Méthodologies en traitement de données GPS pour les Sciences de l’Environnement : Contributions à l’étude de la Mousson en Afrique de l’Ouest

Global Positioning System (GPS) is now very useful for meteorology and environmental sciences. This thesis focuses on the study of the water cycle (atmospheric and continental) in West Africa, as part of AMMA (African Monsoon Multidisciplinary Analyses) and GHYRAF (Gravity and Hydrology in Africa) projects.In the first part, we analyze the precision of GPS solutions in Africa. The integrated water vapor (IWV) is especially important in understanding the key atmospheric processes of the monsoon from subdiurne to multiyear periods. We pay much attention to sources of errors and the strategy of GPS data processing. A recall of the main theoretical elements allows us to identify the major sources of error that may affect the GPS estimates. We quantify the sensitivity of IWV for each of these sources of error and obtain a long-term precision of 1 kg m−2 on IWV. Meanwhile, station heights are really sensitive to errors and choices of parameterization. They are mainly subject to bias between 2 and 6 mm (choice of antenna models and the cut-off angle) and to seasonal signals whose amplitude is lesser than 2 mm (choice of tropospheric modeling). In the second part, we focus on estimates of station positions in order to quantify crustal deformation caused by continental hydrology. We compare the GPS solutions to estimates calculated from geophysical data and from GRACE space gravimetric data. Through this study, we also evaluate the quality of representation of the seasonal variation of soil moisture in West Africa with hydrological models and GRACE products. The three data sets are rather matching with the annual range of vertical deformations. An additional GPS signal is however detected, on the heights of AMMA GPS stations which appears to be an oscillation occurring between September and March with maximum amplitude in Ouagadougou evaluated between 12 and 16 mm. The hypothesis of an artifact GPS is rejected given previous sensitivity tests. The additional GPS signal is strongly correlated with the flooding of the Niger River to nearby stations (Timbuktu, Gao, and Niamey) or piezometric variations of the upper aquifer in Ouagadougou. It would be explained by hydrogeological and geotechnical mechanisms involving a sequence of shrinkage / swelling clays combined with local hydrological effects.Le Global Positioning System (GPS) présente aujourd’hui un grand intérêt dans le domaine de la météorologie et des Sciences de l’Environnement. Cette thèse s’intéresse plus particulièrement à l’étude du cycle de l’eau atmosphérique aussi bien que continentale, en Afrique de l’Ouest, dans le cadre des projets AMMA (Analyse Multidisciplinaire de la Mousson Africaine) et GHYRAF (Gravité et Hydrologie en Afrique).Dans une première partie, nous analysons la précision des calculs GPS en Afrique. Les contenus intégrés en vapeur d’eau (CIVE) sont particulièrement importants pour appréhender les processus atmosphériques clefs de la mousson couvrant des périodes subdiurnes à pluriannuelles. Nous prêtons alors une grande attention aux sources d’erreurs et à la stratégie de traitement des données GPS. Un rappel des principaux éléments théoriques nous permet d’identifier les sources d’erreur majeures susceptibles d’affecter les estimations. Nous quantifions la sensibilité des CIVE pour chacune de ces sources d’erreur et nous montrons que leur précision long terme est de l’ordre de 1 kg.m−2. Parallèlement, les hauteurs de station se montrent particulièrement sensibles aux erreurs et choix de paramétrisation. Elles sont principalement sujettes à des biais compris entre 2 et 6 mm (choix des modèles d’antenne et de l’angle de coupure) et à des signaux saisonniers d’amplitude inférieure à 2 mm (choix de la modélisation troposphérique). Dans une deuxième partie, nous nous intéressons aux estimations de position des stations dans le but de quantifier les déformations de la croûte terrestre induites par l’hydrologie continentale. Nous comparons les estimations GPS à des estimations de surcharge calculées à partir de produits de modèles géophysiques et de données de gravimétrie spatiale GRACE. À travers cette étude nous évaluons aussi la qualité de la représentation de la variation saisonnière de l’humidité des sols en Afrique de l’Ouest par les modèles hydrologiques et les produits GRACE. Les trois jeux de données considérés sont en bon accord concernant l’amplitude annuelle des déformations verticales. Un signal GPS additionnel est toutefois détecté sur les hauteurs des stations GPS AMMA qui apparaît comme une oscillation se produisant entre septembre et mars avec une amplitude maximale à Ouagadougou évaluée entre 12 et 16 mm. L’hypothèse d’un artefact GPS est écartée à la lumière des tests de sensibilité précédents. Le signal GPS additionnel est fortement corrélé avec la crue du fleuve Niger pour les stations situées à proximité (Tombouctou, Gao et Niamey) ou avec les variations piézométriques de l’aquifère supérieur à Ouagadougou. Il serait d’origine hydrogéologique et s’expliquerait par des mécanismes géotechniques impliquant une séquence de retrait/gonflement des argiles combinée à des effets hydrologiques locaux