Dans le contexte actuel du réchauffement climatique, l'une des principales sources d'incertitude pour l'élévation du niveau de la mer est la contribution de la calotte Antarctique. L'étendue et les conditions météorologiques extrêmes de ce continent font de la télédétection spatiale un moyen utile pour son suivi sur le long terme. Les observations satellites altimétriques et radiométriques dans la gamme des micro-ondes rendent compte de l'évolution des propriétés du manteau neigeux de la calotte. L'altimétrie radar, par des mesures répétées de l'élévation de la topographie de surface, permet de quantifier les variations de volume sur l'ensemble du continent. Cependant, la pénétration de l'onde radar dans la neige affecte négativement cette quantification. Les méthodes proposées pour minimiser les erreurs de pénétration sont toutes basées sur des relations avec le coefficient de rétrodiffusion radar. La compréhension des variations annuelles et inter-annuelles du coefficient de rétrodiffusion est nécessaire pour améliorer la précision de l'estimation de l'élévation de la surface donc du bilan de volume de la calotte. Cette thèse a pour objectif d'étudier le coefficient de rétrodiffusion mesuré par les altimètres sur l'ensemble du continent, sujet qui jusqu'à aujourd'hui a reçu peu d'attention. Les altimètres radars embarqués à bord d'ENVISAT (bandes S et Ku) et de SARAL/AltiKa (bande Ka) ont des sensibilités différentes aux propriétés de la neige. Nous nous sommes intéressés aux caractéristiques annuelles et inter-annuelles des coefficients de rétrodiffusion dans ces trois bandes. Une étude de sensibilité a été réalisée avec un modèle électromagnétique afin de déterminer les propriétés du manteau neigeux qui dominent le signal saisonnier. On montre que le signal saisonnier est sensible à la densité et la rugosité de surface dans la bande S, à la température de la neige dans la bande Ka et à l'une ou à l'autre de ces variables selon la région dans la bande Ku. Les caractéristiques saisonnières du coefficient de rétrodiffusion sont ensuite comparées à celles des températures de brillance acquises par les radiomètres à bord de SARAL et de SSM/I. Les résultats indiquent une influence significative de la rugosité de surface sur les températures de brillance de la bande Ka, influence souvent considérée négligeable dans la modélisation de la température de brillance. Cette étude apporte une meilleure connaissance de la dynamique saisonnière des propriétés de proche surface de la calotte Antarctique. Elle fournit de nouveaux indices pour développer dans le futur des algorithmes robustes de correction de l'erreur de pénétration. Elle met également en lumière l'importance des missions altimétriques multi-fréquences et les possibilités qu'offrent le signal de la bande S pour l'étude des variabilités saisonnières de la rugosité de surface. En définitive, la rugosité de surface est un paramètre important à prendre en compte pour obtenir de meilleures estimations et modélisations des coefficients de rétrodiffusion et des températures de brillance. / In the context of global climate changes, the Antarctic ice sheet contribution to sea-level rise is one of the main uncertainty sources. The extent and extreme meteorological conditions of this continent render remote sensing a useful tool for long term monitoring. Altimetry and radiometry observations in the microwave range reveal variations of the volume of the ice sheet and surface properties of the snowpack. Radar altimeters, provide repeated observations of the surface topography elevation, which allow the quantification of volume variations of the ice sheet. However, the penetration of radar waves in dry and cold snowpack adversely affects the estimated surface elevation. Approaches to minimize the penetration error are all based on a relationship with the backscattering coefficient. Understanding the annual and interannual variations of the backscattering coefficient is thus a key issue in order to improve the estimation accuracy of the surface elevation and to refine the ice-sheet volume trend. This thesis aims at studying the backscattering coefficients acquired by radar altimeters, which until now have received little attention. Radar altimeters on board ENVISAT (S and Ku bands) and SARAL/AltiKa (Ka band) have different sensitivities to the snowpack properties. The annual and interannual variations of the backscattering coefficient at the three bands is investigated. Sensitivity tests are carried out with an electromagnetic model to determine the prevailing snowpack properties that drive the signal. The seasonal signal is sensitive to surface density and roughness at S band, to snow temperature at Ka band and to either snow surface density and roughness or temperature depending on the location on the continent at Ku band. The seasonal signal of the backscattering coefficient is then compared with that of the brightness temperature measured by radiometers on SARAL and SSM/I. The results show a significant influence of surface roughness on brightness temperatures at Ka band, which has often been neglected in brightness temperature modeling studies. This thesis provides a better understanding of the seasonal dynamics of the near surface properties of the Antarctic ice sheet. It also provides new clues to build a more robust corrections of the penetration errors in the future. It highlights the importance of multi-frequency altimetry missions and the potential of the S band to study the seasonal variability in surface roughness. In summary, surface roughness is an important property which should be taken into account for a better modeling of backscattering coefficient and brightness temperature.

La surface de neige sur le Plateau Antarctique joue un rôle important dans l'étude du bilan de masse et d'énergie de surface. Ses caractéristiques dépendent des interactions entre les conditions atmosphériques et le haut du manteau neigeux, à travers notamment les précipitations, la redistribution de neige par le vent et le métamorphisme. L'ensemble des aspects de la surface, i.e. le type de cristaux, la rugosité, la densité, l'albédo …, sont regroupés sous la formule état de surface. L'objectif de cette thèse est l'étude de l'état de surface et de son évolution, en fonction des conditions atmosphériques, à l'aide d'observations in situ et satellite. L'analyse conjointe d'observations in situ, essentiellement à partir de photographies infrarouges de la surface (développement d'un algorithme examinant la texture des images), et satellite, principalement l'émission micro-onde du manteau neigeux (utilisation du rapport de polarisation sensible à la densité proche de la surface), a permis de montrer une dynamique rapide de la surface à Dôme C. En particulier, des périodes où le givre recouvre entièrement la surface sont observées et représentent environ 45% du temps. Cette dynamique est aussi caractérisée par des élévations rapides et importantes de la surface, pouvant être largement supérieures à l'accumulation annuelle moyenne de 8 cm (jusqu'à 20 cm en 2 heures). Le vent est déterminant dans l'évolution de la surface. Plus particulièrement, ces travaux ont montrés l'importance de la direction du vent pour la disparition du givre (perpendiculaire à la direction dominante, i.e. le sud-ouest). Enfin, la corrélation entre présence de givre et rapport de polarisation a permis d'étendre ces résultats sur les 10 années d'observation du satellite et ouvre la voie à la détection des précipitations par télédétection. La modélisation de l'émission micro-onde à 19 et 37 GHz a ensuite été menée à Dôme C à l'aide d'un modèle de transfert radiatif (DMRT-ML). Les propriétés du manteau neigeux (taille des grains, densité et température), utilisées en entrée du modèle, ont été mesurées durant la campagne d'été 2010 - 2011. Les résultats des simulations montrent que la densité de la neige proche de la surface est principalement responsable des variations du rapport de polarisation. Cette densité a ainsi été « inversée » à Dôme C sur 10 ans. Elle montre une tendance pluriannuelle à la baisse de 10 kg m-3 a-1, superposée à un cycle annuel et à des variations journalières / hebdomadaires. La mesure in situ de la densité et l'observation du givre coïncident avec les variations rapides de la densité estimée. L'évolution pluriannuelle conséquente mérite d'être prise en compte pour l'étude du bilan de masse de surface, les causes probables étant une hausse des précipitations ou une baisse de l'intensité du vent. Suivant une méthodologie similaire, l'évolution de la densité de surface a été déduite pour l'ensemble de l'Antarctique. Les variations spatiales mettent en évidence une tendance claire à la diminution de la densité sur une grande région entre Dôme C et Vostok et une région à l'est de Dôme C où elle augmente. À plus grande échelle, le rapport de polarisation moyen montre de grandes variations, signatures de la stratification en densité du manteau neigeux. L'étude de l'altimétrie satellite permettrat de corroborer ces résultats. / The snow surface on the Antarctic Plateau plays an important role to study the surface mass and energy balance. Its characteristics depend on interactions between the atmospheric conditions and the top of the snowpack such as snowfall, snow remobilization by the wind and metamorphism. All the surface characteristics like type of crystals, roughness, density, albedo … are rounded up the expression surface state. Objective of this thesis is to study the surface state and its evolution due to atmospheric conditions, from satellite and in situ observations. Analyzing together in situ and satellite observations, respectively from infrared pictures of the snow surface (developing an algorithm to study the image texture) and microwave emission of snow (using the polarization ratio that principally depends on the snow density near the surface), showed that the surface quickly evolves at Dome C. Specifically, periods where hoar covers totally the surface are observed and represents around 45% of time. Surface evolution is also characterized by rapid and high increase of the surface height which could be widely higher than the mean annual accumulation of 8 cm (to 20 cm in 2 hours). The wind is essential for the snow surface evolution. Especially, these works showed that wind direction changes during the disappearance of hoar crystals (perpendicular to the prevailing direction, i.e. the Southwest). Finally, correlation between presence of hoar on the surface and polarization ratio extended these results for the 10 years of satellite observation. It shows the potential to detect precipitation events from passive microwave observation. Modeling microwave emission at 19 and 37 GHz was performed at Dome C by a radiative transfer model (DMRT-ML). Snowpack properties (grain size, density and temperature) used as model inputs were measured during the 2010 – 2011 summer field campaign. Simulations results showed that the snow density near the surface is mainly responsible of the variations of polarization ratio. Surface density was thus estimated at Dome C for 10 years. The density evolution show a multi-annual trend of 10 kg m-3 a-1 decreasing, superimposed by an annual cycle and daily / weekly variations. In situ measurements of density and hoar observation are coincident with the rapid evolutions of estimated density. The substantial multi-annual decrease of density should be included in surface mass balance study because the causes are probably an increase of precipitation or a decrease of wind speed. Similar method was used to deduce the evolution of the near-surface snow surface for whole Antarctica. Spatial variations bring out a clear decrease trend of surface density over a large area between Dome C and Vostok and an area in the East of Dome C where density increases. For the whole Antarctic, the mean polarization ratio shows large variations which correspond to variations of the density stratification of the snowpack. Spatial altimetry would be useful to confirm these results.

Les régions de haute latitude sont actuellement les plus sensibles aux effets du réchauffement climatique, et avec des élévations de température pouvant atteindre les 3 à 8 ◦C au niveau du pôle sur les 100 prochaines années. Les pergélisols (sols présentant des températures négatives deux années consécutives) sont présents sur 25 % des terres émergées de l’hémisphère nord et contiennent de grandes quantités de carbone « gelé », estimées à 1400 Gt (40 % de la quantité de carbone terrestre global). Des études récentes ont montré qu’une partie non négligeable (50 %) des premiers mètres des pergélisols pourraient fondre d’ici 2050, et 90 % d’ici 2100. Le but de l’étude est donc d’améliorer les moyens de suivi de l’évolution des températures du sol dans les zones arctiques, et plus particulièrement dans les régions couvertes de neige. L’objectif est de décrire la température du sol tout au long de l’année y compris sous un manteau neigeux, et d’analyser l’évolution de l’épaisseur de la couche active des pergélisols en relation avec la variabilité du climat. Nous utilisons des données satellites (fusion de données de température dans l’infra-rouge thermique “LST” et de température de brillance micro-onde AMSR-E « Tb ») assimilées dans le schéma de surface du modèle climatique canadien (CLASS, V 3.6) couplé à un modèle simple de transfert radiatif (HUT). Cette approche bénéficie des avantages de chaque type de donnée de manière à réaliser deux objectifs spécifiques : 1-construire une méthodologie solide permettant de retrouver les températures du sol, avec et sans neige, en zone de toundra, et 2-à partir de ces températures du sol, dériver la durée de fonte estivale et l’épaisseur de la couche active du pergélisol. Nous décrivons le couplage des modèles ainsi que la méthodologie permettant l’ajustement des paramètres météorologiques d’entrée du modèle CLASS (essentiellement les températures de l’air et les précipitations issues de la base de données des réanalyses météorologiques NARR) de manière à minimiser les LST et Tb simulées en comparaison aux mesures satellites. Par rapport aux données de mesures de sol de stations météorologiques prises comme référence pour validation dans les zones de toundra d’Amérique du Nord, les résultats montrent que la méthode proposée améliore significativement la simulation des températures du sol lorsqu’on utilise les données LST MODIS et Tb à 10 et 19 GHz pour contraindre le modèle, en comparaison avec les sorties du modèle sans les données satellites. Dans ce processus d’inversion, la correction de l’évolution des conditions de neige au cours de l’hiver contrainte avec le rapport de polarisation à 11 GHz constitue une approche originale. Une analyse de l’erreur pour 4 sites de toundra et sur plusieurs années (18 cas) est effectuée pour la période estivale (1,7 -3,6 K) ainsi que pour la période hivernale couverte de neige (1,8 -3,5 K). L’indice des degrés-jours de fontes annuel, dérivé des températures du sol simulés par notre approche, permet de cartographier les zones de pergélisols continu en accord avec les cartes actuelles. Un meilleur suivi des processus d’évolution des pergélisols, et tout particulièrement de l’impact de la couverture de neige, devrait permettre une meilleure compréhension des effets du réchauffement climatique sur la fonte des pergélisols et l’avenir de leurs stocks de carbone. / Abstract : High latitude areas currently are the most sensitive to global warming effects. In the next 100 years, temperature could rise up to 3 to 8 ◦C at the North Pole. Permafrost (ground with negative temperatures two years in a row) represents 25% of northern hemisphere lands, and contains huge quantities of "frozen" carbon estimated at 1400 Gt (40 % of the global terrestrial carbon). Recent studies showed that a part (50 %) of the permafrost first few meters could melt by 2050, and 90 % by 2100. The goal of our study is to improve our understanding of ground temperature evolution in arctic areas, especially in snow covered regions. The objective is to discribe the ground temperature all year long with and without a snow cover, and to analyze the evolution of the permafrost’s active layer in relation with the climate variability. We use remote sensing data (fuzzed of MODIS "LST" surface temperatures and AMSR-E "Tb" brightness temperatures) assimilated in the canadian landscape surface scheme (CLASS) coupled to a simple radiative transfer model (HUT). This approach takes into account the advantages of each kind of data in order to achieve two objectives : 1 - build a solid methodology allowing to retrieve ground temperatures, with and without a snow cover, in tundra areas ; 2 - from those retrieved ground temperatures, derive the summer melting duration which can be linked to the permafrost active layer thickness. We describe the models coupling as well as the methodology allowing the adjustement of CLASS input meteorological parameters (essentially the air temperatures and precipitations from the NARR meteorological data base) in order to minimize the simulated LST and Tb in comparison to remote sensing data. By using meteorological station’s ground temperature measurments as a reference for validation in North America tundra areas, results show that the proposed method improves the simulation of ground temperatures when using LST MODIS and Tb at 10 and 19 GHz data to constrain the model, in comparison with model outputs without satellite data. Using the Tb polarization ratio H/V at 10 GHz allows an improvement of the constrain on winter period simulations. An analyze of the error is conducted for summer (1,7 - 3,6 K) and winter (1,8 - 3,5 K). We present climatic applications for future work that meets the second objective of the Ph.D. A better understanding of evolution processes of permafrost, and particularly of the impact of the snow cover, should allow us a better understanding of global warming effects on the permafrost’s melting and the future of their carbon stocks.