Le suivi des milieux sub-polaires est important, tant ils devraient évoluer face à l'augmentation des températures attendue dans ces régions au cours des prochaines décennies. Pour pallier au manque de stations météorologiques affectant les hautes latitudes, la télédétection spatiale est une<br />alternative intéressante, offrant une couverture spatiale quasi-globale. Ce projet s'inscrit dans le développement de méthodes pour extraire de<br />ces données des informations relatives à la surface des latitudes nord (>50°N). Pour cela, les données du capteur SSM/I (special sensor microwave imager), situées dans la gamme spectrale des micro-ondes, présentent certains avantages : indépendantes des radiations solaires ; faible influence atmosphérique. L''approche basée sur les températures de brillance à 19 et 37 GHz, aboutit à trois paramètres géophysiques de surface : une cartographie quotidienne de l'étendue du couvert nival de 1988 à 2002 ; une étendue de l'eau de surface (étendues d'eau libre, petits lacs, réservoirs, milieux humides associés à une végétation peu dense) ; une température caractérisant la surface et l'air proche du sol. <br />Pour pallier à la variation quotidienne de l'heure d'acquisition des données satellites, une méthode de normalisation des températures aboutit à une serie horaire. Ceci permet l' étude d'indicateurs climatiques, comme la somme des degrés jours positifs. Les tendances confirment les tendances climatiques observées : augmentation de la température (+0.8 +/- 0.4 °c pour l'ensemble du territoire canada/alaska entre 1992 et 2002)<br />et diminution de la superficie du couvert nival. Ces bases de données originales présentent également un intérêt pour la validation des<br />modèles de climat à l'échelle régionale.

Le Modèle Atmosphérique Régional (MAR, dx=40 km) est mis en œuvre sur l'Afrique de l'Ouest pour souligner la sensibilité du régime pluviométrique et de la dynamique simulée à la température de surface océanique du Golf de Guinée durant l'année sèche 1984. Cette influence est très marquée au sud de 12°N. Au-delà, il semble que les précipitations soient plus influencées par les interactions avec la surface continentale et les structures synoptiques. La zone Sahélienne apparaît donc pertinente pour étudier le couplage entre la surface continentale et l'atmosphère. Ainsi, une architecture originale fondée sur l'utilisation des codes patrimoines permettant modularité, portabilité, extensibilité et interopérabilité a été développé et utilisé en premier lieu en mode forcé de l'atmosphère vers le bassin versant de la Sirba (39000 km2) modélisé par le modèle hydrologique ABC (dx~1.8 km). Un algorithme de désagrégation des pluies convectives basé sur la prise en compte de plusieurs maximums convectifs pour un même évènement a ainsi été testé avec succès. La prépondérance de la sensibilité de l'échantillonnage temporel sur le spatial est ainsi soulignée.<br />Enfin, une expérience de couplage entre les modèles MAR et ABC interfacés à l'aide de modèles SVAT (Surface Vegetation Atmosphere Transfer) est réalisée sur le bassin de la Sirba.<br />La haute résolution du SVAT sur la Sirba entraîne alors des modifications dans le traitement des flux, de la température de surface, et dans le bilan en eau. La partie hydrologique montre, pour sa part, sa capacité à moduler les variations apportées par le SVAT haute résolution en modifiant le bilan en eau et par là même l'albedo et le bilan d'énergie.

L'océan Austral est un endroit où des changements climatiques importants se sont produits au cours du siècle dernier, accompagnés d'un important niveau d'exploitation des ressources naturelles vivantes par l'homme. Ces changements globaux peuvent potentiellement conduire à des perturbations majeures des écosystèmes de l'océan Austral jusqu'aux prédateurs marins supérieurs. La pêche peut aussi directement affecter les oiseaux de mer par la mortalité accidentelle dans les engins de pêche (prises accessoires) et les ressources alimentaires supplémentaires fournies par les rejets. Lors des 20 dernières années un nombre croissant de recherches ont été effectuées sur les effets du changement climatique et des activités de pêche sur les oiseaux marins de l'océan Austral. L'utilisation de données à long terme d'observations en mer et de populations avec des animaux connus individuellement était essentielle pour détecter ces effets. Ici, nous passons en revue ces études afin d'identifier les tendances dans les changements de distribution, de phénologie, de démographie et de dynamique des populations en réponse aux changements climatiques et aux activités de pêche. Des changements dans la répartition et la phénologie de la reproduction ont été documentés en parallèle à l'augmentation des températures de surface de la mer et des changements dans la couverture de glace de mer dans l'océan Indien du Sud. Des températures de surface de la mer anormalement chaudes semblent principalement avoir un effet négatif sur les paramètres démographiques, bien qu'il existe des exceptions. Les variations de l'étendue de la glace de mer affectent également plusieurs paramètres démographiques et la dynamique des populations. Les relations suggèrent des effets non linéaires, avec des conditions optimales de couverture de glace de mer qui semblent être la règle. L'effort de pêche est principalement négativement relié aux taux de survie des populations et pour quelques espèces positivement relié au succès de la reproduction. Quelques études montrent que les facteurs climatiques et les prises accessoires de la pêche peuvent affecter les paramètres démographiques simultanément d'une manière complexe, qui peut être intégrée dans les modèles de dynamique des populations pour prévoir l'impact sur les populations. Bien que chez les oiseaux marins le taux de croissance démographique soit moins sensible aux variations de la survie des juvéniles qu'à des variations de la survie des adultes, la mortalité chronique des immatures en raison de la pêche peut nuire aux populations. Les modèles de population permettent aussi de projeter des trajectoires de populations dans des conditions climatiques futures. Les études à venir devront intégrer d'autres facteurs environnementaux, d'autres niveaux trophiques, le comportement de recherche de nourriture, les interactions entre climat et pêcheries et les mécanismes sous-jacents à la plasticité phénotypique, comme certaines études pionnières réalisées dans l'hémisphère Nord.

Le but de cette thèse est de montrer quels peuvent être les apports à l'étude de la dynamique océanique des données de télédétection spatiale dans l'infrarouge proche (1000 nm) et moyen 10000 nm). On présente tout d'abord le rayonnement observé (réflexion, émission). On examine les influences de l'état de la mer et de la présence de l'atmosphère entre l'océan et le capteur ou le soleil sur ce rayonnement. Le chapitre 3 aborde les relations entre les distributions spatiales et superficielles de température et de courant. Le courant peut être estimé à l'aide d'un couple de thermographies, soit par suivi de structures particulières, soit par résolution de l'équation de conservation de la chaleur. Des exemples sont donnés pour le courant Ligure, les tourbillons anticycloniques issus du Gulf Stream et les eaux au large de la côte est des Etats-Unis. Enfin, les densités de variance de température calculées en fonction de l'échelle à partir des thermographies, sont comparées aux spectres d'énergie cinétique résultants de théories de turbulence bidimensionnelle. Le chapitre 4 traite des images d'énergie réfléchie par la surface de la mer à partir desquelles sont dérivés l'état d'agitation de la mer et le champ de vitesse du vent. Grâce à un modèle de distribution statistique des pentes des facettes de vague, on examine le signal parvenant au radiomètre en fonction de l'état de surface et des géométries d'éclairement et d'observation, en s'attachant aux cas des satellites SPOT et Landsat. Par ailleurs, on montre que le champ du module de la vitesse du vent à la surface de la mer peut être calculé, à partir des images AVHRR à 1000 nm et qu'il se compare favorablement au champ obtenu d'après une carte d'isobares de surface. Le chapitre 5 est une application des résultats des chapitres précédents, à la connaissance de la dynamique de la couche superficielle de la mer Ligure. La circulation générale dans ce bassin et ses causes présumées y sont discutées. Les variations, les instabilités *du courant et les dissymétries saisonnières nord-sud de la répartition spatiale de ces instabilités et de leur amplitude sont mises en relief. La conclusion est consacrée à la synthèse des apports de la télédétection à la connaissance du milieu marin mis en évidence par les travaux présentés, synthèse particulièrement illustrée par l'exemple de la mer Ligure.

Les travaux ont été effectués sur le golfe du Lion. Ils présentent des résultats combinés de l'interprétation d'images de satellites, obtenues dans l'infrarouge thermique (capteur AVHRR) et dans le domaine visible (capteur CZCS) avec des connaissances historiques et des mesures recueillies simultanément en mer. Ils permettent, d'une part, d'estimer la forte variabilité spatio-temporelle de la zone de dilution rhodanienne, en particulier sous l'influence du vent local et du débit du fleuve, et, d'autre part, d'observer la formation hivernale d'eau profonde dans le golfe du Lion. L'évolution saisonnière des zones de production dans le golfe du Lion est suivie à l'aide d'images de la concentration relative en pigments chlorophylliens et de la température de la mer. Le traitement d'images du spectre visible du satellite METEOSAT II permet l'estimation mensuelle de l'éclairement solaire global au niveau de la mer.

Les objectifs de cette thèse sont la validation d'une méthodologie de détermination de la température de surface (LST) et de l'émissivité de surface (LES) à partir des radiances hyperspectrales du capteur IASI à bord du satellite METOP. Il s'agit de montrer la possibilité d'extraire ces deux paramètres d'un signal hyperspectral IRT télédétecté dans une approche physique. Le domaine spectral d'étude s'étend de 750 à 1250 cm-1 (8 à 13,3 μm) et la résolution spectrale est de l'ordre du 0,25 cm-1, inscrivant ainsi ce travail dans le giron de la radiométrie à très haute résolution spectrale infrarouge. Après une étude des méthodes de séparation existantes, la méthode SpSm (Spectral Smothness), est validée. Une étude de sensibilité aux erreurs aux bruits atmosphérique et instrumental est menée. La méthode SpSm est appliquée aux données IASI en conditions réelles pour l'année 2008 dans une zone spatiale couvrant l'Europe et le Nord d' Afrique. Les résultats sont validés d'une part avec les produits MODIS et SEVIRI, et d'autre part avec les paramètres température et émissivité obtenus à partir des radiances SEVIRI et l'algorithme TISI.

La température de surface de l'océan (SST) est depuis l'avènement des satellites, l'une des variables océaniques la mieux observée. Les modèles réalistes de circulation générale océanique ne la prennent pourtant pas en compte explicitement dans leur fonction de forçage. Dans cette dernière, seules interviennent les variables atmosphériques à proximité de la surface (température, humidité, vitesse du vent, radiations descendantes et précipitations) connues pour être entachées d'incertitudes importantes dès lors qu'on considère l'objectif d'étudier la variabilité à long terme de l'océan et son rôle climatique. La SST est alors classiquement utilisée en assimilation de données pour contraindre l'état du modèle vers une solution en accord avec les observations mais sans corriger la fonction de forçage. Cette approche présente cependant les inconvénients de l'incohérence existant potentiellement entre la solution « forcée » et « assimilée ». On se propose dans cette thèse de développer dans un contexte réaliste une méthode d'assimilation de données de SST observée pour corriger les paramètres de forçage atmosphérique sans correction de l'état océanique. Le jeu de forçage faisant l'objet de ces corrections est composé des variables atmosphériques issues de la réanalyse ERAinterim entre 1989 et 2007. On utilise pour l'estimation de paramètres une méthode séquentielle basée sur le filtre de Kalman, où le vecteur d'état est augmenté des variables de forçage dont la distribution de probabilité a priori est évaluée via des expériences d'ensemble. On évalue ainsi des corrections de forçage mensuelles applicables dans un modèle libre pour la période 1989-2007 en assimilant la SST issue de la base de données de Hurrel (Hurrel, 2008), ainsi qu'une climatologie de salinité de surface (Levitus, 1994). Cette étude démontre la faisabilité d'une telle démarche dans un contexte réaliste, ainsi que l'amélioration de la représentation des flux océan-atmosphère par l'exploitation d'observations de la surface de l'océan. / Sea surface temperature (SST) is more accurately observed from space than near-surface atmospheric variables and air-sea fluxes. But ocean general circulation models for operational forecasting or simulations of the recent ocean variability use, as surface boundary conditions, bulk formulae which do not directly involve the observed SST. In brief, models do not use explicitly in their forcing one of the best observed ocean surface variable, except when assimilated to correct the model state. This classical approach presents however some inconsistency between the “assimilated” solution of the model and the “forced” one. The objective of this research is to develop in a realistic context a new assimilation scheme based on statistical methods that will use SST satellite observations to constrain (within observation-based air-sea flux uncertainties) the surface forcing function (surface atmospheric input variables) of ocean circulation simulations. The idea is to estimate a set of corrections for the atmospheric input data from ERAinterim reanalysis that cover the period from 1989 to 2007. We use a sequential method based on the SEEK filter, with an ensemble experiment to evaluate parameters uncertainties. The control vector is extended to correct forcing parameters (air temperature, air humidity, downward longwave and shortwave radiations, precipitation, wind velocity). Over experiments of one month duration, we assimilate observed monthly SST products (Hurrel, 2008) and SSS seasonal climatology (Levitus, 1994) data, to obtain monthly parameters corrections that we can use in a free run model This study shows that we can thus produce in a realistic case, on a global scale, and over a large time period, an optimal flux correction set that improves the forcing function of an ocean model using sea surface observations.

Ce travail de thèse explore la dynamique à sousmésoéchelle sur le plateau continental du golfe de Gascogne. Dans la première partie, les caractéristiques des processus à sousmésoéchelle sur le plateau sont identifiées à l’aide de données satellites à haute résolution de température de surface de la mer issues du capteur MODIS. Une détection des fronts est réalisées à l’aide d’exposants de singularité, une approche récente pour identifier les irrégularités dans les champs de SST. Les résultats sont complétés par des simulations numériques à 2.5 km de résolution spatiale. Trois types principaux de fronts sont présentés : i) les fronts de marée le long de la côte et plus marqués dans la région d’Ouessant; ii) les fronts au niveau du talus continental liés à l’activité des ondes internes; iii) les fronts d’eaux dessalées aux limites des panaches de rivières en hiver. Dans la seconde partie, un modèle hydrodynamique réaliste du golfe de Gascogne a été mis en place. Cette configuration a une résolution spatiale de 1 km et 40 niveaux verticaux sigma. Un diagnostic est basé sur l’hypothèse que les processus à sousmésoéchelles résultent d’instabilités baroclines. L’énergie potentielle disponible est ainsi convertie en énergie cinétique tourbillonnaire avec des échelles temporelles O(1) jour ou moins grâce à ces processus. L’activité est plus intense dans la région d’Ouessant et les régions côtières en été. En hiver, ces processus ont une échelle temporelle O(1) jour (∼ 30 heures). Ces échelles temporelles sont un indicateur de la présence d’instabilités baroclines à sousmésoéchelle à proximité du panache. / This thesis explores the submesoscale dynamics in the Bay of Biscay continental shelf. In the first part, submesoscale features over the shelf are identified using remotely sensed high resolution sea surface temperature (SST) images by MODIS. Front detection is achieved through singularity exponents, a novel method of calculating irregularities on the SST fields, and an index for the frontal activity is generated. Results are complemented with 2.5 km horizontal resolution numerical simulations. Three main types of fronts are presented: i) tidal mixing fronts along the coast and most significantly in the Ushant region; ii) shelf break front related to internal tidal wave activity; iii) fresh water fronts along the edge of the river plumes in winter. In the second part, a realistic hydrodynamical model of Bay of Biscay is set up. The model has a 1 km horizontal resolution and 40 σ vertical layers. Diagnostics is based on the assumption that the submesoscale features in the upper ocean are the result of baroclinic instabilities. Available potential energy (APE) is then converted to eddy kinetic energy (EKE) in time scales in O(1) day or less through this process. Activity increases in the Ushant region and the coastal regions in summer, whereas, in winter, activity in the vicinity of the fresh water plumes dominates. In summer, EKE conversion time scale in this region is ∼ 5 days, which can be considered shorter than mesoscale. In winter, they have a time scale of O(1) (∼ 30 hours). This is an indicator that the submesoscale baroclinic instability is happening at the plume.

Ce travail s'inscrit dans une démarche visant à quantifier l'impact de la diagenèse sur les ratios élémentaires Sr/Ca, Mg/Ca et U/Ca caractéristiques de l'exosquelette (aragonite biogénique) de coraux Porites sp. Ces ratios élémentaires sont très utilisés comme paléo thermomètres en paléo climatologie tropicale pour reconstruire les paléo variables environnementales comme la température de surface de l'océan. On considère dans un premier temps un corail moderne prélevé in vivo et un corail fossile daté au 14C de l'Holocène Moyen (5445 ans BP). Les deux coraux ne présentent aucune trace d'altération diagénétique. On mesure Sr/Ca, Mg/Ca, U/Ca dans l'exosquelette par spectrométrie de masse couplée à un plasma inductif et à la microsonde de Castaing pour Sr/Ca. Les températures de l'océan du temps du vivant des coraux sont alors reconstruites à partir de la géochimie des échantillons et validées. L'approche est ensuite étendue à des coraux pléistocènes (~125000 ans BP) altérés par la diagénèse e.g., apparition de calcite au détriment de l'aragonite initiale sous l'action de l'eau douce percolant dans les récifs. Cette calcitisation affecte les ratios Sr/Ca et Mg/Ca originels et est susceptible d'entacher les reconstructions d'un biais qu'il est important de bien connaître. En s'appuyant sur la spectrométrie Raman et la microanalyse X, on confirme les tendances qualitatives rapportées dans la littérature sur l'impact de la calcite sur les proxies du climat : la présence de calcite diminue (resp. rehausse) le ratio Sr/Ca (resp. Mg/Ca) créant donc des artéfacts chauds dans les températures reconstruites. / This work is part of an approach aimed at quantifying the impact of diagenesis upon the Sr/Ca, Mg/Ca and U/Ca elemental ratios that typify the exoskeleton (biogenic aragonite) of Porites sp corals. These elemental ratios are indeed routinely used as paleothermometers in tropical paleoclimatology in order to reconstruct environmental paleovariables such as the Sea Surface Temperature (SST). In a first step, we analyze a modern coral collected in vivo and a fossil coral dated by 14C to mid-Holocene (5545 year BP). Both corals are in pristine state. The Sr/Ca, Mg/Ca and U/Ca ratios are measured by inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and with a Castaing microprobe for Sr/Ca. The SSTs at the time when the corals were alive are reconstructed from the geochemistry of the samples and validated against in situ measurements / previous work in the same area. Next, the approach is extended to Pleistocene fossil corals (~125000 year BP) that have been altered by diagenesis e.g., calcitization of the samples to the detriment of the original aragonite due to the fresh water that percolates through the coral reefs. Calcitization alters the original Sr/Ca and Mg/Ca. The reconstructed SSTs can therefore include nontrivial biases whose magnitude must be evaluated. Relying on Raman spectrometry, we confirm published qualitative trends on the impact of calcite upon the climate proxies : calcite lowers (resp. increases) the Sr/Ca (resp. Mg/Ca) ratio leading therefore to warm artifacts in the reconstructed SSTs.

Durant cette thèse, les difficultés rencontrées pour la mesure de température de surface des composants métalliques face au plasma dans les tokamaks sont présentés. Les méthodes de thermographie infrarouge nécessitent de connaitre l'émissivité du matériau et la contribution de l'environnent pour les matériaux de faible émissivité. Des méthodes ont été développées afin de s'affranchir de ces difficultés mais elles répondent à des configurations particulières et aucune n'est adaptée pour une mesure de température de surface de matériaux métalliques dans un tokamak.La méthode de pyrométrie active présentée dans cette étude réalise des mesures de température de surface indépendamment du flux réfléchi et de l'émissivité en utilisant l'effet photothermique. La validation de cette technique en laboratoire sur des matériaux métalliques avec un flux réfléchi pour les régimes impulsionnel et modulé s'est accompagnée d'une modélisation de la variation de température induite par l'effet photothermique et de l'évolution temporelle des signaux obtenus pour optimiser les paramètres de la source et de la chaine d'acquisition. Les résultats expérimentaux ont déterminé les domaines d'application en température et en longueur d'onde de détection.Le dimensionnement d'une installation de pyrométrie active sur tokamak avec une caméra infrarouge bicolore a été réalisé pour une mesure de température sans contact.La méthode de pyrométrie active est une technique complémentaire des méthodes classiques utilisées dans le cadre de la thermographie en environnement tokamak qui permet de réaliser des mesures de température de surface locale et 2D indépendantes du flux réfléchi et de l'émissivité. / During this PhD, the challenges on the non-intrusive surface temperature measurements of metallic plasma facing components in tokamaks are reported. Indeed, a precise material emissivity value is needed for classical infrared methods and the environment contribution has to be known particularly for low emissivities materials. Although methods have been developed to overcome these issues, they have been implemented solely for dedicated experiments. In any case, none of these methods are suitable for surface temperature measurement in tokamaks.The active pyrometry introduced in this study allows surface temperature measurements independently of reflected flux and emissivities using pulsed and modulated photothermal effect. This method has been validated in laboratory on metallic materials with reflected fluxes for pulsed and modulated modes. This experimental validation is coupled with a surface temperature variation induced by photothermal effect and temporal signal evolvement modelling in order to optimize both the heating source characteristics and the data acquisition and treatment. The experimental results have been used to determine the application range in temperature and detection wavelengths.In this context, the design of an active pyrometry system on tokamak has been completed, based on a bicolor camera for a thermography application in metallic (or low emissivity) environment.The active pyrometry method introduced in this study is a complementary technique of classical infrared methods used for thermography in tokamak environment which allows performing local and 2D surface temperature measurements independently of reflected fluxes and emissivities.