Afhandling--Naturvidenskabelige Fakultet--Københavns universitet, 2004. / Résumé en danois. Bibliogr. p. 319-338.

Dans le but d'établir un modèle informatique empirique visant à prédire l'évolution temporelle des charges mécaniques dues à l'accumulation de la glace atmosphérique sur les conducteurs de transport d'énergie électrique, cinq architectures de réseaux de neurones artificiels ont été étudiées et comparées. Deux réseaux de nature statique, soit le Perceptron multicouches (MLP) et le réseau à fonctions de base radiales (RBF), ainsi que deux réseaux orientés vers le traitement temporel, soit le réseau à réponse impulsionnelle finie (FIR) et le réseau récurrent Elman, ont été comparés à la régression linéaire multiple (ADALINE). Les données utilisées pour faire l'entraînement des modèles basés sur les réseaux de neurones proviennent du site instrumenté du Mont-Bélair qui fait partie du système de surveillance en temps réel SYGIVRE d'Hydro-Québec. On retrouve sur ce site une ligne de 315 kV dotée d'un capteur de force pour la mesure des forces mécaniques, plusieurs instruments météorologiques standards ainsi qu'un givromètre permettant d'évaluer l'intensité des conditions givrantes environnantes. Les modèles créés dans le cadre de cette recherche utilisèrent la température ambiante, la vitesse normale du vent et le signal du givromètre comme paramètres d'entrée et le signal de charge (ou son taux de variation) comme paramètre de sortie. Les résultats indiquent que les réseaux de neurones (le FIR par exemple) constituent un outil prédictif potentiellement avantageux ayant une puissance de représentation supérieure à des techniques statistiques simples comme la régression linéaire multiple. Les réseaux de neurones de nature statique donnent généralement de moins bons résultats que les réseaux orientés vers le traitement temporel et semblent donc moins adéquats. Toutefois, les performances affichées par les modèles montrent bien que la problématique de la prédiction des charges mécaniques de glace atmosphérique est plutôt difficile et qu'il ne faut pas considérer les réseaux de neurones comme une solution magique. L'utilisation de l'historique passé du signal de sortie comme variable d'entrée supplémentaire améliore notablement la situation cependant dans le cadre d'une prédiction en avance. Dans ce cas, les modèles fournissent une prédiction raisonnablement précise.

Thèses (Ph.D.)--Université de Sherbrooke (Canada), 2005. / In ProQuest dissertations and theses. Titre de l'écran-titre (visionné le 1 février 2007). Publié aussi en version papier.

Dans le but d'établir un modèle informatique empirique visant à prédire l'évolution temporelle des charges mécaniques dues à l'accumulation de la glace atmosphérique sur les conducteurs de transport d'énergie électrique, cinq architectures de réseaux de neurones artificiels ont été étudiées et comparées. Deux réseaux de nature statique, soit le Perceptron multicouches (MLP) et le réseau à fonctions de base radiales (RBF), ainsi que deux réseaux orientés vers le traitement temporel, soit le réseau à réponse impulsionnelle finie (FIR) et le réseau récurrent Elman, ont été comparés à la régression linéaire multiple (ADALINE). Les données utilisées pour faire l'entraînement des modèles basés sur les réseaux de neurones proviennent du site instrumenté du Mont-Bélair qui fait partie du système de surveillance en temps réel SYGIVRE d'Hydro-Québec. On retrouve sur ce site une ligne de 315 kV dotée d'un capteur de force pour la mesure des forces mécaniques, plusieurs instruments météorologiques standards ainsi qu'un givromètre permettant d'évaluer l'intensité des conditions givrantes environnantes. Les modèles créés dans le cadre de cette recherche utilisèrent la température ambiante, la vitesse normale du vent et le signal du givromètre comme paramètres d'entrée et le signal de charge (ou son taux de variation) comme paramètre de sortie. Les résultats indiquent que les réseaux de neurones (le FIR par exemple) constituent un outil prédictif potentiellement avantageux ayant une puissance de représentation supérieure à des techniques statistiques simples comme la régression linéaire multiple. Les réseaux de neurones de nature statique donnent généralement de moins bons résultats que les réseaux orientés vers le traitement temporel et semblent donc moins adéquats. Toutefois, les performances affichées par les modèles montrent bien que la problématique de la prédiction des charges mécaniques de glace atmosphérique est plutôt difficile et qu'il ne faut pas considérer les réseaux de neurones comme une solution magique. L'utilisation de l'historique passé du signal de sortie comme variable d'entrée supplémentaire améliore notablement la situation cependant dans le cadre d'une prédiction en avance. Dans ce cas, les modèles fournissent une prédiction raisonnablement précise.

Cette thèse suggère que l’on peut retracer les évènements climatiques terrestres en étudiant l’histoire humaine. L’archéologie de l’Amérique du Nord permet de constater les liens existants entre les évènements climatiques et les changements environnementaux qu’ils induisent et les dynamiques dans les changements de mode de vie et de subsistance et les migrations. De plus, à partir de données archéologiques, datées au 14C et attribuées à des cultures en Amérique du Nord durant les derniers 15 000 ans en utilisant le test du χ² d’indépendance, 10 dates de discontinuités culturelles ont été identifiées, soit 13 840, 11 950, 10 410, 8480, 6410, 4810, 3270, 2470, 1190 et 720 cal BP. Toutes ces dates peuvent être corroborées avec des évènements climatiques trouvés en utilisant des proxys climatiques et des méthodes plus conventionnelles. De plus, les résultats permettent de voir que ces discontinuités culturelles répondent aux variations climatiques aux échelles millénaire et centenaire durant l’Holocène dont la principale cause serait les variations dans l’intensité solaire.

Propulsé sur une orbite polaire en avril 1995 par l’Agence Spatiale Européenne, l’instrument Global Ozone Monitoring Experiment (GOME) est le précurseur d’une nouvelle génération de satellites dédiés à la mesure globale de la composition atmosphérique. Ce spectromètre hyperspectral mesure, entre 240 et 790 nm, à la résolution de 0,2-0,4 nm, la radiance diffusée par l’atmosphère et réfléchie par la surface terrestre et les nuages au nadir du satellite. La technique de spectroscopie d’absorption optique différentielle (DOAS) permet d’en inverser la concentration columnaire de l’ozone et du dioxyde d’azote atmosphériques. Les travaux décrits dans cette thèse portent d’une part sur la caractérisation du contenu en information géophysique accessible par ce type de sondage atmosphérique, et d’autre part sur la mise au point des méthodes et algorithmes d’inversion propres à la mission GOME. Au cours des premiers chapitres, nous établissons les propriétés pluridimensionnelles de lissage et d’échantillonnage du champ atmosphérique associées à l’observation du rayonnement diffusé. Nous explorons ensuite les problèmes posés par le cycle diurne des oxydes d’azote, ainsi que l’effet des gradients atmosphériques interférant avec le chemin optique. Nous analysons enfin les capacités des réseaux de télédétection de l’Organisation Mondiale Météorologique (OMM) pour le diagnostic des algorithmes et données des systèmes satellitaires. Deux chapitres sont ensuite consacrés à la mise au point des méthodes et algorithmes d’inversion DOAS pour le processeur GDP, qui traite de manière opérationnelle les données radiométriques acquises par GOME. Nous abordons successivement le problème de la dépendance en température des sections efficaces d’absorption, l’évaluation du facteur d’amplification géométrique du chemin optique, l’estimation de la colonne fantôme masquée par les nuages, les effets de l’anomalie magnétique sud-atlantique des ceintures de radiation, et l’incidence du dioxyde d’azote troposphérique. Suit un diagnostic systématique de la mise au point du processeur GDP sur base des données globales fournies par les réseaux de l’OMM, ainsi qu’une critique comparée des algorithmes TOMS de la NASA. Le dernier chapitre décrit la construction de la première climatologie globale du dioxyde d’azote stratosphérique et de ses variations harmoniques. Développée pour nos études du facteur d’amplification géométrique, cette climatologie composite est issue de l’analyse conjointe des jeux de données complémentaires acquis par différents satellites, par des réseaux au sol et par des ballons stratosphériques.

Les modèles régionaux de climat (MRC) sont maintenant reconnus comme des outils efficaces pour augmenter la résolution des simulations climatiques à un ordre d'environ 50 km. Cette résolution est jugée nécessaire pour décrire de nombreux impacts liés aux changements climatiques. Un modèle régional de climat (MRC) performe une simulation climatique sur une sous-région du globe. Pour cette raison, un MRC doit utiliser des données pilotes au pourtour de la sous-région pour tenir compte de la circulation atmosphérique qui parcourt le globe. Les données provenant d'un MRC sont de plus en plus utilisées par les décideurs pour prendre des mesures d'adaptation adéquates en fonction des changements climatiques projetés. Pour cette raison, les scientifiques qui livrent les données climatiques aux décideurs doivent fournir les données les plus précises possibles. L'une des incertitudes des projections de changements climatiques produites par les MRC est associée au comportement chaotique du système climatique qui est simulé. En raison de ce comportement, le climat simulé avec un MRC peut diverger d'un autre climat simulé lancé avec des conditions initiales légèrement différentes tout en étant en accord avec les mêmes forçages imposés. La variabilité mesurée entre les simulations lancées avec différentes conditions initiales est appelée variabilité interne. La variabilité interne des MRC est étudiée depuis quelques années. Ces études sont généralement limitées par les ensembles de simulations nécessaires au calcul de la variabilité interne. Ces ensembles comportent généralement peu de simulations qui sont courtes et qui sont intégrées sur de petits domaines. Le premier objectif de cette thèse consistait à vérifier les hypothèses émises dans les articles précédents sur la variabilité interne des MRC en utilisant un ensemble de simulations actuel. Afin de répondre à cet objectif, un ensemble comportant dix simulations de dix ans couvrant l'Amérique du nord a été réalisé avec le modèle régional canadien du climat. L'évolution temporelle de la variabilité interne de cet ensemble pour la pression au niveau moyen de la mer (PNM) et pour la température au niveau de l'abri (TA) révèle un cycle annuel faible avec des valeurs en hiver et au printemps légèrement plus élevées. Ce résultat, qui se distingue de celui des études précédentes; suggère que l'augmentation de la dimension du domaine diminue l'efficacité du contrôle du pilote sur le MRC, ce qui augmente la variabilité interne. Pour les variables étudiées, la variabilité interne augmente généralement d'ouest en est du domaine selon la circulation générale vers l'est. Une comparaison de la variabilité interne avec la variabilité temporelle montre que la variabilité interne pour la PNM est près de son maximum en été dans le nord-est du domaine. Une comparaison du climat de dix ans pour la TA en été de chacune des simulations avec la moyenne d'ensemble montre que la variabilité interne peut avoir un impact important sur le climat simulé. Le deuxième objectif de cette thèse consistait à trouver un outil capable de quantifier le contrôle du pilote sur une simulation effectuée avec un MRC. Cet outil est un traceur qui calcule le temps de résidence des parcelles atmosphériques à l'intérieur du domaine d'un MRC. Ce traceur a été utilisé pour première fois dans l'ensemble de simulations décrit précédemment. Les diagnostiques du climat généré par l'ensemble montre le bon fonctionnement du traceur. Le temps de résidence est plus élevé en été qu'en hiver en liaison avec la circulation atmosphérique qui est plus rapide en hiver. Le temps de résidence augmente d'ouest en est à l'intérieur du domaine aussi en relation avec la circulation atmosphérique générale vers l'est. Un diagramme de disperison généré avec les distributions spatiales de la variabilité interne relative des variables étudiées et du temps de résidence montre que la variabilité interne augmente linéairement avec le temps de résidence similairement en été qu'en hiver. Ce résultat appuie plusieurs études précédentes qui proposaient un lien entre la circulation atmosphérique et la variabilité interne. D'après la relation trouvée, le temps de résidence peut être utilisé comme un indicateur quantitatif du contrôle des données pilotes exercé sur un MRC. On envisage que cet outil sera utile pour les analyses futures effectuées avec les MRC. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Variabilité interne, Modélisation régionale du climat, Ensemble de simulations, Temps de résidence, Climat nord-américain.

11 RESUME L'avancement de la recherche dans le développement de nouveaux types de capteurs plus performants destinés aux régions froides, capables de mesurer des épaisseurs d'une accumulation de glace sur une surface pour pouvoir activer des systèmes de déglaçage adéquats est nécessaire afin d'accroître la fiabilité des réseaux de transport d'énergie sous des conditions de givrage atmosphérique. Dans ce contexte, l'utilisation des capteurs ultrasoniques est indispensable compte tenu de leur possibilité de mesurer des épaisseurs importantes d'une accumulation. Le présent mémoire, entrepris dans le cadre des travaux de la chaire de recherche du Canada sur l'ingénierie du givrage des réseaux électriques (INGIVRE) à l'Université du Québec à Chicoutimi, a pour but de contribuer au développement d'un capteur ultrasonique capable de mesurer ponctuellement l'épaisseur d'une accumulation de glace sur une surface et de vérifier leur pouvoir de discrimination entre les différentes précipitations froides accumulées. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré que la propagation des ultrasons dans les milieux solides diffèrent par rapport aux milieux liquides suivant leurs caractéristiques (densité, formation du milieu, vitesse du son, etc.). De plus, la présence de bulles d'air dans une couche de glace ou de givre modifie considérablement la réponse du capteur, ce qui expliquerait la réflexion de l'onde ultrasonore à l'interface de deux milieux. Ainsi, l'adjonction d'une couche de plexiglas entre le transducteur ultrasonique et le milieu accumulé a permis de mesurer de faibles épaisseurs d'une accumulation, de discriminer entre les différents types d'accumulations et de l'utiliser comme une référence pour la mesure des épaisseurs de différents milieux accumulés sur une surface. Nous avons conclu que l'utilisation d'un transducteur à faible coefficient de surtension est préférable car il permet une bonne discrimination entre les différents échos. De plus, il permettra de mesurer de faibles épaisseurs d'une accumulation sur une surface. Ainsi, les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont contribué à une meilleure compréhension de l'effet des ultrasons et de leur propagation dans les différents milieux accumulés (la glace, le givre et l'eau). De plus, ces résultats contribueront à améliorer la conception de nouveaux types de capteurs ultrasoniques, mieux adaptés aux surfaces cylindriques pour pouvoir mesurer la distribution d'une précipitation froide sur une surface.

Les événements de givrage atmosphérique de janvier 1998, au sud du Québec et à l'est de l'Ontario, ont clairement démontré la vulnérabilité des structures aériennes face à ce phénomène atmosphérique ainsi que la nécessité d'améliorer nos connaissances actuelles dans ce domaine. Dans cette perspective, il est important de comprendre ce phénomène par l'analyse des événements de givrage atmosphérique antérieurs et, si possible, de les modéliser puis de les prédire. Cela permettra aux compagnies d'électricité de mieux dimensionner les équipements des réseaux aériens et d'établir des normes d'alerte. La présente recherche, effectuée dans le cadre de la Chaire Industrielle CIGELE, a pour but d'analyser les événements passés enregistrés par le réseau de mesure SYGIVRE d'Hydro-Québec et d'effectuer une analyse spatiale de la distribution des tempêtes de givrage atmosphérique (au sens large du terme, c'est-à-dire pour toute intensité de précipitation) dans les différentes régions du Québec. Pour ce faire, nous disposons de la base de données de givrage SYGIVRE qui couvre une période d'observations de 8 ans sur un total de 23 stations et qui est basée les mesures d'un appareil développé par Hydro-Québec, appelé givromètre (ice rate meter). Nous utiliserons aussi une autre source de données sur le givrage fournie par Hydro-Québec (PIM) qui couvre une période d'observations de 21 ans sur un total de 180 stations déployées dans toute la province et qui repose sur des mesures délivrées par des glacimètres (passive ice meter). L'analyse exploratoire des événements de verglas et de givre contenus dans la base de données SYGIVRE constitue la première étape de l'étude. Cette étude exploratoire permet de faire ressortir les caractéristiques propres à chaque paramètre du réseau SYGIVRE. La base de données sur les PIM a servi de support de validation aux études effectuées sur la base de données SYGIVRE puisque la période d'observations de la première est beaucoup plus grande mais que la précision est moindre. Pour ne pas créer de biais dans la comparaison entre les deux bases de données, seules les stations du réseau de PIM géographiquement proches de celles du réseau SYGIVRE, ont étés retenues. Cela permet d'avoir deux réseaux de stations sensiblement identiques pour ce qui est de la couverture géographique du territoire étudié. La notion d'intensité pour un processus de Poisson non homogène a été introduite dans l'étude afin d'évaluer la probabilité qu'un événement devant apparaître, se produise dans une période donnée. Cette caractéristique est propre aux stations et aux années c'est-à-dire qu'elle est fonction de la situation géographique des stations et de la rigueur de l'hiver pour une année donnée. Cette notion d'intensité est utilisée pour obtenir des groupements d'années qui sont identiques. Le petit nombre d'années d'observations nous a empêché d'utiliser les résultats sur les groupements d'années pour la suite de l'étude mais il est tout de même intéressant de noter que les années communes entre les deux bases de données sont identiques au point de vue événements. L'analyse spatiale de la distribution des tempêtes de givrage atmosphérique se fait généralement en considérant directement la distance géographique sans considérer la présence de microclimats ou la topographie entre les stations. Ces paramètres peuvent changer considérablement les conditions météorologiques et donc la progression des tempêtes à travers une région donnée. L'approche utilisée dans ce travail est basée sur la proximité des stations en terme de partage des mêmes événements de givrage. Nous avons utilisé la probabilité de partage des événements entre les stations pour établir des groupements géographiques de stations. Finalement, nous avons modélisé les groupements obtenus par des variables exogènes différentes qui sont la température, la durée, le type de l'accumulation et le poids. Cette méthode permet de définir des groupements de stations cohérents. Trois groupes de stations ressortent de cette étude. Ceux-ci comportent des stations présentant les mêmes caractéristiques au niveau du type de l'accumulation dominant et de la région où elles se trouvent. Pour expliquer ces groupes, la durée de l'événement est le paramètre essentiel. Parfois, la température joue un rôle lorsque nous ne tenons pas compte du type de l'accumulation. La prédiction effectuée à partir des régressions donne de bons résultats quand il s'agit de prévoir des événements locaux. Par contre, la prédiction du partage des événements entre plusieurs stations est nettement moins bonne. Finalement, une étude sur une plus longue période d'observations augmentera les bases de données et améliorera les résultats.

L'évaluation de la performance d'une éolienne de type Darrieus nécessite la connaissance des coefficients aérodynamiques de la pale pour différentes conditions d'opérations. Les pales exécutent une rotation de 360° lorsque 1'éolienne fonctionne. Durant cette rotation, le nombre de Reynolds varie considérablement. Et enfin, les conditions climatiques du Québec impliquent la formation de givre sur le profilé. Une simplification intéressante pour ce type de phénomène consiste à traiter l'écoulement en deux parties distinctes. D'abord, solutionner l'extérieur de la couche limite par un écoulement à potentiel; ensuite, résoudre l'écoulement visqueux à l'intérieur de la couche limite. La méthode des éléments finis aux limites nous permet de relever ce défi. On évite alors le coût excessif de la résolution des équations de Navier-Stokes. La solution de l'écoulement à potentiel rend possible le calcul de la pression s'appliquant sur le profil. Lorsque le coefficient de pression est connu à chaque noeud de la forme, on peut ensuite évaluer le coefficient de portance de la pale pour différents angles d'attaque. Enfin, la résolution de la couche limite par les équations intégrales de momentum nous donne le coefficient de friction de surface et les points de séparation de la couche limite. Le profil étudié est le NACA0012 en régime turbulent à des angles d'attaque où il n'y a pas de séparation. Une seule frontière d'intégration définit la forme, l'écoulement, ainsi que la discontinuité à l'arrière du profilé (condition de Kutta). Les résultats obtenus par la méthode de calcul préconisée s'avèrent très proches des résultats expérimentaux et des valeurs théoriques données par les équations de Kutta-Joukowski et la relation de Théodorsen. Donc, le modèle développé remplit les objectifs initiaux. Cependant, certaines améliorations peuvent être envisagées ultérieurement pour raffiner le modèle. Soit en représentant la forme avec plus de précision et en définissant de façon moins simplifiée la condition de Kutta à l'arrière du profilé lors de la rotation. Cependant, ce travail se limite à l'étude des caractéristiques aérodynamiques sans décollement de la couche limite. Enfin, des résultats expérimentaux supplémentaires seraient indispensables afin de vérifier la validité des résultats obtenus avec le profil givré.