse soudaine est attribuée au réchauffement climatique d'origine anthropique enregistré depuis plusieurs décennies. Depuis une douzaine d'années, on mesure de façon globale et précise les variations du niveau de la mer grâce aux satellites altimétriques Topex/Poseidon et Jason-1. Ces observations indiquent une hausse moyenne globale d'environ 3 mm/an depuis 1993, valeur sensiblement plus grande que celle des dernières décennies. <br />Diverses observations disponibles depuis peu nous ont permis de quantifier les contributions des divers facteurs climatiques à la hausse observée du niveau de la mer : expansion thermique de la mer due au réchauffement des océans, fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires, apport d'eau des réservoirs continentaux. Le bilan de ces nouvelles observations nous permet d'expliquer en partie la hausse observée du niveau de la mer. En particulier, nous montrons que l'expansion thermique des océans n'explique que 25% de la hausse séculaire du niveau de la mer enregistrée par les marégraphes depuis 50 ans, tandis qu'elle contribue à la hauteur de 50% à la montée du niveau marin au cours de la dernière décennie. Parallèlement, des études récentes estiment que la fonte des glaciers de montagne et des calottes polaires pourraient contribuer pour environ 1 mm/an à l'élévation du niveau de la mer au cours de la dernière décennie. <br />De plus, la forte variabilité régionale des vitesses d'évolution du niveau de la mer révélée par les observations altimétriques de Topex/Poseidon résulte en grande partie de l'expansion thermique. Nous mettons également en lumière l'importante variabilité spatio-temporelle décennale de l'expansion thermique des océans au cours des 50 dernières années, qui semble dominée par les fluctuations naturelles du climat. De plus nous posons pour la première fois la question du lien qui existe entre les fluctuations décennales de l'expansion thermique des océans et la contribution climatique des eaux continentales au niveau de la mer. Enfin, une analyse préliminaire des observations gravimétriques de la mission spatiale GRACE sur les océans nous permet d'évaluer les variations saisonnières du niveau moyen de la mer liées aux variations du bilan de masse d'eau des océans.

L'objectif de ce travail de recherche est de (1) définir l'évolution du rivage et de la bathymétrie sur le long terme (siècle) sur différents types de plages de Méditerranée française (plages de poche de Provence, plages ouvertes du Golfe du Lion), (2) définir l'impact de l'élévation du niveau marin moyen, (3) déterminer l'impact des tempêtes. Ce travail se base sur un suivi topographique et bathymétrique important et sur une analyse par emboîtement d'échelles spatiales et temporelles qui s'inscrit dans une démarche de géomorphologie littorale quantitative. L'approche croisée de terrain et de modélisation (simulation des transports sédimentaires selon différents types de conditions d'agitation) permet d'adopter également une approche prospective nécessaire à la gestion de ce type de milieu. Les résultats indiquent que les plages de poche de Provence conservent un volume constant alors qu'elles ont perdu en moyenne ½ de leur surface en un siècle essentiellement du fait de la montée de la mer. Si la montée de la mer se poursuit, les plages de poche semblent menacées de disparition d'ici 2100. En Camargue, l'élévation du niveau marin joue un rôle minime dans les mouvements sédimentaires observés, car ils sont liés principalement liés à la houle. Enfin, l'analyse des tempêtes dans le Languedoc-Roussillon montre qu'elles peuvent être érosives ou constructives car leur impact morphologique dépend principalement du budget sédimentaire de l'avant côte plutôt que des caractéristiques hydrodynamiques des houles. A partir de ces constats, il s'agit de s'interroger sur la pertinence de concepts d'évolution de l'avant côte utilisés dans les études des dynamiques sédimentaires littorales.

Dans le contexte du changement climatique contemporain, les analyses climatiques à l’échelle régionale présentent un intérêt majeur car elles permettent de rendre compte des hétérogénéités spatiales des évolutions climatiques. Notre étude propose une analyse de l’évolution climatique récente au Maroc et en Mauritanie et leur proche océan. Elle s’intéresse à cette évolution dans les basses couches de l’atmosphère en tenant compte des conditions thermiques (les températures de l’air à 2m), de la dynamique climatique côtière (TSM et upwelling), puis de la dynamique atmosphérique constituée des pressions atmosphériques et des vents de surface. Pour la totalité des paramètres météorologiques étudiés, la variabilité et l’évolution interannuelles sont analysées aux échelles annuelle et mensuelle / saisonnière. Les analyses statistiques basées principalement sur les régressions linéaires et la segmentation d’Hubert ont permis de monter que l’espace maroco-mauritanien a connu au cours des six dernières décennies (1950-2008), des évolutions climatiques contrastées tant à l’échelle spatiale qu’à l’échelle saisonnière. Les résultats les plus marquants se résument dans :•une évolution thermique contrastée avec un réchauffement plus marqué au Maroc et au Sahara qu’en Mauritanie, •augmentation de l’intensité de l’upwelling sur la côte marocaine et diminution de son intensité sur la côte mauritanienne,•une forte et dominante tendance à la hausse de la pression atmosphérique laissant apparaître notamment un renforcement de l’A.A méditerrano-saharienne et un affaiblissement de la dépression thermique saharienne en été,•une tendance générale à la baisse de la vitesse des vents, qui se produit parallèlement à une rotation de la rose des vents du nord au nord-est pour les alizés maritimes et du nord à l’est pour les alizés continentaux.La segmentation d’Hubert a permis de confirmer que les fluctuations climatiques majeures dans l’espace maroco-mauritanien et son proche océan se sont produites pendant les années 1970. Cela se vérifie à l’échelle des températures de l’air, de l’upwelling, et des PNM, tandis que pour les vents, la rupture qui a touché la vitesse et la fréquence des directions principales des alizés s’est produite entre les années 1960 et 1970. Une seconde période de rupture est mise en évidence par la segmentation d’Hubert. Elle concerne les années 1990 dans les séries chronologiques des températures de l’air et des PNM. / In the context of global contemporary climate change, regional climate analyses are of major interest as they allow accounting for spatial heterogeneity of climate change. Our study provides for an analysis of recent climate changes in Morocco and Mauritania and their nearby Ocean. It focuses on the evolution in the lower layers of the atmosphere, taking into account the thermal conditions (air temperature at 2m), the coastal climate dynamics (sst and upwelling), and atmosphere dynamics made of atmospheric pressures and surface winds. For all the studied meteorological parameters, the variability and inter-annual evolution are analyzed on monthly and annual / seasonal scales.Statistical analyzes based primarily on linear regressions and Hubert's segmentation helped show that the Moroccan-Mauritanian zone has experienced over the past six decades (1950-2008), contrasting climate changes both at the spatial and seasonal scales. The most significant results are hereunder summarized :•A contrasted thermal evolution with a more pronounced warming in Morocco and the Sahara than in Mauritania,•Increase the intensity of the upwelling on the Moroccan coast and decrease on the Mauritanian,•A strong and dominant upward trend in atmospheric pressure, resulting, in particular, in a Mediterrano-Saharan AA strengthening and lower Saharan thermal pressure during summer,•A general downward trend in wind speed, in parallel with a rotation of the compass rose from north to northeast for marine trade winds, and from north to east for the continental trade winds.Hubert’ Segmentation confirmed that the major climatic fluctuations in the Moroccan-Mauritanian area and their nearby ocean occurred during the 1970s. This is true at the level of air temperatures, the upwelling, and SLP, while the disruption that affected the wind speed and the frequency of the main directions of the trade winds occurred between 1960 and 1970. A second period of disruption has been demonstrated by Hubert’s segmentation. It relates to the 1990s in air temperature chronological series and SLP.

Dans les petites îles en développement soumises à de fortes pressions humaines, comme l'archipel des Comores, les usages qui favorisent l'érosion côtière sont un facteur aggravant de vulnérabilité du littoral face au changement climatique et à l'élévation du niveau de la mer. À Anjouan, les profils topographiques des plages et la construction de géoindicateurs paysagers montrent qu'une grande partie du littoral meuble est très érodée, notamment dans les zones de forte pression anthropique où les plages sont soumises à l'extraction de sédiments. Il en résulte des impacts négatifs dans l'économie, la société et l'environnement de l'île, notamment une dégradation généralisée des services écosystémiques sur lesquels les pouvoirs publics pourraient s'appuyer pour amorcer le développement d'Anjouan. Pour réduire la vulnérabilité du trait de côte à l'érosion, des murs sont construits avec le soutien financier des partenaires internationaux et régionaux, au risque d'accentuer encore plus la dégradation du littoral. Les usagers des plages considèrent que les causes de l'érosion sont plus à rechercher dans l'action de l'homme que dans celle de nature et demandent des mesures socio-économiques pour réduire les dégradations d'origine anthropique. Cette étude montre que toute politique de GIZC à Anjouan comme ailleurs aux Comores ne sera efficace que si les personnes chargées de sa mise en œuvre tiennent compte des réalités locales et des perceptions des usagers du littoral. / In the context of climate change and sea level rising, the activities of coastal communities can increase the vulnerability of the seashore to coastal erosion particularly in small developing islands as Anjouan in the Comoros archipelago where the human density on the coast is quite heavy. This thesis focuses on sandy beaches, studied as a system. The monitoring of topographic profiles of beaches and landscaped geoindicators show that a large part of the sandy coast of Anjouan is very degraded and eroded. The erosion is mainly localized to areas of high human pressure, including beaches subjected to the extraction of sediments . Combined with natural hazards, the erosion due to human activities generates serious damages for the economy, society and environment of Anjouan, including the degradation of ecosystem services on which the government could draw to initiate the development of the island . To reduce the vulnerability of the coastline to erosion, walls are built with the financial support of international and regional bodies, but they are inefficient and the risk of coastal degradation is even greater. For beach users, causes erosion are to be found in the work of the man and not in nature. Minimizing this risk requires socio-economic measures to reduce anthropogenic degradations. This study shows that a policy of ICZM in Anjouan in the Comoros and elsewhere will only be effective if those responsible for its implementation take into account local realities and perceptions of coastal users.

Reconstruire des champs géophysiques à partir d'observations bruitées et partielles est un problème classique bien étudié dans la littérature. L'assimilation de données est une méthode populaire pour aborder ce problème, et se fait par l'utilisation de techniques classiques, comme le filtrage de Kalman d’ensemble ou des filtres particulaires qui procèdent à une évaluation online du modèle physique afin de fournir une prévision de l'état. La performance de l'assimilation de données dépend alors fortement de du modèle physique. En revanche, la quantité de données d'observation et de simulation a augmenté rapidement au cours des dernières années. Cette thèse traite l'assimilation de données d'une manière data-driven et ce, sans avoir accès aux équations explicites du modèle. Nous avons développé et évalué l'assimilation des données par analogues (AnDA), qui combine la méthode des analogues et des méthodes de filtrage stochastiques (filtres Kalman, filtres à particules, chaînes de Markov cachées). Des applications aux modèles chaotiques simplifiés et à des études de cas de télédétection réelle (température de surface de lamer, anomalies du niveau de la mer), nous démontrons la pertinence d'AnDA pour l'interpolation de données manquantes des systèmes dynamiques non linéaires et à haute dimension à partir d'observations irrégulières et bruyantes.Motivé par l'essor du machine learning récemment, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'élaboration de modèles deep learning pour la détection et de tourbillons océaniques à partir de données de sources multiples et/ou multi temporelles (ex: SST-SSH), l'objectif général étant de surpasser les approches dites expertes. / Reconstructing geophysical fields from noisy and partial remote sensing observations is a classical problem well studied in the literature. Data assimilation is one class of popular methods to address this issue, and is done through the use of classical stochastic filtering techniques, such as ensemble Kalman or particle filters and smoothers. They proceed by an online evaluation of the physical modelin order to provide a forecast for the state. Therefore, the performanceof data assimilation heavily relies on the definition of the physical model. In contrast, the amount of observation and simulation data has grown very quickly in the last decades. This thesis focuses on performing data assimilation in a data-driven way and this without having access to explicit model equations. The main contribution of this thesis lies in developing and evaluating the Analog Data Assimilation(AnDA), which combines analog methods (nearest neighbors search) and stochastic filtering methods (Kalman filters, particle filters, Hidden Markov Models). Through applications to both simplified chaotic models and real ocean remote sensing case-studies (sea surface temperature, along-track sea level anomalies), we demonstrate the relevance of AnDA for missing data interpolation of nonlinear and high dimensional dynamical systems from irregularly-sampled and noisy observations. Driven by the rise of machine learning in the recent years, the last part of this thesis is dedicated to the development of deep learning models for the detection and tracking of ocean eddies from multi-source and/or multi-temporal data (e.g., SST-SSH), the general objective being to outperform expert-based approaches.

La réflectométrie GNSS (ou GNSS-R) est une technique de télédétection originale et pportuniste qui consiste à analyser les ondes électromagnétiques émises en continu par la soixantaine de satellites des systèmes de positionnement GNSS (GPS, GLONASS, etc.), qui sont captées par une antenne après réflexion sur la surface terrestre. Ces signaux interagissent avec la surface réfléchissante et contiennent donc des informations sur ses propriétés. Au niveau de l'antenne, les ondes réfléchies interfèrent avec celles arrivant directement des satellites. Ces interférences sont particulièrement visibles dans le rapport signal-sur-bruit (SNR, i.e., Signal-to-Noise Ratio), paramètre enregistré par une station GNSS classique. Il est ainsi possible d'inverser les séries temporelles du SNR pour estimer des caractéristiques du milieu réfléchissant. Si la faisabilité et l'intérêt de cette méthode ne sont plus à démontrer, la mise en oeuvre de cette technique pose un certain nombre de problèmes, à savoir quelles précisions et résolutions spatio-temporelles peuvent être atteintes, et par conséquent, quels sont les observables géophysiques accessibles. Mon travail de thèse a pour objectif d'apporter des éléments de réponse sur ce point, et est axé sur le développement méthodologique et l'exploitation géophysique des mesures de SNR réalisées par des stations GNSS classiques. Je me suis focalisé sur l'estimation des variations de hauteur de l'antenne par rapport à la surface réfléchissante (altimétrie) et de l'humidité du sol en domaine continental. La méthode d'inversion des mesures SNR que je propose a été appliquée avec succès pour déterminer les variations locales de : (1) la hauteur de la mer au voisinage du phare de Cordouan du 3 mars au 31 mai 2013 où les ondes de marées et la houle ont pu être parfaitement identifiées ; et (2) l'humidité du sol dans un champ agricole à proximité de Toulouse, du 5 février au 15 mars 2014. Ma méthode permet de s'affranchir de certaines restrictions imposées jusqu'à présent dans les travaux antérieurs, où la vitesse de variation verticale de la surface de réflexion était supposée négligeable. De plus, j'ai développé un simulateur qui m'a permis de tester l'influence de nombreux paramètres (troposphère, angle d'élévation du satellite, hauteur d'antenne, relief local, etc.) sur la trajectoire des ondes réfléchies et donc sur la position des points de réflexion. Mon travail de thèse montre que le GNSS-R est une alternative performante et un complément non négligeable aux techniques de mesure actuelles, en faisant le lien entre les différentes résolutions temporelles et spatiales actuellement atteintes par les outils classiques (sondes, radar, diffusiomètres, etc.). Cette technique offre l'avantage majeur d'être basé sur un réseau de satellites déjà en place et pérenne, et est applicable à n'importe quelle station GNSS géodésique, notamment celles des réseaux permanents (e.g., le RGP français). Ainsi, en installant une chaîne de traitement de ces acquisitions de SNR en domaine côtier, il serait possible d'utiliser les mesures continues des centaines de stations pré-existantes, et d'envisager de réaliser des mesures altimétriques à l'échelle locale, ou de mesurer l'humidité du sol pour les antennes situées à l'intérieur des terres. / GNSS reflectometry (or GNSS-R) is an original and opportunistic remote sensing technique based on the analysis of the electromagnetic waves continuously emitted by GNSS positioning systems satellites (GPS, GLONASS, etc.) that are captured by an antenna after reflection on the Earth's surface. These signals interact with the reflective surface and hence contain information about its properties. When they reach the antenna, the reflected waves interfere with those coming directly from the satellites. This interference is particularly visible in the signal-to-noise ratio (SNR) parameter recorded by conventional GNSS stations. It is thus possible to reverse the SNR time series to estimate the reflective surface characteristics. If the feasibility and usefulness of thismethod are well established, the implementation of this technique poses a number of issues. Namely the spatio-temporal accuracies and resolutions that can be achieved and thus what geophysical observables are accessible.The aim of my PhD research work is to provide some answers on this point, focusing on the methodological development and geophysical exploitation of the SNR measurements performed by conventional GNSS stations. I focused on the estimation of variations in the antenna height relative to the reflecting surface (altimetry) and on the soil moisture in continental areas. The SNR data inversion method that I propose has been successfully applied to determine local variations of : (1) the sea level near the Cordouan lighthouse (not far from Bordeaux, France) from March 3 to May 31, 2013, where the main tidal periods and waves have been clearly identified ; and (2) the soil moisture in an agricultural plot near Toulouse, France, from February 5 to March 15, 2014. My method eliminates some restrictions imposed in earlier work, where the velocity of the vertical variation of the reflective surface was assumed to be negligible. Furthermore, I developed a simulator that allowed me to assess the influence of several parameters (troposphere, satellite elevation angle, antenna height, local relief, etc.) on the path of the reflected waves and hence on the position of the reflection points. My work shows that GNSS-R is a powerful alternative and a significant complement to the current measurement techniques, establishing a link between the different temporal and spatial resolutions currently achieved by conventional tools (sensors, radar, scatterometer, etc.). This technique offers the major advantage of being based on already-developed and sustainable satellites networks, and can be applied to any GNSS geodetic station, including permanent networks (e.g., the French RGP). Therefore, by installing a processing chain of these SNR acquisitions, data from hundreds of pre-existing stations could be used to make local altimetry measurements in coastal areas or to estimate soil moisture for inland antennas.