Dissertations / Theses on the topic 'Calotte Antarctique'

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3.2GHz, et Bande Ku soit 13.6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents. Nous obtenons de très bonnes cohérences, ce qui atteste la sensibilité de la mesure altimétrique aux changements d'état de la surface induits par les variations de vent. Nous utilisons en dernier lieu un modèle régional (MAR/LGGE), qui prend en compte les interactions des vents avec l'état de la surface avec une résolution spatiale plus fine. Cela nous permet de confirmer les résultats déjà obtenus, et de mettre en valeur les spécificités du modèle MAR. Les méthodes mises en jeu sont empiriques et les résutats obtenus qualitatifs. Nous avons toutefois identifié deux régions majeures, réagissant différemment aux variations de vents, que nous expliquons par l'existence de structures de surface particulières, et un impact différent des vents sur l'état de la surface.

Le bilan de masse en surface (noté BMS ; l'accumulation de neige diminuée de l'ablation) de la calotte glaciaire antarctique est sensible aux paramètres climatiques et contribue directement aux variations du niveau moyen des mers. Il est donc important, dans le cadre de la prévision du changement climatique, de développer des outils capables de simuler les processus physiques régissant le bilan de masse en surface antarctique. L'approche développée dans cette thèse consiste à utiliser une cascade de modèles atmosphériques allant de la grande échelle vers l'échelle locale. Ainsi, un modèle climatique régional (Modèle atmosphérique régional, MAR), forcé par des réanalyses du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), fournit à un modèle diagnostique de désagrégation physique des précipitations les champs météorologiques nécessaires calculés à l'échelle régionale (typiquement, de résolution 40 km). Dans un premier temps, il est montré que le bilan de masse en surface généré par le MAR est conforme aux observations dans la plupart des régions. Toutefois, le ruissellement est surestimé ; ce problème disparaît en introduisant une dépendance de l'albédo avec la distance zénithale de l'astre solaire. Dans un second temps, il est montré que malgré la relative simplicité des paramétrisations physiques du désagrégateur, la connaissance du relief de fine échelle (de résolution 5 km) permet d'améliorer la variabilité spatiale de la précipitation, et, par conséquent, du BMS, sur les régions côtières de l'Antarctique. La validation est menée à l'aide, notamment, de mesures de hauteurs de neige délivrées par des stations météorologiques automatiques. Sur le site côtier de Law Dome, le gradient d'accumulation nette est davantage dû au forage orographique subi par la précipitation qu'au processus de chasse-neige. Le modèle de désagrégation sous-estime fortement la précipitation sur le plateau Antarctique, où les nuages stratosphériques polaires associés au refroidissement radiatif pourraient jouer un rôle dans la génération de la précipitation pendant la nuit polaire
The Antarctic ice sheet surface mass balance (SMB, snow accumulation minus ablation) is sensitive to climate parameters and directly contributes to global mean sea level variations. Therefore, in the perspective of climate change, it is useful to develop tools that can simulate the physical processes involved in the Antarctic surface mass balance. The approach developed in this thesis consists in using a cascade of atmospheric models from large scale to local scale. Thus, a regional climate model (Modèle atmosphérique régional, hereinafter referred to as MAR), forced by European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) reanalysis, provides a diagnostic physical-based rain- and snowfall disaggregation model with meteorological fields at the regional scale (typically 40-km resolution). In a first part, it is shown that the SMB calculated by MAR is in good agreement with observations in most regions. Nonetheless, runoff appears to be overestimated; the problem vanishes when introducing a dependency of albedo with solar zenithal distance. In a second part, it is shown that although the parameterizations invoked in the disaggregation model are fairly simple, the knowledge of small-scale topography (5-km resolution) is efficiently used to improve the spatial variability of precipitation - and therefore SMB - over coastal regions of Antarctica. Model validation is carried out with the help of snow height measurements provided by automatic weather stations. Over the coastal place of Law Dome, the net accumulation gradient is mostly due to orographic forcing of precipitation (rather than blowing snow). The disaggregation model dramatically underestimates precipitation over the Antarctic Plateau, where polar stratospheric clouds associated with radiative cooling could play a role in the formation of precipitation during the polar night

Le bilan de masse en surface (noté BMS ; l'accumulation de neige diminuée de l'ablation) de la calotte glaciaire antarctique est sensible aux paramètres climatiques et contribue directement aux variations du niveau moyen des mers. Il est donc important, dans le cadre de la prévision du changement climatique, de développer des outils capables de simuler les processus physiques régissant le bilan de masse en surface antarctique. L'approche développée dans cette thèse consiste à utiliser une cascade de modèles atmosphériques allant de la grande échelle vers l'échelle locale. Ainsi, un modèle climatique régional (Modèle atmosphérique régional, MAR), forcé par des réanalyses du Centre européen pour les prévisions météorologiques à moyen terme (CEPMMT), fournit à un modèle diagnostique de désagrégation physique des précipitations les champs météorologiques nécessaires calculés à l'échelle régionale (typiquement, de résolution 40 km). Dans un premier temps, il est montré que le bilan de masse en surface généré par le MAR est conforme aux observations dans la plupart des régions. Toutefois, le ruissellement est surestimé ; ce problème disparaît en introduisant une dépendance de l'albédo avec la distance zénithale de l'astre solaire. Dans un second temps, il est montré que malgré la relative simplicité des paramétrisations physiques du désagrégateur, la connaissance du relief de fine échelle (de résolution 5 km) permet d'améliorer la variabilité spatiale de la précipitation, et, par conséquent, du BMS, sur les régions côtières de l'Antarctique. La validation est menée à l'aide, notamment, de mesures de hauteurs de neige délivrées par des stations météorologiques automatiques. Sur le site côtier de Law Dome, le gradient d'accumulation nette est davantage dû au forage orographique subi par la précipitation qu'au processus de chasse-neige. Le modèle de désagrégation sous-estime fortement la précipitation sur le plateau Antarctique, où les nuages stratosphériques polaires associés au refroidissement radiatif pourraient jouer un rôle dans la génération de la précipitation pendant la nuit polaire.

Pour la première fois, l'altimètre du satellite ERS-1 permet un suivi global et permanent de la topographie de surface de 80 pour cent de la calotte antarctique. L'altimétrie satellitaire représente donc un outil précieux conduisant à une meilleure connaissanc des différents mécanismes qui interviennent dans la structure et l'évolution de la calotte glaciaire. Cette étude permet non seulement de déterminer avec précision les caractéristiques de l'écoulement des glaces , proposant ainsi une contrainte supplémentaire dans les modèles de bilan de masse, mais aussi de mettre en évidence les évolutions spatio-temporelles de la morphologie des calottes et l'interaction avec le climat. Le traitement global d'un cycle de 35 jours avec une méthode inverse généralisée propose une topographie précise de la calotte et met en évidence les différentes échelles présentes. L'étude à grande échelle mène à la dé́termination précise des paramètres rhéologiques. L'étude plus detaillée laisse apparaitre des ondulations sur des longueurs d'onde d'environ 20 km qui reflètent le socle rocheux et des ondulations de quelques dizaines de km sur quelques centaines de kilometres probablement liées à des anomalies d'écoulement à l'interface socle/glace. Enfin, une étude variationnelle sur cinq cycles repartis sur un an de données montre sans ambiguité que la mesure altimétrique subit des variations de plusieurs decimètres en l'espace de plusieurs jours et de quelques dizaines de kilometres, liées a des modifications de la physique de l'interaction onde/surface. Ces variations, probablement d'origine météorologiques montrent qu'il est indispensable de ne pas dissocier la mesure altimétrique des paramètres caractéristiques de l'onde radar, qui peut apporter des informations sur la structure des premiers mètres de glace

L'Antarctique est encore un continent à explorer pour comprendre le climat terrestre, passé, présent et futur. Grâce à l'analyse des carottages, on peut remonter l'histoire du climat terrestre sur plusieurs centaines de milliers d'années. Grâce à l'étude de sa topographie, on peut remonter à la variabilité de son climat, connaître sa dynamique : écoulement de la glace, vêlages d'icebergs. . . Grâce au suivi de la topographie, c'est-à-dire la variation de la hauteur de glace, on peut estimer les pertes et les gains de masses ainsi que la contribution à la hausse du niveau de la mer, pour déduire l'impact sur les océans et les littoraux. Pour explorer ce continent, nous utilisons dans cette thèse l'instrument embarqué sur satellite qu'est l'altimètre. Une onde radar ou laser est envoyée sur le sol et la réflexion de ce signal est enregistrée permettant d'extraire des paramètres pertinents et la hauteur de glace. Les satellites ont pris le relais des expéditions célèbres du XIXème siècle, notamment depuis le lancement du premier altimètre couvrant jusqu'à 82æ S ce continent, embarqué sur la mission ERS-1. Depuis 2013, SARAL marque un changement dans les caractéristiques instrumentales par rapport aux missions précédentes, car elle émet dans une fréquence appartenant à la bande Ka (36.75 Ghz) au lieu des bandes Ku (13.6 Ghz) et S (3.2 Ghz) ce qui implique une interaction avec la surface différente qu'il faut pouvoir comprendre. Avec près de trois ans d'observations, ce manuscrit regroupe les travaux sur le traitement des données altimétriques dans un but de valorisation de la mission SARAL. Nous présentons le contexte géographique et le contexte technique pour montrer les difficultés du traitement des données . En utilisant la méthode des points de croisement que nous expliciterons, nous présentons l'importance de la comparaison de deux missions concomitantes, ENVISAT et ICESat afin d'estimer la profondeur de pénétration en bande Ku de l'onde radar et corriger de cet effet, étude que l'on pourra répéter avec SARAL une fois la mission ICESat-2 lancée. Nous avons adapté une chaîne de calibration et de validation des données sur glace continentale qui nous permet d'établir des diagnostics, des statistiques et des suivis temporels. La pente de la surface joue un rôle prépondérant dans la dégradation de la précision des données. Nous mettons en place un processus de sélection des données altimétriques afin d'augmenter cette précision. Grâce à cette sélection et l'application de la correction de marée océanique, nous quantifions avec des métriques aux points de croisement la performance de la mesure de SARAL sur glace continentale, et nous réduisons l'imprécision de la mesure de plus de 90%. Enfin, grâce aux sorties de notre chaîne de validation, nous décrivons les observations de SARAL sur près de trois ans afin d'apporter une analyse préliminaire cohérente avec la mission précédente qu'est ENVISAT. Nous soulevons les améliorations à apporter pour aller plus loin dans la physique de la mesure. Que ce soit la comparaison avec d'autres missions, l'utilisation de modèles ou des modifications dans l'algorithme d'extraction des paramètres du signal appelé retracking, SARAL apporte de nouvelles perspectives afin que l'évolution de la calotte Antarctique soit connue avec une précision toujours croissante
Antarctica still remains a fascinating place to be explored. With ice corings, the past Earth climate can be retraced. Studying its surface, its climate variability and its dynamic are better known : ice velocity, iceberg calvings. . . Through the height variations monitoring, ice gains and losses are estimated, leading to the contribution to the sea-level rise, from which is deduced the impact over coastal areas or the oceans. To explore this continent, we use the sensor called altimeter : a radar or laser wave is sent from the satellite to the surface and the reflected signal is recorded. From this signal we extract relevant parameters and the height. The satellites have observed this area, notably since the altimetric mission ERS-1 launching, until 82æ S in 1991, following the still famous explorations from the beginning of the twentieth century. SARAL, launched in February 2013, innovates because of the major change in the frequency used, the Ka-band (36.75 Ghz) instead of the Ku-band (13.6Ghz) and the S-band (3.2 Ghz) implying a different interaction between the radar wave and the snowpack that needs to be investigated. Using almost three years of observations, we focus on the altimetric signal processing and its validation. The geographic and the technical aspects are introduced and we show the limitations in the altimetric data processing. Using the crossover method (explained in greater detail later), we compare two simultaneous missions, ENVISAT and ICESat in order to better constrain the penetration effect of the radar-wave into the snowpack and correct it. The method that is used will be of great interest to compare SARAL with the future mission ICESat- 2. A new calibration and validation tool has been implemented, allowing a long-term survey of the Antarctic area, providing statistics, diagnostics and temporal series. The slope effect is the major limitation in the precision assessment of the mission. Thanks to a new way of selecting the data and the oceanic tide correction, we quantify with metrics computed at crossover points the accuracy of altimetric data over the Antarctic ice sheet. We describe in the last part the SARAL observations to give a preliminary analysis in agreement with the former mission ENVISAT. Other ways of improvement are presented, like future altimetric missions, modifications in the so-called retracking algorithm that extracts the relevant parameters or even the use of models. SARAL raises perspectives to estimate with a growing precision the evolution of the Antarctic continent, and this thesis is a state of the art about the different possible processings needed to do so

L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre les variations temporelles des signaux altimétriques sur la calotte polaire Antarctique. Nous exploitons les observations effectuées par l'altimètre à bord d'ENVISAT entre janvier 2003 et décembre 2007. Ces observations s'étendent jusqu'à 82°Sud, ce qui permet de couvrir environ 80% du continent Antarctique. Pendant la période d'étude deux fréquences sont exploitables (Bande S, soit 3. 2GHz, et Bande Ku soit 13. 6GHz), ce qui permet de mieux cerner la sensibilité de la mesure aux variations d'état du manteau neigeux couvrant la calotte polaire Antarctique. L'état de la surface neigeuse en Antarctique varie dans l'espace comme dans le temps, en réponse aux événements météorologiques de proche surface, et tout particulièrement les vents. Selon l'état de la surface, l'onde électromagnétique émise par l'altimètre va pénétrer plus ou moins profondément dans le manteau neigeux, modifiant la forme de l'écho enregistré lorsque cette onde retourne au satellite. La précision des mesures de topographie de la calotte polaire dépend alors de la connaissance des propriétés de surface, ainsi que de la compréhension des mécanismes contrôlant l'interaction des ondes électromagnétiques avec la surface neigeuse. Nous étudions dans cette thèse comment la forme de l'écho altimétrique évolue lorsque les conditions de vent à la surface de la calotte polaire changent, et affectent l'état de la surface. Nous commençons par étudier la variabilité spatiale et temporelle des observations altimétriques d'une part, et des intensités de vent d'autre part (réanalyses des modèles atmosphériques globaux NCEP/NCAR, NCEP/DOE et ERA-Interim). Nous en identifions les échelles de variations spatiales et temporelles caractéristiques. Cela nous permet de concevoir les traitements à appliquer afin d'homogénéiser les différentes sources d'information. Nous constatons que les variations de nos séries temporelles décrivent essentiellement un signal annuel, toujours maximal en été austral pour les variations de vents. En revanche les variations annuelles de la forme d'onde ne sont pas homogènes à l'échelle de la calotte polaire, mais mettent en évidence deux régions principales. Nous utilisons ensuite les propriétés de la forme d'onde altimétrique, et leurs variations temporelles pour reconstruire les variations d'intensité de vents
This work aims at improving our understanding of the altimetric time series acquired over the Antarctic Ice Sheet. Dual frequency data (S Band - 3. 2GHz and Ku Band - 13. 6GHz) from thealtimeter onboard the ENVISAT satellite are used, during a five year time period from january2003 until december 2007. These data cover around 80% of the surface of the Antarctic continent,up to 82°S. Having data in two different frequencies is valuable when it comes to better estimatethe altimeter sensitivity regarding snow surface property changes. Over the Antarctic ice sheet, snow surface changes with respect to space and time, beingaffected by meteorological conditions close to the surface, and especially winds. The altimetricwave penetrates more or less deeply beneath the surface, depending on snow surface and subsurfaceproperties. As a result, when the wave comes back to the satellite, the recorded signal, namedwaveform, is more or less distorted. The accuracy of the ice sheet topographic changes computedthanks to satellite altimetric techniques depends on our knowledge of the processes inducing thisdistortion. The purpose of the present work is to better understand the effect of changing windconditions on altimetric data. Winds in Antarctica are indeed famous for their strength and theirimpact on the snow surface state. First, spatial and temporal variability of the altimetric data on the one hand, and of wind speedreanalysis fields (from ERA-Interim, NCEP/NCAR and NCEP/DOE projects) on the other handare studied. We estimate spatial and temporal typical length scales for all datasets. As a result, weare able to smooth the data, so that all datasets have the same spatial and temporal caractericticlength scales. Furthermore, we note that our time series are well described by an annual signal. This annual cycle shows that whereas wind speed would always be maximum in austral winter,altimetric seasonal cycles have very different behaviors depending on the location. .

La calotte polaire Antarctique est une région immense et peu accessible, mais partie intégrante du système climatique planétaire. Pour mieux comprendre son fonctionnement et prévoir ses réactions face à un climat qui évolue, les mesures satellites sont des outils précieux. Nous exploitons l'un de ces capteurs satellites : l'altimètre radar d'Envisat. Cet instrument permet de mesurer la hauteur de la surface de la calotte et, par des mesures répétées dans le temps, son évolution temporelle. Nous explorons les changements de volume de la calotte sur une période entre 2002 et 2010. Cette période est très courte en regard de certains phénomènes agissant sur la calotte mais permet néanmoins de détecter d'importants changements, dus à des excès de précipitations ou à une accélération de l'écoulement de la glace. Par ailleurs, la densité spatiale et temporelle de l'échantillonnage d'Envisat permet d'observer des événements rapides (quelques mois) et localisés (quelques kilomètres) tels que des vidanges de lacs sous-glaciaires. Ces phénomènes sont encore mal connus et l'altimétrie est un des principaux outils aptes à les observer. La manière dont l'onde radar est réfléchie et rétrodiffusée par la surface de la calotte est un problème complexe, principalement parce que le manteau neigeux est lui-même changeant et complexe. Nous évoquons l'état de l'art de la compréhension des phénomènes impliqués. Nous terminons ces travaux par une ouverture sur les techniques qui permettront d'avancer dans la compréhension des calottes polaires : nouveaux altimètres, séries de données plus longues, fusion de jeux de données provenant de capteurs différents et complémentarité avec les données in situ
The Antarctic Ice Sheet is a vast and remote hostile land. It is nonetheless an important part of the planetary climate system. Space-borne instruments are among the best tools to study the evolution of the ice sheet. In this work, we use data from one of these space sensors: the Envisat radar altimeter. This instrument provided us repeated measurements of the ice sheet surface elevation every 35 days during 8 years. From this dataset, we investigated volume change of the ice sheet between 2002 and 2010. This period is relatively short compared to the typical duration of ice sheet response (thousands of years after an ice age) but the data show some evolution, either extreme precipitation events or accelerated flow and associated thinning. The high space and time resolution also allowed us to observe rapid and local events such as subglacial lake drainages. These were only recently discovered in Antarctica and altimetry is one of the best suited tools to study them. The reflection and backscatter of the radar wave by the snowpack is still a complex problem that has to be further investigated. The own behavior of the snowpack must be better understood. We present the state of the art of the understanding of the radar/snowpack interaction. We conclude with an outlook on future techniques that will enhance our understanding of the ice sheet process and ice sheet evolution: new altimeters, longer time series, multi-sensor studies and additional in situ calibration

La calotte polaire antarctique est constituée d'une épaisse couche de glace surmontée d'un névé d'une centaine de mètres d'épaisseur. Si les observations satellites, avec une couverture quasi-globale du continent, ont permis depuis bientôt 40 ans de fournir de nombreuses informations sur sa topographie et quelques propriétés de sa surface, la connaissance de son manteau neigeux est encore très limitée. Les précipitations qui se déposent sont balayées par les vents, s'accumulent pour former des couches. En s'enfouissant, les grains de neige qui les constituent subissent un métamorphisme qui modifie leur taille et leurs caractéristiques. Pourtant, Les taux d'accumulations ou les tailles des grains de neige, dont la signature est contenue dans les observations de la proche surface, sont des indicateurs climatiques clés, jusqu'alors mal connus.

Depuis 2002 et le lancement de ENVISAT, on dispose d'un altimètre radar qui couvre 80 \% de la calotte polaire Antarctique, dont la particularité est d'acquérir des signaux à deux fréquences différentes (bande S à 3.2 GHz et bande Ku à 13.6 GHz). Ces deux ondes pénètrent dans le manteau neigeux sur plusieurs mètres et ont des sensibilités aux propriétés de la neige différentes. Ainsi, l'idée de cette thèse est d'utiliser cette double information pour retrouver les propriétés du manteau neigeux.

On se propose de résoudre cette problématique par une analyse et une modélisation des signaux altimétriques bi-fréquences sur la calotte polaire, puis par leur inversion. On se penche tout d'abord sur quelques études de cas pour estimer la sensibilité des signaux aux différentes propriétés de la neige: i/ On montre tout d'abord que le signal altimétrique est sensible à la rugosité de la surface à différentes échelles, puis ii/ que le signal altimétrique est sujet à des variations saisonnières causées par la densification de la neige en surface, et enfin iii/ que les ondes radars sont réfléchies par des strates en profondeur.

Un modèle de l'interaction de l'onde avec le manteau neigeux est réalisé simultanément aux deux fréquences, afin de permettre une comparaison de ces signaux entre eux. Les résultats du modèle sont utilisés pour expliquer les variations saisonnières précédemment observées. Finalement, les paramètres du manteau neigeux sont estimés à l'échelle de la calotte polaire antarctique. Les tailles de grains retrouvées présentent un grossissement vers l'intérieur du continent. La densité montre des variations saisonnières de plusieurs g.cm3 notamment sur les côtes antarctiques. Certaines régions présentent un état de surface de la neige particulièrement lisse (Dronning Maud Land, par exemple).

La donnée in situ de l'état de surface de la neige étant quasi inexistante sur les calottes polaires, on développe finalement un protocole de mesure de la rugosité de la neige, qui est testé sur un glacier du Spitzberg.

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

Le système climatique fait intervenir plusieurs composantes qui interagissent entre elles avec des constantes de temps très différentes, dont l'atmosphère, l'hydrosphère, la biosphère, la lithosphère et la cryosphère. L'Antarctique fait partie de cette dernière composante. Ce continent, situé au pôle Sud, contient 70% de l'eau douce de la planète et est constitué de 91% de glace qui, si elle fondait, représenterait une élévation du niveau de la mer d'environ 60 m. Dans le contexte du réchauffement climatique actuel, les régions des hautes latitudes se trouvent être les plus sensibles. Des observations par satellites montre que l'Antarctique enregistre actuellement des changements abrupts de températures liés probablement à l'augmentation des gaz à effet de serre de l'atmosphère. De plus, grâce aux forages, on peut remonter jusqu'à un climat vieux de 800 000 ans environ. Ceci peut se traduire par des débâcles de glace, de la taille d'un pays, dans l'océan et par l'accélération de l'écoulement de la glace, qui entraîne une vidange de la glace polaire dans l'océan. Une des pistes pour mieux appréhender le climat futur est de regarder si de tels événements ont déjà eu lieu dans le passé de la Terre en évaluant les relations liant les calottes polaires avec le climat, en particulier en ce qui concerne l'Antarctique. Nous avons développé une procédure de couplage entre un modèle de glace Antarctique et un modèle climatique, dit de complexité intermédiaire, précédemment couplé à un modèle de glace de l'hémisphère Nord. Nous avons d'abord testé notre nouveau modèle pour comprendre les processus de la dernière grande débâcle de calottes polaires Nord et Sud (i.e. la dernière déglaciation, il y a 21 000 ans). Dans une seconde partie, nous cherchons à évaluer la sensibilité du climat, actuel et passé à des perturbations majeures en eau douce dans des zones sensibles de l'océan austral et de l'océan Atlantique Nord. Les calottes de glace semblent à la fois répondre au forçage climatique (insolation et CO2 ) et participer à la variabilité climatique du climat lors de leur fonte partielle ou totale. La Quaternaire est une des rares périodes de l'histoire de la Terre où de telles calottes sont présentes. Etudier pour le passé ou le futur les interactions de ces calottes avec le climat est donc un défi important.

La modélisation des calottes polaires est importante pour reconstruire l'état passé des calottes, comprendre l'état présent, et prévoir son évolution dans le contexte du réchauffement climatique et de l'élévation du niveau des mers. Les mécanismes qui interviennent dans la dynamique des calottes de glace et qui dépendent du climat sont nombreux, mais pour l'Antarctique il y a deux mécanismes très importants qui s'opposent : L'augmentation de la température qui est supposée entraîner une augmentation de la précipitation et un épaississement de la calotte, et l'intensification de l'écoulement de la glace qui tend à amincir la calotte. Pour étudier ces deux mécanismes, nous avons suivi deux approches : caractériser la calotte à partir des observations directes (c.-à-d. topographie de la surface et les vitesses d'écoulement de glace) ou indirectes (c.-à-d. Flux de bilan). Et la modéliser avec GRISLI (GRenoble Ice Shelf and Land Ice), en prenant en considération la dynamique des fleuves de glace et leurs localisations précises, pour mieux comprendre les mécanismes actifs qui interviennent dans la calotte. Le sujet de la thèse est l'amélioration de la modélisation de la calotte Antarctique à partir des données disponibles. Notamment celles basées sur la première et la deuxième dérivées de la surface (pente et courbures respectivement) pour faire des liens avec le drainage de la glace, et les structures de vitesses de bilan. Ces informations nous ont permis entre autres de développer différentes méthodes pour autoriser les fleuves de glace, qui ensuite ont été introduites dans GRISLI. Nous avons ensuite fait plusieurs études de sensibilité de la calotte sur les localisations des fleuves de glace, les données du flux géothermique et des paramètres qui contrôlent le glissement et la déformation de la glace. Enfin nous avons fait des comparaisons entre les structures observées et modélisées de la calotte, et nous avons vu que le modèle n'est pas loin de reproduire les structures observées.

Bien qu’historiquement inattendu, la calotte Antarctique contribue à l’élévation du niveau des mers depuis plusieurs décennies. Les satellites révèlent que la calotte perd de la masse via la fonte massive induite par l’océan au droit des terminaisons flottantes de ses glaciers, notamment dans les secteurs d’Amundsen et d’Aurora. Le rôle du forçage anthropique dans cette fonte reste néanmoins largement méconnu en raison de la variabilité naturelle, très présente dans la région, et de la durée d’observations relativement restreinte.L’intrusion des eaux profondes circumpolaires relativement chaudes aux abords de la calotte en mer d’Amundsen est avérée depuis le début des relevés en 1994 et l’étude des sédiments suggère que plusieurs glaciers ont subi un retrait de leur ligne d’échouage depuis les années 40. Néanmoins, ces données ne permettent pas d’arbitrer si les conditions pré-industrielles sont compatibles avec des conditions océaniques froides ou chaudes en mer d’Amundsen ou si cette dernière a basculé dans un état chaud tardivement en raison des changements induits par le forçage anthropique. A l’aide d’un ensemble de simulations océaniques du secteur d’Amundsen avec différentes perturbations idéalisées des flux atmosphériques, nous montrons que les conditions pré-industrielles peuvent être associées, au moins de manière intermittente, avec des conditions froides en mer d’Amundsen et de faibles taux de fonte. A l’échelle multi-décennale, les transitions entre deux états résultent principalement des changements des flux de flottabilité en surface qui affectent la stratification thermohaline en modulant la production nette de glace de mer.Pour autant, si ces premiers résultats sont compatibles avec la thèse d’une influence anthropique, ils ne permettent pas d’écarter la thèse de l’influence de la variabilité interne basse fréquence, très marquée dans la région. Un second volet s’attache donc à caractériser l’effet de cette variabilité sur la perte de masse future de l’Antarctique. Cette étude est fondée sur un ensemble de simulations de contribution de la calotte au niveau des mers, d’ici 2100 sous le scénario médian SSP2-4.5, issu d’un modèle de calotte forcé par plusieurs membres de trois modèles climatiques. Nos expériences montrent que la variabilité interne affecte la contribution de l’Antarctique d’ici la fin du siècle de plus de 45% à 93% selon le modèle climatique, alors que leur représentation de la variabilité interne, à la fois océanique et atmosphérique, est certainement sous-estimée. L’influence de la variabilité atmosphérique prédomine et les secteurs d’Amundsen et d’Aurora, siège des principales pertes actuelles, sont les secteurs les plus affectés. Nos résultats suggèrent que l’impact de la variabilité interne sur l’évolution de la calotte doit être systématiquement exploré via l’utilisation de plusieurs membres climatiques.La tentative d’identification des rôles respectifs des influences anthropique et naturelle dans les pertes de masses observées dans les régions d’Amundsen et d'Aurora parachève ces travaux. A cette fin, nous reconstruisons, via une méthode originale d’initialisation, des ensembles d'évolutions de la calotte depuis 1850 avec et sans forçage anthropique pour sept membres d’un même modèle climatique. Comme escompté lors des deux premières phases d’étude, les trajectoires historiques sont impactées par la variabilité interne et certains membres climatiques permettent l’obtention d’états pré-industriels froids par intermittence en mer d'Amundsen. La détection du signal anthropique est ensuite estimée en comparant les trajectoires avec et sans forçage anthropique.Ces travaux ouvrent la voie (i) à la détection/attribution des changements de masse de la calotte et (ii) à l'intégration des modèles de calottes au sein des modèles de climat en proposant une méthodologie d'initialisation de la calotte dès l'ère pré-industrielle
The Antarctic Ice Sheet has contributed to global sea level rise over the last few decades, which was historically unexpected. Satellites indicate that the ice sheet is losing mass through massive ocean-induced melting beneath the floating ice shelves, particularly in the Amundsen and Aurora sectors. Nevertheless, the role of anthropogenic forcing remains largely unclear due to the natural climate variability, which is particularly strong in this region, as well as the relatively short duration of observations.The intrusion of relatively warm circumpolar deep waters beneath the ice shelves in the Amundsen Sea has been observed since the first records in 1994, and the analysis of sediments suggests that several glaciers have experienced a retreat of their grounding line since the 1940s. However, these data do not allow any assessment of whether pre-industrial conditions were compatible with cold or warm oceanic conditions in the Amundsen Sea, or whether the Amundsen Sea switched into a warm state later due to changes triggered by anthropogenic forcing. Using a set of ocean simulations of the Amundsen Sea with various idealised perturbations of atmospheric fluxes, we show that pre-industrial conditions may be associated, at least intermittently, with cold conditions and low melt rates. On multi-decadal timescales, transitions between warm and cold states are primarily driven by changes in surface buoyancy fluxes, which modify thermohaline stratification through the modulation of net sea-ice production.Although these first results suggest a possible anthropogenic influence, they do not rule out the influence of the strong low-frequency internal climate variability. Hence, the second part of the project focuses on the impact of this variability on future Antarctic mass loss. This work is based on a set of simulations of the ice-sheet contribution to sea level rise, by 2100 under the SSP2-4.5 mid-range scenario, generated from an ice-sheet model forced with several members of three climate models. Our experiments show that internal variability affects the Antarctic contribution to sea level rise by the end of the century by more than 45% to 93% depending on the climate model, even though both oceanic and atmospheric internal variability are probably underestimated. The influence of atmospheric variability prevails and the Amundsen and Aurora sectors, which are currently experiencing the largest losses, are the most affected. Our results suggest that the impact of internal variability on the ice-sheet changes should be systematically explored using several climate members.Finally, we attempt to identify the relative roles of anthropogenic and natural influences in the observed mass losses in the Amundsen and Aurora regions. For this purpose, we use an original initialisation method to reconstruct sets of ice-sheet changes since 1850, with and without anthropogenic forcing, for seven members of a single climate model. As expected from the first two study phases, the historical trajectories are sensitive to internal variability, and some climate model members enable intermittent cold pre-industrial states in the Amundsen Sea. The detection of the anthropogenic signal is then evaluated through the comparison of trajectories with and without anthropogenic forcing.This work paves the way for (i) the detection/attribution of ice-sheet mass changes and (ii) for integrating ice-sheet models into climate models, by providing an initialisation method to initialise the ice sheet from the pre-industrial era

Les prochaines modèles climatiques comprendront un modèle de calotte polaire afin de tenir en compte la dynamique de la glace et les interactions glace-océans dans ses projections. D'une part, l'océan Austral (SO) pilote l'accélération des glaciers de l'Antarctique via une augmentation de la fonte basale des ice shelves. D'autre part, l'accélération de la décharge de glace de l'Antarctic Ice Sheet (AIS) contribue à la montée du niveau de la mer et est susceptible de devenir le plus grand contributeur de la cryosphère d'ici la fin du siècle. En outre, l'adoucissement relié, peut avoir des répercussions importantes sur la glace de mer et sur la formation des eaux profondes. Cependant, on ne sait pas encore comment les modèles d'océan et de calotte polaire des futurs systèmes couplés vont représenter les interactions glace-océan, causes et conséquences du déséquilibre de masse de AIS. Ici, dans ce travail, les différents aspects des modèles de océan et calotte polaire ont été étudiés. Une première étape de cette thèse a été concentrée à la représentation des flux d'eau douce glaciaires dans les modèles océaniques actuels. Basé dans estimations glaciologiques, la fonte basal des ice shelves a été répartie dans une grille de ORCA025, et les taux de production d'icebergs ont été appliqués dans une version améliorée du modèle d'iceberg NEMO-ICB. Cette étude préliminaire a été utilisé pour produire une climatologie d'eau de fonte provenant des icebergs, valable pour forcer les modèles de océan actuels. Ce travail montre l'importance de représenter les flux d'eau de fonte des icebergs lors de la modélisation de la glace de mer, qui peut être obtenu en utilisant notre climatologie. Ces améliorations ont été pris en compte dans l'étude de la réponse du modèle de océan a la perte de masse de AIS. Cette étude considère une perturbation réaliste de l'eau douce glaciaire aussi près que possible de sa représentation dans les futurs modèles couplés ice-sheet/océan. Selon nos résultats, jusqu'à 50% des changements récents de volume de la glace de mer pourrait être causée par le bilan masse de l'AIS. Le forçage en eau douce glaciaire semble être cruciale pour représenter correctement les interactions glace-océan et projeter la glace de mer dans les futurs systèmes couplés. Cependant, l'estimation de l'apport d'eau douce glaciaire dans les modèles climatiques futurs sera fortement affecté par la capacité des modèles de calotte polaire de reproduire les migrations de grounding line des glacières de "marine ice sheets". Les modèles de calotte polaire actuels présentent grandes incertitudes liées aux différents réglages. Dans le contexte des futurs modèles climatiques, nous avons étudié la sensibilité des retraites de la grounding line produites par l'océan à l'application de deux lois de frottement différentes et deux différentes approximations du stress glacier. Les modèle réagit de façon presque similaire aux approximations SSA ou SSA *. Par contre, les différences dans la contribution du glacier à l'élévation du niveau de la mer peuvent être jusqu'à 50% en fonction de la loi de frottement considéré. La loi de friction Schoof, la plus physique, est nettement plus réactif aux perturbations océaniques que la loi Weertman, et devrait être pris en compte dans les systèmes couplés futurs. Ce travail souligne que les incertitudes liées aux estimations des modèles de la calotte glaciaire de migrations de grounding line peuvent contribuer non seulement à des incertitudes du futur niveau de la mer, mais aussi de la glace de mer à travers des interactions glace-océan dans les futures models climatiques. Tel conclusion suggère la nécessité d'améliorer la représentation de la fonte basal des ice shelves et le frottement du glacier, afin d'améliorer les projections climatiques des modèles climatiques, dans lequel la distribution spatiale et saisonnière des eau douce glaciaires peut jouer un rôle important en établir la glace de mer
The next generation of climate models will include an ice-sheet model in order to improve the ice sheet mass balance projections by accounting for the ice dynamics and ice-oceans interactions. On the one hand, the Southern Ocean (SO) is indeed driving the acceleration of the Antarctic outlet glaciers via an increase in the basal melting of the ice shelves. On the other hand, the increasing ice discharge from Antarctic Ice Sheet (AIS) contributes to the current sea level rise and is likely to become the largest cryospheric contributor to sea level rise by the end of the current century. In addition, the related freshening may have significant implications on future sea-ice cover and on bottom water formation. However, it is not clear yet how the ocean and ice-sheet components of future coupled systems will account for the ice-ocean interactions, which are both causes and consequences of the AIS mass imbalance. Here in this work, different aspects of the standalone ocean and ice-sheet components have been investigated. A first step of this thesis has been focused in the representation of the glacial freshwater fluxes in current ocean models. Based on recent glaciological estimates, the ice shelf basal melting fluxes have been spatially distributed in an ORCA025 grid, and the calving rates have been applied into an improved version of the NEMO-ICB iceberg model. This preliminary study has been used to produce a monthly iceberg meltwater climatology, to be used to force current ocean models. This work shows the importance of representing the iceberg meltwater fluxes when modeling sea ice, which can be inexpensively achieve by using our climatology. The improvements in the representation of the glacial freshwater fluxes have been considered in the study of the ocean model response to the Antarctic mass imbalance. This study considers a realistic perturbation in the glacial freshwater forcing as close as possible as it will be represented in future ice-sheet/ocean models. According to our results, up to 50% of the recent Antarctic sea ice volume changes might be caused by the observed decadal AIS mass imbalance rate. Glacial freshwater forcing appears to be crucial to correctly represent the ice-ocean interactions and projecting sea ice cover of future coupled systems. However, the estimation of the glacial freshwater input in future climate models will be strongly dependent upon the capacity of ice-sheet models to reproduce the grounding line migrations of marine ice sheet glaciers. Current ice-sheet models present large uncertainties related to different parametrizations. In the context of the future climate models, we have studied the sensitivity of ocean-driven grounding line retreats to the application of two different friction laws and two different englacial stress approximations. The model responses almost indistinctively to either the SSA or the SSA* englacial stress approximations. However, differences in the contribution of the glacier to the sea level rise can be up to 50% depending on the friction law considered. The more physically constrained Schoof friction law is significantly more reactive to the ocean perturbations than Weertman law and should be considered in future coupled systems. This work underlines that uncertainties related to the ice sheet model estimates of grounding line migrations may not only contribute to uncertainties in sea level projections, but also the sea ice cover through the ice-ocean interaction in future ocean models.This conclusion suggests the need for improving the representation of both the ice shelf basal melting and the glacier interaction with the bedrock, in order to improve the climate projections of future climate models, in which the spatial and seasonal distribution of the glacial freshwater fluxes may play an important role in setting the sea ice cover

Les études sur l'Antarctique sont motivées par l'interprétation des données que renferme la glace ancienne sur les climats passés et sur les possibles interactions entre la calotte et un éventuel changement climatique. Les radiomètres micro-ondes sont des instruments bien adaptés pour l'étude de la neige, car ils sont indépendants des conditions nuageuses et d'éclairement. Lorsque la neige est sèche, ils sont à même de fournir des informations en profondeur. Les caractéristiques du manteau neigeux (température, densité et taille de grains) sont liées aux processus de dépôt et leur évolution dépend des conditions climatiques. Ce sont ces caractéristiques, déterminantes vis à vis de la signature spectrale de la neige, que nous cherchons à évaluer à partir des données de télédétection. Les données utilisées proviennent du Scanning Multichannel Microwave Radiometer à bord du satellite Nimbus 7 (1978-86). Dans un premier temps, ces mesures ont été comparées à des données de terrain. A une forte stratification du manteau neigeux correspond une grande différence entre les polarisations verticale et horizontale, surtout pour les fréquences 6.6 et 10.7 GHz. On a trouvé aussi une forte corrélation entre la valeur moyenne de la taille des grains sur 0-2 mètres et la différence de comportement entre les fréquences 18 et 6.6 GHz (gradient en fréquence). Dans une seconde étape, nous avons modélisé l'émissivité microonde de la neige. Le modèle est basé sur la résolution des équations de Maxwell au travers de la théorie des fortes fluctuations (Stogryn 1986). Une solution analytique a été développée dans le cas d'un milieu uniforme en profondeur. Lorsque les caractéristiques de la neige changent en fonction de la profondeur, la solution fait appel à une résolution numérique. Le manteau neigeux est considéré isotherme, stratifié horizontalement et isotrope à l'intérieur de chaque strate. Les résultats du modèle font apparaitre plus clairement les contributions de la densité de la neige, de la taille des grains et surtout de la stratification sur les signatures spectrales.

Quantifier le bilan de masse de l’Antarctique et son impact en termes de niveau de la mer, demande une bonne compréhension de la variabilité interannuelle ainsi que de ces causes. Ceci est devenu plus crucial dans le cadre du réchauffement climatique. Très peu d’études ont été faites sur l’influence des anomalies climatiques sur le comportement de l’Antarctique et sur l’évaluation de leurs impacts. Les variations de volume ou de masse de l’Antarctique sont en majorité basées sur l’altimétrie ou la gravimétrie spatiales. Dans cette thèse, nous utilisons les données des missions d’Envisat (2002 to 2010) et de Grace (2002 to 2016) afin de restituer respectivement les variations de volume et de masse de la calotte. Nous utilisons aussi les données issues du modèle de climat RACMO2.3p2 afin de forcer notre modèle de compaction. Ce modèle nous permet à la fois d’évaluer la transformation de neige en glace et de corriger les variations d’élévation mesurées par altimétrie.Les variations de hauteur estimées par ces différentes techniques sont en bon accord les unes avec les autres, particulièrement en Antarctique de l’Ouest, sur la Péninsule et le long de la côte de l’Antarctique de l’Est. Les variations interannuelles sont extraites en utilisant un modèle de décomposition modale empirique (emd). Une étude par moindre carré met en évidence un signal de périodicité proche de 4 ans sur les données issues de l’altimétrie, de la gravimétrie et du modèle Racmo. Ceci semble indiquer une influence de phénomène El Niño, lequel influe sur différents paramètres comme le transport de l’humidité, la température de surface de l’océan, les précipitations autour de l’Antarctique en alternant des périodes froides et des périodes chaudes. Mais d’autres oscillations semi-périodiques peuvent aussi avoir un impact sur la variabilité Antarctique. Citons l’Amundsen Sea Low (ASL) ou le Southern Annular mode (SAM).Une analyse en composante principale combinant nos trois estimations de hauteur met en évidence des structures similaires. Les anomalies de hauteur semblent circuler dans le sens des aiguilles d’une montre de Coasts Land (CL) vers Pine Island (PIG) en passant par Dronning Maud Land (DML) et Wilkes Land (WL) à une fréquence comprise entre 6 et 8 ans. Ceci suggère une anomalie climatique due à l’onde circumpolaire (ACW) qui se propage à travers l’océan austral en 8 à 10 ans. En résumé, la variabilité interannuelle du bilan de masse Antarctique est modulée par différentes anomalies climatiques
Quantifying the mass balance of the Antarctic Ice Sheet (AIS), and the resulting sea level rise, requires an understanding of inter-annual variability and associated causal mechanisms. This has become more complex and challenging in the backdrop of global climate change. Very few studies have been exploring the influence of climate anomalies on the AIS and only a vague estimate of its impact is available. Usually changes to the ice sheet are quantified using observations from space-borne altimetry and gravimetry missions. In this study, we use data from Envisat (2002 to 2010) and Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) (2002 to 2016) missions to estimate monthly elevation changes and mass changes, respectively. Similar estimates of the changes are made using weather variables (surface mass balance (SMB) and temperature) from a regional climate model (RACMO2.3p2) as inputs to a firn compaction (FC) model. Using the firn compaction model we were able to model the transformation of snow into glacial ice and hence estimate changes in the elevation of the ice sheet using climate parameters.Elevation changes estimated from different techniques are in good agreement with each other across the AIS especially in West Antarctica, Antarctic Peninsula, and along the coasts of East Antarctica. Inter-annual height change patterns are then extracted using for the first time an empirical mode decomposition followed by a reconstruction of modes. These signal on applying least square method revealed a sub-4-year periodic signal in the all the three distinct height change patterns. This was indicative of the influence of the El Niño Southern Oscillation (ENSO), a climate anomaly that alters, among other parameters, moisture transport, sea surface temperature, precipitation, in and around the AIS at similar frequency by alternating between warm and cold conditions. But there existed altering periodic behavior among inter annual height change patterns in the Antarctic Pacific (AP) sector which was found possibly by the influence of multiple climate drivers, like the Amundsen Sea Low (ASL) and the Southern Annular Mode (SAM). A combined analysis of the three distinct estimates using a PCA (principal component analysis) along the coast revealed similar findings. Height change anomaly also appears to traverse eastwards from Coats Land to Pine Island Glacier (PIG) regions passing through Dronning Maud Land (DML) and Wilkes Land (WL) in 6 to 8 years. This is indicative of climate anomaly traversal due to the Antarctic Circumpolar Wave (ACW) which propagates anomalies through the Southern Ocean in 8 to 10 years. Altogether, inter-annual variability in the SMB of the AIS is found to be modulated by multiple competing climate anomalies

L'albédo de la surface antarctique Joue un rôle important dans les études climatologiques. Essentiellement deux facteurs peuvent modifier sa valeur: la taille des grains de neige et la rugosité de surface générée par les vents dominants. Ces caractéristiques de surface varient dans l'espace et dans le temps et seuls les satellites permettent régulièrement leurs estimations sur un continent aussi vaste, inhospitalier et isolé que l'Antarctique. Parmi les in struments de télédétection, POLDER (POLarization and Directionality of the Earth's Reflectances), à bord du satellite ADEOS, est le premier à offrir jusqu'à 14 observations d'un même site, dans les domaines spectraux du visible et du proche infrarouge, sous des angles de visée différents, au cours d'une seule orbite. Comme sa fauchée est large et que les orbites d'ADEOS se recoupent à proximité des pôles, les régions polaires profitent d'une bonne couverture quotidienne. Par conséquent, POLDER semble être particulièrement bien adapté pour étudier les FDRBs (Fonctions de Distribution des Réflectances Bidirectionnelles) de la neige antarctique. Dans cette étude est montrée l'analyse des données POLDER du mois de novembre 1996, dans une région limitée de l'Antarctique. Après élimination des nuages, par l' utilisation notamment des mesures de polarisation, des FDRBs caractéristiques de différentes zones ont été restituées qui ont permis l'extraction d'informations relatives à la rugosité de surface et à la taille des grains de neige. Il apparaît que dans les zones rugueuses, les FDRBs sont caractérisées par une forte diffusion dans le demi-plan arrière (souvent plus forte que vers l'avant) que ne restituent pas les modèles de réflectance bidirectionnelle de la neige utilisés. De plus la position du pic de diffusion dans ce demi-plan arrière varie d'une région à une autre et peut donc être reliée à la rugosité de la surface. Toutefois, l'étude de cette rugosité est rendu complexe par le fait qu'il existe souvent plus d'une direction dans laquelle s'alignent les reliefs (d'érosion ou d'accumulation) de surface. L'étude comparative du rapport de réflectances mesurées par POLDER d'une part (865nm/670nm) et ATSR-2 d'autre part (1600nm/865nm), relié à la taille des grains de neige, montre les mêmes variations spatiales relatives. Cependant, la détermination des tailles de grains de neige ne peut être déduite, en valeur absolue, par les mesures satellitales.

La calotte polaire Antarctique conditionne un flux d’eau douce dans l’océan Austral par deux voies d’égale importance : une injection immédiate et localisée par fonte des plateformes glaciaires, et une injection « offshore » et différée par production (« vêlage ») puis fonte d’icebergs. On estime ainsi que les icebergs, en fondant, pourraient modifier les caractéristiques hydrologiques et biogéochimiques de la colonne d’eau. Les modèles numériques visant à estimer cet impact présentent des résultats contrastés. Ils sont limités dans leurs stratégies de représentations des icebergs, notamment parce que les connaissances sur la distribution spatiale et de taille des icebergs ou encore leurs mécanismes de perte de masse sont réduites. Une méthode récente exploitant des mesures par altimétrie satellitaire a permis la création d’une base de données cartographiant la distribution des icebergs Antarctiques avec une couverture spatiale et temporelle inédite. Notre analyse conjointe entre ces données et des champs de concentration en glace de mer met en lumière le transport d’eau douce injecté par les icebergs et son impact sur la banquise. On analyse également les liens entre icebergs de différentes tailles : les gros peuvent être vus comme des réservoirs de volume de glace, qu’ils diffusent dans tout l’océan en se fragmentant en petits icebergs de différentes tailles. On étudie alors l’évolution de deux icebergs géants, on propose une première paramétrisation du phénomène de fracturation et analyse la distribution de taille résultante. Ces résultats peuvent permettre une représentation plus réaliste du flux d'eau douce conditionné par les icebergs dans les modèles
The Antarctic polar ice cap constrains a freshwater flaux into the Austral Ocean through two equally important pathways : a localized and immediate injection through the melting of ice-shelves bases, and a delayed offshore injection through the calving and subsequent melt of icebergs. Some studies reckon that melting icebergs have the capacity to alter the hydrological and biogeo-chemical characteristics of the water column. The numerical models trying to evaluate this impact have shown contrasting results. Yet, they might suffer from a poor representation of the icebergs, namely due to our limited knowledge on both the spatial and size distributions of the icebergs, or even the processes involved in their mass loss. A new method using satellite altimetry measurements has lead to the creation of a database mapping Antarctic icebergs distribution with an unprecedented spatial and temporal coverage. Our joint analysis between these data and sea ice concentration fields highlights a possible transport of the freshwater injected by an iceberg and its impacts on sea ice.We also analyze the links between icebergs of different sizes : the large ones can be seen as ice buffers that diffuse across the whole ocean when breaking into small fragments of various sizes. We finally study the evolution of two giant icebergs, suggest the first parametrization of the fragmentation process and analyze the subsequent size distribution of the fragments. These results can be valuable to account in a more realistic way the fresh water flux constrained by icebergs in models

Depuis les années 90, l’Antarctique de l’Ouest, dont le secteur d’Amundsen, affiche une importante perte de masse provenant principalement de l’accélération des glaciers côtiers en réponse à une fonte océanique plus conséquente sous les plateformes de glace. Ces plateformes sont généralement confinées est agissent comme un verrou pour l’écoulement. En subissant davantage de fonte basale, les plateformes deviennent fragiles et les glaciers en amont s’accélèrent, contribuant ainsi à augmenter le niveau des mers. L’avenir de l’Antarctique de l’Ouest est particulièrement préoccupant car sa configuration rend la calotte sujette à une instabilité marine. Par ailleurs, ces plateformes pourraient s’affaiblir sous l’effet d’une augmentation de la fonte de surface dans un climat plus chaud (hydrofracturation), rendant là aussi une instabilité possible. L’arrivée de ces instabilités pourrait être freinée ou compensée par l’évolution du bilan de masse de surface qui se compose majoritairement de précipitations neigeuses, sporadiquement augmenté par la pluie, et légèrement amoindri par la sublimation et le runoff. Cette thèse porte sur la modélisation de l’ensemble des processus atmosphériques et océaniques pouvant faire évoluer la contribution de l’Antarctique de l’Ouest au niveau des mers.Pour cela une projection océanique représentant les cavités sous-glaciaires a d’abord été réalisée avec le modèle NEMO. La circulation induite par la fonte océanique modifie la réponse de l’océan côtier à un futur changement de circulation atmosphérique, si bien qu’utiliser des modèles de climat ne représentant pas les cavités donne une indication faussée du réchauffement de l’océan autour de la calotte. Nous avons également mis en évidence une rétroaction positive entre la fonte sous-glaciaire et le retrait de la ligne d’échouage, entraînant une augmentation de la fonte jusqu’à 2.5 fois. Ces résultats indiquent la nécessité de coupler des modèles de calotte et d’océan pour établir des projections futures, même si les projections envisagées dans cette thèse restent relativement idéalisées.Pour établir des projections de bilan de masse de surface, il est nécessaire d’utiliser un modèle atmosphérique avec une représentation fine des processus polaires, notamment ceux liés au manteau neigeux. Ainsi nous avons utilisé le modèle atmosphérique régional MAR pour établir des projections dans le secteur d’Amundsen. Nous avons d’abord montré que MAR est approprié pour représenter le climat de surface observé en Antarctique de l’Ouest. Nous avons trouvé qu’aucun des modes climatiques (ASL, SAM, ENSO) n’expliquent plus de 50% de la variance de la fonte et du SMB en été à l’échelle interannuelle, et il est donc difficile d’utiliser des projections des modes climatiques comme indication de l’évolution du climat de surface.Forcé par le signal multi-modèle CMIP5 dans le scénario rcp85, MAR prévoit une augmentation du bilan de masse de surface de 30-40% d’ici 2100. Cette augmentation est équivalente à une baisse de 0.33 mm/an de niveau des mers, ce qui compenserait l’effet de la dynamique si celle-ci restait à son niveau actuel (0.26 mm/an). Ces projections indiquent également 5 à 15 fois plus de fonte de surface sur les plateformes du secteur Amundsen, mais la quasi-totalité de la fonte produite chaque année continue à regeler dans la couche de neige annuelle, et ne devrait donc contribuer de manière importante ni au bilan de masse de surface ni à l’hydrofracturation.Il ressort de ces travaux qu’un couplage océan/calotte dans les modèles de climat est primordial pour simuler le futur de l’Antarctique et de l’océan Austral. Une représentation fine des processus liés à la fonte de surface et au regel dans le névé est également essentielle car la possibilité d’hydrofracturation des plateformes dans un climat plus chaud relève d’un équilibre subtil entre l’augmentation de l’accumulation, de la température, et les rétroactions liées à l’albédo et à l’humidité
West Antarctica, and particularly the Amundsen sector, has shown since the 1990s a large increase of mass loss related to coastal glacier acceleration in response to an increase of oceanic melt underneath ice shelves. Ice shelves play a buttressing role for ice-stream and increased oceanic melt therefore lead to ice shelves thinning and glacier acceleration, which contributes to sea level rise. West Antarctica is of particular concern because its configuration is prone to marine ice-sheet instability. It has been suggested that ice shelves weaken under large surface melt in a warmer climate (hydrofracturing), possibly leading to another kind of instability. Instabilities could be slowed down or compensated by future Surface Mass Balance (SMB) that consists mainly of snowfall, sporadic rainfall, and is slightly reduced by sublimation and runoff. The main objective of this PhD work is to model the atmospheric and oceanic processes that will most likely affect the future West Antarctic contribution to sea level rise.First, oceanic projections have been developed using the NEMO ocean model. The ocean circulation induced by ice-shelf basal melting affects the ocean response to future changes in surface winds. Therefore, models that do not represent ice-shelf cavities produce wrong warming patterns around Antarctica. A positive feedback between oceanic melting and grounding-line retreat has been identified and can increase melt rates by a factor of 2.5. These results are strong incentive to couple ocean and ice sheet models, although the projections proposed here are relatively idealized.To run SMB and surface melting projections, an atmospheric model with a fine representation of polar processes, including those related to the snowpack, is needed. MAR is found to be an appropriate tool to simulate the present-day surface climate in the Amundsen region. We find that none of the large climate modes of variability (ASL, SAM, ENSO) explains more than 50% of surface melt and SMB summer variance at the interannual timescale. The use of climate mode variability projections to estimate the future surface climate of West Antarctica is therefore not trivial.Forced by the CMIP5 multi-model mean under the RCP8.5 scenario, MAR predicts an increase of SMB by 30-40% for the end of the 21st century. This increase corresponds to 0.33 mm yr-1 of sea level drop down, which is higher than the current West Antarctic contribution of ~0.26 mm yr-1 from ice dynamics. Surface melt is also projected to increase by a factor of 5 to 15 over the Amundsen ice shelves, but most of it is projected to refreeze in the annual snow layer, so future melting should not have a strong contribution to SMB or hydrofracturing.To conclude we show that coupled ocean and ice sheet climate models are essential to simulate the future of Antarctica and Southern Ocean. A fine representation of surface melt and refreezing processes within the snowpack is also crucial as possible hydrofracturing is threatening in a warmer climate and it comes within a delicate equilibrium between snowfall, air temperature, and feedback related to albedo and humidity

Les carottes de glace sont de longs cylindres extraits des couches de glace contenant des informations sur les conditions environnementales et climatiques passées. La carotte de glace TALDICE est une carotte de 1620 m de profondeur forée à Talos Dome, en Antarctique de l'Est. Plusieurs études antérieures se sont concentrées sur la datation de cette carotte et une échelle d'âge n'a été définie que jusqu'à 1438 m de profondeur à un âge d'environ 150 000 ans, limitant les reconstructions du climat passé au dernier cycle climatique. Dans la première partie de la thèse, les nouvelles mesures isotopiques de TALDICE dans les matrices de glace et de gaz sous 1438 m sont utilisées pour construire la relation âge-profondeur finale de TALDICE deep1 ice/gas avec le modèle IceChrono1. La chronologie pour la partie profonde de la carotte est ici définie jusqu'à 1548 m de profondeur et étend l'enregistrement climatique jusqu'au 343,0000 ans. La deuxième partie de cette thèse est centrée sur l'interprétation du signal isotopique unique de TALDICE pendant les interglaciaires passés. L'interprétation proposée indique que les anomalies interglaciaires dans l'enregistrement isotopique ont été produites par l'abaissement de l'élévation du site du dôme de Talos en raison de la perte de glace et du retrait vers l'intérieur de la ligne d'ancrage du bassin sous-glaciaire de Wilkes. La troisième et dernière partie de ce travail se concentre sur le développement de la technique “copper method” de datation à partir des isotopes de l’argon , dans le but de réduire la quantité de glace utilisée. La nouvelle méthodologie a été testée sur 11 échantillons TALDICE, et des résultats préliminaires sont présentés. Les résultats sont validés en comparant les dates avec les chronologies publiées de TALDICE et avec 8 échantillons voisins datés avec la méthode établie de datation Ar "méthode getter"
Ice cores are long cylinders extracted from ice sheets containing information about past environmental and climatic conditions. The TALDICE ice core is a 1620 m depth core drilled at Talos Dome, in East Antarctica. Several previous studies focused on dating this core and an age scale has been defined only until 1438 m depth at an age of about 150,000 years ago, limiting the past climate reconstructions to the last climatic cycle. This thesis focuses on the poorly explored deep portion of the core below 1438 m depth. In the first part of the thesis, the new TALDICE isotopic measurements in both ice and gas matrixes below 1438 m are used to build the final TALDICE deep1 ice/gas age-depth relationship with the application of the IceChrono1 model. The chronology for the deeper part of the core is here defined until 1548 m depth and extends the climatic record back to 343,0000 years ago. The second part of this thesis is centred on the interpretation of the unique TALDICE isotopic signal during past interglacial periods. The proposed interpretation indicates that the interglacial anomalies in the isotopic record have been produced by the lowering of the Talos Dome site elevation due to ice loss and inland retreat of the Wilkes Subglacial Basin grounding line. The third and last part of this work focuses on the development of the argon dating technique called “copper method”, with the aim of reducing the amount of ice employed. The novel methodology has been tested on 11 TALDICE samples. The “copper method” results are validated by comparing them with the published TALDICE chronologies (AICC2012 and TALDICE deep1) and with 8 neighbouring samples dated with the well-established argon dating “getter method”

Ce travail traite de la simulation numérique du climat des grandes calottes de glace, en particulier des calottes de l'Antarctique et du Groenland, toujours existantes, dans des conditions climatiques différentes, à l'aide de modèles de circulation générale de l'atmosphère (MCGA). Le MCGA à grille variable LMDz a été adapté aux spécificités du climat polaire et validé pour le climat actuel. L'approche d'une grille variable, qui permet d'utiliser le MCGA à haute résolution spatiale (autour de 100 km) sur la région d'intérêt à un coût numérique raisonnable, a été validée en analysant la dynamique atmosphérique au bord de la région ciblée à l'aide d'un schéma de suivi des cyclones individuels. Des simulations du climat du Dernier Maximum Glaciaire (DMG) ont été faites pour le Groenland et l'Antarctique et analysées en tenant compte des archives glaciaires disponibles. Une explication possible des différences entre les deux méthodes principales de reconstruction des paléotempératures - l'analyse des isotopes de l'eau et la mesure directe de la température de la glace dans le trou de forage - au centre du Groenland a pu être proposée. Cette explication est basée sur des changements de paramètres climatiques locaux. C'est la première fois que l'approche de grille variable a été utilisée dans un MCGA pour des simulations du climat polaire à l'échelle de quelques années. Les simulations paléoclimatiques faites avec LMDz sont à une résolution spatiale inégalée à ce jour. Finalement, le climat du DMG, simulé par plusieurs MCGA dans le cadre du projet international PMIP (Paleoclimate Modelling Intercomparison Programme), a été analysé, et des implications des résultats pour l'interprétation des enregistrements glaciaires ont été discutées.

Les modèles décrivant certains phénomènes naturels peuvent dépendre de paramètres non mesurables, d'où la nécessité de les estimer par méthodes inverses. Notre objectif est d'utiliser de telles techniques pour permettre une meilleure initialisation des modèles de simulations des calottes glaciaires en Antarctique. Cela permettra l'obtention de meilleures prévisions dans le cadre des études climatiques. Nous nous intéressons au paramètre de glissement basale qui caractérise le contact de la calotte glaciaire avec le socle rocheux. De même qu'au paramètre de diffusion qui dicte la dynamique au sein de l'équation différentielle partielle de continuité de masse décrivant son mouvement. Une approche basée sur la théorie de Lyapunov est proposée pour contrôler la convergence des modèles de transport inhomogènes 1D et 2D, vers un équilibre correspondant aux mesures de la topographie de surface de la calotte glaciaire de l'Antarctique. Notre travail propose une nouvelle loi pour l'inversion en 1D du coefficient de glissement basal. Nous utilisons également l'inversion adaptative de paramètres distribués pour récupérer le glissement basal depuis le paramètre de diffusion dans des modèles 1D et 2D. Ces deux méthodes sont testées sur des cas d'études et des données réelles. Nos résultats montrent que les méthodes proposées réussissent à inverser les paramètres de glissement et de diffusion tout en reproduisant les données disponibles
Models describing natural phenomena can depend on parameters that cannot be directly measured, hence the necessity to develop inverse techniques to determine them. Our goal is to utilize such techniques to enable better initialization of ice sheet models for Antarctica. This will help such models to produce better forecasts as part of climate studies. The parameters of interest are the basal sliding coefficient, which characterizes the contact of the ice sheet with the bed underneath, and the diffusion coefficient which dictates the dynamics within the mass-continuity partial differential equation describing the movement of ice sheets. A Lyapunov based approach is proposed to control the convergence of the 1D and 2D inhomogeneous transport models toward a feasible equilibrium matching the measurements of surface topography of the Antarctic ice sheet. Our work offers a new 1D update law for the basal sliding coefficient inversion. We also use adaptive distributed parameter inversion to retrieve basal sliding from diffusion in 1D and 2D models. These two methods are tested on study cases and real data. Our results show that the methods proposed are successful in inverting for sliding and diffusion while replicating the available data

Les glaciers des régions sub-polaires entre 45 et 60°S ont reculé dramatiquement au cours du dernier siècle. L'archipel des Kerguelen (49°S, 69°E) constitue un site unique dans ces régions où peu d'observations sont disponibles pour comprendre le recul glaciaire. Situés à faible altitude et proches de l'océan, ses glaciers ont montré une sensibilité particulière aux variations atmosphériques et océaniques. Ainsi, depuis les années 60, la calotte Cook (~400 km2) a reculé de manière spectaculaire, perdant 20% de sa surface en 40 ans. L'objectif de mon travail de thèse était d'évaluer l'état actuel et futur de la calotte, et de comprendre les causes de ce recul tout en les replaçant dans un contexte global. Pour ce faire, un réseau météorologique et glaciologique a été mis en place en 2010 sur l'archipel et des campagnes de mesures ont depuis été réalisées annuellement. L'analyse de ces mesures nous permet de confirmer le bilan de masse négatif de la calotte. Parallèlement, l'étude de l'albédo de l'ensemble de la calotte Cook à partir d'images satellites MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) permet d'évaluer l'évolution de la ligne de neige de la calotte depuis 2000, mettant en évidence une réduction importante de sa zone d'accumulation au cours des dix dernières années. La modélisation du bilan de masse de la calotte Cook à l'aide d'un modèle degré-jour couplé à une routine dynamique révèle par ailleurs que son retrait est principalement dû à une forte diminution des précipitations sur l'archipel depuis les années 60. Afin de replacer le recul des glaciers aux îles Kerguelen dans un contexte global, les tendances climatiques sur l'ensemble des zones subpolaires sont étudiées, faisant apparaître que la zone sub-Antarctique est actuellement celle où les retraits sont les plus forts à l'échelle du globe. Pour comprendre ces variations, nous analysons un ensemble complet de jeux d'observations de terrain, de satellites et de résultats de modélisation : réanalyses, modèles de l'exercice CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5), observations de température atmosphérique et océanique, précipitations, etc. Ceux-ci révèlent un réchauffement et un assèchement quasi généralisé de l'ensemble de la zone 40-60° S, lié à un déplacement vers le sud des zones dépressionnaires en réponse aux phases de plus en plus fréquemment positives du mode annulaire austral (Southern Annular Mode, SAM). Le recul récent des glaciers des îles Kerguelen, mais également d'autres zones glaciaires des régions subpolaires de l'hémisphère sud, est donc principalement lié à un déficit d'accumulation causé par le SAM, et amplifié par le réchauffement atmosphérique. L'évolution future du bilan de masse de la calotte Cook aux îles Kerguelen est évaluée grâce au Modèle Atmosphérique Régional (MAR), forcé à ses frontières par les modèles de l'exercice CMIP5. Des simulations du bilan de masse récent sont d'abord effectuées sur base des réanalyses ERA-Interim et NCEP1, et comparées aux observations in situ. Parallèlement, des simulations d'un an sont réalisées avec le désagrégateur de précipitations SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) en sortie du MAR, à différentes échelles, afin d'évaluer l'impact du changement d'échelle sur la représentation des précipitations. Une évaluation des modèles CMIP5 par rapport à ERA-Interim sur la période récente est ensuite réalisée sur base de certaines variables climatiques-clé. Le modèle le plus proche d'ERA-Interim sur la période récente, et les deux modèles les plus extrêmes sont ensuite utilisés pour forcer le MAR sur le prochain siècle, et les sorties de bilan de masse de surface sont analysées de manière critique. L'analyse du retrait de la calotte des îles Kerguelen à l'aide de différents outils a permis de mieux comprendre le lien entre glaciers et climat, mettant en évidence le rôle majeur du SAM, mais a également soulevé de nouvelles questions
Glaciers of the southern hemisphere sub-polar regions between 45 and 60°S have declined dramatically over the last century. The islands of Kerguelen archipelago (49°S, 69°E) represent a unique location in regions where few data are available to understand glacier retreat. Situated at low altitudes and close to the ocean, their glaciers have shown particular sensitivity to atmospheric and oceanic variations. Thus, since the 1960s, the Cook Ice Cap (~400km2) has retreated spectacularly, losing 20% of its area in 40 years. The aim of my thesis was to assess the present and future state of the ice cap, and to understand the causes of this decline while putting them in a global context. To do so, a meteorological and glaciological network was set up in 2010 on Kerguelen archipelago and field campaigns have been carried out annually since then. Analysis of these measurements confirms the negative mass balance of Cook Ice Cap. In parallel, the study of the albedo over the whole ice cap from MODIS satellite images (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) gives us access to the evolution of the snow line since 2000, highlighting an important reduction of Cook Ice Cap accumulation area over the last decade. Mass balance modelling of the Cook Ice Cap using a degree-day model coupled to a simple ice motion routine further reveals that its retreat is mainly due to a strong decrease in precipitation over the Kerguelen Islands since the 1960s. In order to put the decline of the cryosphere on Kerguelen in a global context, climatic trends over the whole sub-polar regions are studied, revealing that the sub-Antarctic area is currently the one where glacier retreat is the strongest. To understand these variations, we analyse a complete set of field and satellite observations and modelling results : reanalyses, models from the CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project phase 5) experiment, atmospheric and oceanic temperature and precipitation observations, etc. The latter show warming and quasigeneralised drying of the whole 40-60°S area, linked to the southward shift of storm tracks in response to the more frequent positive phases of the Southern Annual Mode (SAM). Recent glacier retreat on Kerguelen archipelago, and for other glaciers and ice caps located at similar latitudes, is thus mainly due to a deficit of accumulation caused by the SAM, and amplified by atmospheric warming. The future evolution of Cook Ice Cap mass balance is evaluated using the MAR (Modèle Atmosphérique Régional) model, forced at its boundaries by CMIP5 models. Recent mass balance simulations are first carried out using ERA-Interim and NCEP1 reanalyses, and compared to in situ observations. In parallel, one-year simulations are produced with the precipitation desagregation scheme SMHiL (Surface Mass balance High resolution downscaLing) on MAR outputs, at various scales, in order to evaluate the impact of downscaling on precipitation. An evaluation of CMIP5 models over the recent period against ERA-Interim is then carried out, considering certain key climatic variables. The model closest to ERA-Interim as well as the two most extreme models are then used to force the MAR model over the next century, and surface mass balance outputs are critically analysed. The analysis of the decline of the Kerguelen ice cap using different tools and techniques brought new insights on the link between glaciers and climate, highlighting the major role of the SAM, but also raised new questions

Les calottes polaires, ou inlandsis, sont parmi les principaux contributeurs à la montée des océans. Ces systèmes dynamiques gagnent de la masse par accumulation de neige, et en perdent par fonte au contact de l'océan et à la surface, ainsi que par le vêlage d'icebergs. Depuis plus de trois décennies, les observations ont montré que les calottes polaires de l'Antarctique et du Groenland perdent plus de masse qu'ils n'en gagnent. L'évolution des glaciers suite à ce déséquilibre de masse est devenue aujourd'hui l'une des problématiques les plus importantes des implications du changement climatique. Le Groupe d'experts intergouvernemental sur l'évolution du climat (GIEC) a identifié la contribution des glaciers comme l'un des facteurs clés d'incertitude de prédiction de l'élévation du niveau des mers. La modélisation numérique est le seul outil efficace pour répondre à cette question. Cependant, modéliser l'écoulement de glace à l'échelle du Groenland ou de l'Antarctique représente un défi à la fois scientifique et technique. Deux aspects clés de l'amélioration de la modélisation des glaciers sont abordés dans cette thèse. Le premier consiste à déterminer certaines propriétés non mesurables de la glace par méthode inverse. La friction ou la rigidité des barrières de glace, sont des paramètres qui ne peuvent être mesurés directement et doivent donc être déduits à partir d'observations par télédétection. Nous appliquons ici ces inversions pour trois modèles d'écoulement de glace de complexité croissante: le modèle bidimensionnel de MacAyeal/Morland, le modèle dit d'ordre supérieur de Blatter/Pattyn et le modèle full-Stokes. Les propriétés ainsi calculées sont ensuite utilisées pour initialiser des modèles grande-échelle et pour déterminer le degré de complexité minimum nécessaire pour reproduire correctement la dynamique des glaciers. Le second aspect abordé dans ce travail est l'amélioration de la consistance des données pour la modélisation numérique. Les données disponibles sont souvent issues de campagnes de mesures s'étalant sur plusieurs années et dont résolutions spatiales varient, ce qui rend leur utilisation pour des simulations numériques difficiles. Nous présentons ici un algorithme basé sur la conservation de la masse et les méthodes inverses pour construire des épaisseurs de glace qui sont consistantes avec les mesures de vitesse. Cette approche empêche la redistribution artificielle de masse qu'engendrent généralement les autres méthodes de cartographie de l'épaisseur de glace, ce qui améliore considérablement l'initialisation des modèles d'écoulement de glace. Les avancées présentées ici sont des étapes importantes afin de mieux caractériser de manière précise les glaciers et de modéliser leur évolution de manière réaliste.

Sous l'effet de charges en surface, la surface terrestre s'affaisse pour retrouver un état d'équilibre isostatique. Inversement, quand ces charges viennent à diparaître, la surface remonte pour retrouver sa configuration initiale. Dans le cas d'une calotte glaciaire, la taille mais aussi la vitesse à laquelle peut évoluer la masse de glace est à l'origine d'une réponse hautement spécifique et particulièrement de comportements transitoires associés. Après avoir introduit la notion d'isostasie, nous décrivons quelles peuvent être les conséquences à la fois de la taille et de la vitesse d'évolution de la charge sur la réponse terrestre. Cela permet de clarifier la notion de "contexte glaciaire" en matière de charge à la surface de la Terre. Ensuite sont présentés les nombreux impacts que cette réponse isostatique peut avoir en retour sur la dynamique glaciaire, ainsi que les façons d'en rendre compte. Cette première partie aura montré tout l'intérêt de developper un modèle de Terre élaboré dont la physique à la base s'avère plus rigoureuse que dans les paramétrisations usuelles utilisées jusqu'à maintenant dans les modèles de glace. Les caractéristiques majeures ainsi que les équations à la base de ce modèle sont alors présentées en détail et révèlent le degré de sophistication de cette nouvelle approche. La richesse de données issues de mesures sur les zones de rebond postglaciaire comme la Fennoscandie sont un excellent moyen de valider pareil modèle. En comparant les résultats du rebond simulé avec ces données il est possible d'estimer le réalisme du modèle. Bien que l'ensemble de ces données ne soit pas simultanément reproduit de manière parfaite, le modèle montre cependant un comportement suffisamment réaliste pour pouvoir par la suite être couplé à un modèle de glace. Les résultats de cette incorporation sont alors comparés à ceux obtenus avec les paramétrisations usuelles au cours d'une simulation de la calotte Antarctique au cours du dernier cycle glaciaire. Ces résultats confirment le relativement bon comportement de notre modèle complet de Terre par rapport aux autres approches, ce qui tendrait à discréditer l'emploi de certaines de ces paramétrisations de la réponse terrestre dans les modèles évolutifs de calottes glaciaires.

La concentration en isotopes de l'eau dans les glaces polaires et les sédiments marins est un précieux indicateur des températures passées si l'on comprend bien les échanges isotopiques entre l'océan, l'atmosphère et la cryosphère. La dynamique et la capacité de stockage des calottes glaciaires demeurent cependant méconnues à cause de la rareté des prélèvements de glace. Cette thèse, basée sur la modélisation de la glace en 3D, développe une méthode de traçage pour suivre les particules de glace afin de retrouver leurs conditions de déposition et de prédire la fine stratigraphie des calottes du Groenland et de l'Antarctique. La méthode est validée en comparant la prédiction du modèle avec les couches de glace aux sites de forage polaire profonds. En utilisant le modèle d'évolution du Groenland de l'UBC (Marshall et Clarke 1997) et les traceurs aux sites de GRIP, Dye 3 et Camp Century, j'étudie le climat lors de la précédente période inter-glaciaire, il y a 127000 ans, et trouve que la fonte de glace au Groenland provoqua une montée de 3.5 à 4.5 m du niveau des mers. La méthode est aussi appliquée aux conditions de déposition de la glace prélevée en Antarctique à Vostok, Dome Fuji et Dome C en combinant les traceurs au modèle de calotte du LGGE (Ritz et al. 2001). Je teste ainsi les hypothèses d'interprétation des enregistrements climatiques et examine les changements d'altitude et de morphologie de la calotte antarctique. Ayant prédit la fine stratigraphie des calottes polaires, j'en déduis la première estimation glaciologique de leur composition isotopique moyenne pour le présent et le passé et boucle ainsi le budget en isotope de l'eau de notre planète.