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.

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.

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.

La mousson d'Afrique de l'Ouest (MAO) représente un système climatique régional dont le cycle saisonnier est très marqué, notamment par l'humidité et les pluies de mousson et par la réponse de la végétation et des surfaces continentales. Le cycle de l'eau est un élément primordial de la MAO et son étude est un objectif majeur de la campagne AMMA (Analyses Multidisciplinaires de la Mousson Africaine). Dans ce contexte, six stations GPS ont été installées le long du gradient climatique méridien d'Afrique de l'Ouest dès 2005. Cette thèse porte d'une part sur l'analyse de l'humidité atmosphérique à l'aide des données GPS et propose d'autre part une étude plus approfondie des bilans d'eau dans l'atmosphère, à l'aide de différents jeux de données élaborés à partir des produits de la campagne AMMA (observations et modélisation). L'analyse des séries temporelles GPS met en évidence une variabilité spatiale et temporelle de la vapeur d'eau (cycle saisonnier, variabilité intra-saisonnière avec des modes de 10-20 jours, échelle synoptique et cycle diurne) dont le lien est fait avec les processus atmosphériques de la mousson. La précision de ces données permet également d'identifier des biais d'humidité dans les observations de radiosondages et de manière corrélée (via l'assimilation) dans les modèles de prévision météorologique. Une méthode est ensuite développée pour calculer des bilans d'eau intégrés verticalement à l'échelle de l'Afrique de l'Ouest à partir d'un jeu de données "hybride". Elle combine des estimations de pluies satellitaires, des simulations d'un ensemble de modèles de transfert sol-végétation-atmosphère (TSVA) tous forcés par les mêmes pluies et d'autres produits élaborés de qualité. L'analyse du fonctionnement du cycle hydrologique à l'interface surface-atmosphère à l'aide de ce nouveau jeu de données, permet de confirmer ou d'infirmer certaines hypothèses élaborées dans le passé mais surtout d'apporter un éclairage nouveau sur le cycle saisonnier et la variabilité interannuelle des bilans d'eau et d'énergie à la surface. Nous mettons notamment en évidence des relations entre les termes de ces bilans (convergence d'humidité, pluie, évaporation, ruissellement, humidité dans le sol, et le rayonnement net) distinctes suivant les échelles considérées. Ce jeu de données est ensuite utilisé comme référence pour évaluer les différents termes du bilan d'eau d'un ensemble de modèles météorologiques (ré-analyses, analyses opérationnelles et prévisions des modèles de Météo-France, ECMWF et NCEP). Des biais importants sont diagnostiqués dans les précipitations, les évaporations et la convergence d'humidité de ces modèles. Des hypothèses sont proposées quant à l'origine de ces biais (défauts dans les schémas de convection, dans l'initialisation de l'humidité des sols et dans les données assimilées). Pour certains modèles (p.ex. ECMWF), nous identifions une rétroaction de ces biais sur la circulation atmosphérique dans la région de la dépression Saharienne. Ce travail ouvre des perspectives d'améliorations du cycle de l'eau des modèles de prévision météorologique et fournit un jeu de données hybride potentiellement utile pour analyser les intéractions des processus à d'autres échelles (méso-échelle et synoptique).

Les galaxies sont des sondes observationnelles pour l'étude des structures de l'Univers. Leur mouvement gravitationnel permet de tracer la densité totale de matière. Par ailleurs, l'étude de la formation des structures et galaxies s'appuie sur les simulations numériques cosmologiques. Cependant, un seul univers observable à partir d'une position donnée, en temps et espace, est disponible pour comparaison avec les simulations. La variance cosmique associée affecte notre capacité à interpréter les résultats. Les simulations contraintes par les données observationnelles constituent une solution optimale au problème. Réaliser de telles simulations requiert les projets Cosmicflows et CLUES. Cosmicflows construits des catalogues de mesures de distances précises afin d'obtenir les déviations de l'expansion. Ces mesures sont principalement obtenues avec la corrélation entre la luminosité des galaxies et la vitesse de rotation de leur gaz. La calibration de cette relation est présentée dans le mi-infrarouge avec les observations du télescope spatial Spitzer. Les estimations de distances résultantes seront intégrées au troisième catalogue de données du projet. En attendant, deux catalogues de mesures atteignant 30 et 150 h−1 Mpc ont été publiés. Les améliorations et applications de la méthode du projet CLUES sur les deux catalogues sont présentées. La technique est basée sur l'algorithme de réalisation contrainte. L'approximation de Zel'dovich permet de calculer le champ de déplacement cosmique. Son inversion repositionne les contraintes tridimensionnelles reconstruites à l'emplacement de leur précurseur dans le champ initial. La taille inégalée, 8000 galaxies jusqu'`a une distance de 150 h−1 Mpc, du second catalogue a mis en évidence l'importance de minimiser les biais observationnels. En réalisant des tests sur des catalogues de similis, issus des simulations cosmologiques, une méthode de minimisation des biais peut être dérivée. Finalement, pour la première fois, des simulations cosmologiques sont contraintes uniquement par des vitesses particulières de galaxies. Le procédé est une réussite car les simulations obtenues ressemblent à l'Univers Local. Les principaux attracteurs et vides sont simulés à des positions approchant de quelques mégaparsecs les positions observationnelles, atteignant ainsi la limite fixée par la théorie linéaire / Galaxies are observational probes to study the Large Scale Structure. Their gravitational motions are tracers of the total matter density and therefore of the Large Scale Structure. Besides, studies of structure formation and galaxy evolution rely on numerical cosmological simulations. Still, only one universe observable from a given position, in time and space, is available for comparisons with simulations. The related cosmic variance affects our ability to interpret the results. Simulations constrained by observational data are a perfect remedy to this problem. Achieving such simulations requires the projects Cosmicflows and CLUES. Cosmicflows builds catalogs of accurate distance measurements to map deviations from the expansion. These measures are mainly obtained with the galaxy luminosity-rotation rate correlation. We present the calibration of that relation in the mid-infrared with observational data from Spitzer Space Telescope. Resulting accurate distance estimates will be included in the third catalog of the project. In the meantime, two catalogs up to 30 and 150 h−1 Mpc have been released. We report improvements and applications of the CLUES’ method on these two catalogs. The technique is based on the constrained realization algorithm. The cosmic displacement field is computed with the Zel’dovich approximation. This latter is then reversed to relocate reconstructed three-dimensional constraints to their precursors’ positions in the initial field. The size of the second catalog (8000 galaxies within 150 h−1 Mpc) highlighted the importance of minimizing the observational biases. By carrying out tests on mock catalogs, built from cosmological simulations, a method to minimize observational bias can be derived. Finally, for the first time, cosmological simulations are constrained solely by peculiar velocities. The process is successful as resulting simulations resemble the Local Universe. The major attractors and voids are simulated at positions approaching observational positions by a few megaparsecs, thus reaching the limit imposed by the linear theory / Die Verteilung der Galaxien liefert wertvolle Erkenntnisse über die großräumigen Strukturen im Universum. Ihre durch Gravitation verursachte Bewegung ist ein direkter Tracer für die Dichteverteilung der gesamten Materie. Die Strukturentstehung und die Entwicklung von Galaxien wird mithilfe von numerischen Simulationen untersucht. Es gibt jedoch nur ein einziges beobachtbares Universum, welches mit der Theorie und den Ergebnissen unterschiedlicher Simulationen verglichen werden muß. Die kosmische Varianz erschwert es, das lokale Universum mit Simulationen zu reproduzieren. Simulationen, deren Anfangsbedingungen durch Beobachtungsdaten eingegrenzt sind (“Constrained Simulations”) stellen eine geeignete Lösung dieses Problems dar. Die Durchführung solcher Simulationen ist das Ziel der Projekte Cosmicflows und CLUES. Im Cosmicflows-Projekt werden genaue Entfernungsmessungen von Galaxien erstellt, welche die Abweichung von der allgemeinen Hubble- Expansion abbilden. Diese Messungen werden hauptsächlich aus der Korrelation zwischen Leuchtkraft und Rotationsgeschwindigkeit von Spiralgalaxien gewonnen. In dieser Arbeit wird die Kalibrierung dieser Beziehung im mittleren Infrarot mithilfe von Daten vom Spitzer Space Telescope vorgestellt. Diese neuen Entfernungsbestimmungen werden im dritten Katalog des Cosmicflows Projekts enthalten sein. Bisher wurden zwei Kataloge veröffentlicht, mit Entfernungen bis zu 30 beziehungsweise 150 h−1 Mpc. In dieser Arbeit wird die CLUESMethode auf diese zwei Kataloge angewendet und Verbesserungen warden vorgestellt und diskutiert. Zunächst wird das kosmische Verschiebungsfeld mithilfe der Zeldovich-Näherung bestimmt. In umgekehrter Richtung kann man damit die aus heutigen Beobachtungsdaten rekonstruierten dreidimensionalen Constraints an ihren Ursprungsort im frühen Universum zurückzuversetzen. Durch den großen Datenumfang des cosmicflows-2 Katalogs (8000 Galaxien bis zu einer Entfernung von 150 h−1 Mpc) ist es besonders wichtig, den Einfluss verschiedener Beobachtungsfehler zu minimieren. Eine für das lokale Universum angepasste Korrekturmethode lässt sich durch die Untersuchung von Mock-Katalogen finden, welche aus kosmologischen Simulationen gewonnen werden. Schließlich stellt diese Arbeit erstmals kosmologische Simulationen vor, die ausschließlich durch Pekuliargeschwindigkeiten eingegrenzt sind. Der Erfolg dieser Methode wird dadurch bestätigt, dass die dadurch erzeugten Simulationen dem beobachteten lokalen Universum sehr ähnlich sind. Die relevanten Attraktoren und Voids liegen in den Simulationen an Positionen, welche bis auf wenige Megaparsec mit den beobachteten Positionen übereinstimmen. Die Simulationen erreichen damit die durch die lineare Theorie gegebene Genauigkeitsgrenze