Improving arctic sea ice thickness estimates from satellite altimetry

Satellite observations have shown that the arctic sea ice extent has strongly decreased during the last 40 years, with a clear increase of the shrinking since the 90's. While the mechanisms responsible for this accelerated shrinking are relatively well known, sea ice models do not clearly reproduce the observed extent variations. This inaccurate representation is generally attributed to a misunderstanding of the arctic system climate feedbacks. Among these feedbacks, we seek to study one of them in particular: the sea ice thinning. Sea ice thinning is generally associated with an earlier seasonal melt as well as an increase in sea ice export; both tend to accelerate the sea ice retreat. A good representation of sea ice thickness is therefore necessary to improve our understanding of the arctic sea ice extent variations observed during the last decades. Unlike sea ice extent data, there are currently no pan-Arctic sea ice thickness observations covering a large period (> 20 years). However, several studies have demonstrated the potential of satellite altimetry to retrieve sea ice thickness at a basin scale. To measure sea ice thickness from radar altimetry, the "freeboard" technique is generally employed. This methodology consists of estimating the thickness of the emerged sea ice (freeboard) from radar altimetry and then converting this measurement to sea ice thickness, using an equation for the hydrostatic equilibrium that exists between the snow covered sea ice and the ocean. The freeboard methodology has been applied to diverse altimetric missions (ERS-2, Envisat and CryoSat-2) since 1995 and should allow the retrieval of more than 20 years of pan-Arctic ice thickness. However, the previous estimates of sea ice thickness are data shorter than 6 years in duration. This absence of a long ice thickness time series is mostly due to the difficulty in providing continuity between the different altimetric missions (conventional altimetry/SAR altimetry) as well as to the uncertainties related to the freeboard-to-thickness conversion. In this context, this thesis makes an analysis of the freeboard inter-mission biases and improves the freeboard-to-thickness conversion in order to produce long term ice thickness estimates. To achieve these goals, a thorough analysis of the interaction between the radar signal and the sea ice parameters (snow, roughness, etc) is performed. The analysis of the radar signal physics over sea ice allows to derive the longest time series of arctic sea ice thickness ever established to this day (2002-2016). The analysis of this time series shows that sea ice has thinned from 0.013(± 0.09) m/year in average during the 2002-2016 period. The ice thinning is mainly attributed to the loss of perennial sea ice that occurred during the same period while the high uncertainty associated with this trend is associated to the important inter-annual variability of arctic sea ice thickness.; Les observations spatiales d'extension de glace de mer montrent que la banquise arctique a fortement réduit au cours des 40 dernières années, avec une nette tendance à l'accélération depuis la fin des années 1990. Bien que les processus expliquant cette fonte accélérée soient en partie compris, les modèles de banquise ne reproduisent pas clairement les variations d'extension observées. Cette mauvaise représentation des modèles est généralement attribuée à une méconnaissance des rétroactions climatiques. Parmi ces rétroactions, nous souhaitons nous intéresser à l'une d'entre elles en particulier: l'amincissement de la glace de mer. Cet amincissement est généralement associé à une fonte plus précoce et à une accélération de l'export de glace. L'amélioration de la représentation de l'épaisseur de banquise est donc nécessaire pour mieux comprendre les variations d'extension de banquise observées au cours des dernières décennies. Contrairement aux données d'extension de banquise, il n'existe pas à l'heure actuelle de données d'épaisseur de glace à l'échelle du Bassin Arctique couvrant une longue période (> 20 ans). En revanche, de multiples études ont montré qu'il était possible d'estimer l'épaisseur de glace à l'échelle du Bassin Arctique à partir de l'altimétrie spatiale. Pour mesurer l'épaisseur de glace par altimétrie, on emploie généralement la technique du "franc-bord". Cette méthode consiste à estimer par altimétrie spatiale l'épaisseur de glace émergée (le franc-bord) et à convertir cette mesure en épaisseur totale en résolvant l'équation d'hydrostatique qui existe entre la glace recouverte de neige et l'océan. La méthode du franc-bord a été appliquée à diverses missions altimétriques (ERS-2, Envisat et CryoSat-2) depuis 1995 et devrait ainsi pouvoir fournir une série temporelle d'épaisseur de glace de plus de 20 ans. Cela dit, il n'existe à ce jour aucune série temporelle d'épaisseur de glace couvrant plus de 6 années. Cette absence d'une longue série temporelle est principalement due à un manque de continuité de la mesure du franc-bord liée à l'évolution des techniques radar (altimétrie conventionnelle/altimétrie SAR) ainsi qu'aux incertitudes liées à la conversion du franc-bord en épaisseur de glace. Dans ce contexte, cette thèse a pour objectifs d'analyser les biais inter-missions de franc-bord et d'améliorer la conversion du franc-bord en épaisseur de glace en exploitant au mieux la mesure altimétrique. Pour remplir ces objectifs, un travail de fond est réalisé sur l'interaction de la mesure radar avec l'environnement de la banquise (neige, rugosité, etc). Les résultats de l'analyse de la mesure radar sur la banquise permettent d'établir la plus longue série temporelle d'épaisseur de glace de mer disponible à ce jour (2002-2016). L'analyse de cette série temporelle montre que la banquise s'est amincie en moyenne de 0.013(± 0.09) m/an au cours de la période 2002-2016. Cet amincissement est principalement attribué à la réduction de surface de glace pérenne ayant eu lieu au cours de la même période. La forte incertitude associée à cette tendance est quant à elle attribuée à l'importante variabilité inter-annuelle de l'épaisseur de banquise arctique.