Identifier et caractériser les effets du réchauffement climatique est un des grands enjeux scientifiques de ce début de siècle. Élévation du niveau des mers, bouleversements hydrologiques sont autant de conséquences de ce phénomène qui conditionnent l’existence de toutes les formes de vie présentes sur Terre. Dû à sa capacité thermique élevée, on estime que 84% de l’énergie développée par le réchauffement climatique est stockée dans les premières couches de l’océan. Il est cependant assez difficile d’évaluer son impact global au cours des 50 dernières années car l’océan ne se réchauffe pas de manière uniforme et l’échantillonnage in-homogène (spatial et temporel) des mesures océanographiques, des erreurs instrumentales (XBT) et des biais relatifs aux processus d’estimation des indicateurs globaux peuvent altérer notre appréciation de l’évolution des paramètres océaniques. Afin de pallier ces difficultés inhérentes à l’exploitation des mesures in situ, nous proposons dans cette thèse une correction empirique des données XBT basée sur l’analyse de profils colocalisés, caractérisée par une fonction parabolique sur l’immersion de la sonde et un terme d’offset thermique. À partir de la base de données corrigée, nous présentons ensuite une méthode originale de création de champs grillés grande échelle s’articulant autour de la reconstruction des modes propres de variabilité (DINEOF). Enfin, nous présentons les principaux résultats issus de ces reconstructions en termes de tendances globales et de variabilité du contenu thermique et contenu d’eau douce. Ces travaux contribuent ainsi à mieux documenter la variabilité océanique dans la couche 0-700m. / To identify and characterize the effects of global warming is one of the major scientific challenges of this new century. The rise of sea level, the hydrological changes are some consequences of this phenomenon which will influence all forms of life on Earth. Due to its high thermal capacity, it is estimated that 84% of the energy developed by global warming is stored in the first layers of the ocean. However, it is rather difficult to assess its overall impact over the last 50 years because the ocean is not warming uniformly and the inhomogeneous sampling (spatial and temporal) of oceanographic observations, instrumental errors (XBT) and biases related to the estimation process of global indicators can affect our assessment of the evolution of ocean parameters. To overcome these difficulties of in situ measurements analysis, we propose here an empirical correction of XBT data based on the analysis of collocated profiles, characterized by a parabolic function of the immersion of the probe and a thermal offset. From the corrected database, we present a new method for creating large-scale gridded fields based on the reconstruction of the natural modes of variability (DINEOF). Finally, we present the main results from these reconstructions in terms of global trends and variability of heat content and freshwater content. This work contributes to better document the oceanic variability in the 0-700m layer.

Depuis le début des années 1990 on suit l'évolution globale du niveau de la mer grâce aux satellites altimétriques. Ils observent une hausse du niveau moyen global de la mer (GMSL) de 3.4 ± 0.4 mm/an sur la période 1993-2016 (ce qui représente le double de ce qui a été observé au cours du 20ème siècle par les marégraphes, hausse à 1.7 mm/an entre 1900 et 1990). Le GMSL présente aussi des fluctuations interannuelles qui peuvent atteindre quelques millimètres, surtout pendant les épisodes ENSO. Cette hausse n'est pas régionalement uniforme : elle a été 3 fois plus rapide que la hausse moyenne globale dans certaines zones entre 1993 et 2016. Au cours du 21ème siècle, on s'attend à une hausse accrue du GMSL pouvant aller jusqu'à 1 m à l'horizon 2100, avec une forte variabilité régionale. Il est donc important de comprendre l'évolution actuelle du niveau des océans qui constitue une menace sérieuse pour de nombreuses régions côtières basses souvent très peuplées. Cette thèse s'inscrit dans le contexte du projet niveau de la mer CCI (Climate Change Initiative) de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) ayant pour objectif de fournir de meilleurs produits du niveau de la mer combinant les missions Topex/Poseidon, Jason-1/2, ERS-1/2 et Envisat. L'objectif premier de cette thèse est de valider ces produits SL_CCI du niveau de la mer en utilisant différentes approches, en particulier par l'étude du bilan (comparaison du GMSL observé avec la somme des différentes contributions : composante stérique, fonte des glaces continentales et transferts d'eau depuis les terres émergées). Un autre objectif est d'estimer les composantes du niveau de la mer mal connues, et tout particulièrement le contenu thermique de l'océan profond non mesurable par le système Argo, et la contribution du stock d'eau sur les continents. Ces travaux ont montré que la contribution de l'océan profond en dessous de 2000m est faible sur la période 2005-2013 et contenue dans la barre d'incertitudes des données (erreurs qui proviennent essentiellement, (1) des produits niveau de la mer altimétriques et des lacunes de la couverture géographique des données Argo dans la région Indonésienne pour la tendance et (2) des produits GRACE et Argo pour la variabilité interannuelle). Nos résultats et la méthode utilisée montrent que le niveau de la mer et ses composantes sont encore entachés d'erreurs importantes. Dans la deuxième partie, nous avons analysé l'influence du phénomène ENSO (El Niño et La Niña) sur les variations interannuelles du GMSL. Nous montrons que lors des évènements La Niña comme celui de 2010-2011, le déficit de précipitations sur l'océan (et l'excès sur les continents) conduit à une baisse temporaire de la masse de l'océan global et donc du niveau de la mer. C'est essentiellement la variation de masse de l'océan qui explique la variabilité interannuelle du niveau de la mer lors des évènements ENSO, et le déficit (La Niña) ou excès (El Niño) de masse se trouve confiné dans l'océan Pacifique tropical Nord. Pour finir, nous analysons l'évolution de la température moyenne de l'air et de l'océan en surface sur la période du "hiatus" (2003-2013). Nous montrons que ce hiatus, c'est à dire le ralentissement récent de la hausse de la température moyenne globale de la Terre est un phénomène quasi global, même si le Pacifique tropical Est s'est fortement refroidi. Cette "supposée" pause récente s'explique par la variabilité naturelle interne du climat. La Terre est toujours en état de déséquilibre énergétique dû à l'accumulation de gaz à effet de serre. Nous mettons en évidence le rôle de la variabilité naturelle à court terme sur les changements à plus long terme associés au réchauffement climatique anthropique. / Since the early 1990s sea level is routinely measured using high-precision altimeter satellites. These observe a rise in global mean sea level (GMSL) of 3.4 ± 0.4 mm/yr over the 1993-2016 period (which is twice what has been observed during the 20th century by the tide gauges, with a rise of 1.7 +/- 0.3 mm/yr). The interannual variability in the GMSL can reach several millimeters, especially during ENSO events. The rate of sea level rise is not regionally uniform. During the altimetry era, it was three times faster than the global mean in some areas. During the 21st century, we expect a greater rise of the GMSL than today, up to 1 m in 2100, with strong regional variability. It is therefore important to understand the current evolution of the sea level, since it represents a serious threat to many low coastal areas, often densely populated of the planet. My thesis research deals with the Sea Level CCI (Climate Change Initiative) project of the European Space Agency (ESA) which objective is to provide improved sea level products combining several altimetry missions, including Topex/Poseidon, Jason-1/2, ERS-1/2 and Envisat. The primary objective of my thesis was to validate the CCI sea level products using different approaches, in particular the sea level budget approach. It consists of comparing the observed GMSL with the sum of different contributions : the steric component, melting of continental ice and transfers of water between the land surface and oceans. Another objective was to estimate the poorly known components to sea level rise, in particular the heat content of the deep ocean not measurable by Argo, and the contribution of water storage on the land. My work has shown that the contribution of the deep ocean below 2000m to the rising sea level is small over the 2005-2013 periods and not significant compared to the data uncertainties. The main uncertainties come from: (1) -in terms of trend- the altimetry sea level products and gaps in the geographical coverage of Argo data in the Indonesian region, and (2) -in terms of interannual variability- the GRACE and Argo products. My results and the method used show that the sea level and its components are still affected by important errors. In the second part, I analyzed the influence of ENSO (El Niño and La Niña) on the interannual variations of the GMSL. I showed that during La Niña events, like that of 2010-2011, the rainfall deficit over the ocean (and excess over the continents) leads to a temporary decrease in the global ocean mass and therefore in the GMSL. This is essentially the ocean mass variation that explains the interannual variability of the GMSL during ENSO events. Furthermore, the deficit (La Niña) or excess (El Niño) ocean mass is confined in the north tropical Pacific Ocean. Finally, I analyzed the evolution of the average temperature of air and ocean surface over the period of the "hiatus" (2003-2013). I showed that this hiatus, i.e. the recent slowdown in the rise of the global mean Earth's temperature is an almost global phenomenon, though cooling of the tropical eastern Pacific has slightly contributed. This recent pause is attributable to natural internal climate variability. The Earth is indeed still in a state of energetic imbalance due to the accumulation of greenhouse gases. I highlighted the role of the natural variability that is superimposed to the anthropogenic global warming.