L'information obtenue par le radar polarimétrique est utilisée en recherche depuis une trentaine d'années. Ce qui fait du radar polarimétrique un outil unique pour sonder l'atmosphère, c'est sa capacité de fournir de l'information à distance sur les propriétés des hydrométéores. Il est donc permis d'espérer pour l'avenir une meilleure compréhension des processus microphysiques en présence dans les précipitations. Plusieurs méthodes ont été développées jusqu'à maintenant pour se rapprocher de ce but. Poursuivant les efforts d'études précédentes sur les précipitations stratiformes et convectives, nous avons essayé d'obtenir une forme de présentation des données polarimétriques qui interprète les processus dominants dans les précipitations en examinant la variabilité des observables polarimétriques. Le défi de cette étude a été d'identifier les processus microphysiques dans les précipitations stratiformes en suivant l'évolution de la croissance des hydrométéores à travers la variabilité des observables polarimétriques. Nous avons obtenu les profils moyens des variables polarimétriques pour des cas stratiformes survenus de novembre 2003 à avril 2005. Nous avons construit les diagrammes de la distribution des variables polarimétriques représentant leur variabilité dans l'espace réflectivité (Z) - hauteur (H) d'après une méthodologie élaborée dans ce but. Nous avons testé nos hypothèses et validé nos résultats pour quatre cas sélectionnés. La nouvelle forme de présentation des données que nous avons élaborée en nous servant des variables polarimétriques fournit un outil supplémentaire pour identifier les processus microphysiques dominants dans les précipitations stratiformes. La méthodologie a été adaptée pour tenir compte des particularités des précipitations stratiformes et, combinée avec l'information extraite par d'autres instruments et d'autres méthodes, peut servir à compléter l'image globale d'événements de précipitation. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Le radar polarimétrique, Les variables polarimétriques, L'identification des hydrométéores.

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.

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.

Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Le but de cette thèse est de développer des outils pour améliorer la production d'énergie éolienne en climat froid à l'aide de données de terrain. En premier lieu, il est nécessaire d'obtenir des informations concernant les conditions météorologiques du parc éolien pour améliorer la performance des éoliennes. Il n'existe présentement que très peu d'instruments qui sont en mesure de caractériser les conditions givrantes tout en étant assez robustes pour faire face aux conditions arides d'un parc éolien. La thèse qui suit fournit une validation des mesures d'un instrument météorologique installé sur la nacelle d'une éolienne. Il existe présentement plusieurs solutions pour diminuer l'impact du givre atmosphérique sur la performance des éoliennes. Par contre, il n'y a pas standard relatif à la méthodologie à utiliser pour évaluer la performance de ces solutions. Cette thèse propose une nouvelle méthodologie pour répondre à ce besoin. Avec les outils développés dans les premières sections ainsi qu'avec des données de terrain, cette thèse répond à des questions reliées à l'opération d'éoliennes en climat froid. Avec un seuil en température pour définir des événements de givre et une mesure fiable de givre sur la nacelle, il devient plus facile d'évaluer la performance des éoliennes et d'améliorer leur production d'énergie. Cette thèse propose un modèle numérique des systèmes thermiques de protection contre la glace. Avec un tel modèle il est possible d'optimiser leur opération et leur conception. Cette thèse fournit de nombreuses comparaisons avec des données provenant de parcs éoliens, telles que des études de cas, démontrant la validité des outils proposés. / The objective of this thesis is to develop tools to improve wind energy production in cold climate with field data. In order to improve the performance of wind turbines in cold climate, it is necessary to have available information relative the the meteorological situation in the wind farm. Currently, very few sensors are capable of providing icing data while being robust enough to face the harsh conditions of a wind farm. This thesis provides a validation of an icing sensor installed on a wind turbine nacelle. Currently, there are multiple solutions available to reduce the impact of atmospheric icing on wind turbine performance. However, there is no standard methodology to evaluate them. This thesis proposes a new methodology providing tools to reduce the impact of secondary factors. With the tools developped in the first sections and with field data, this thesis answers questions regarding wind turbine operation in cold climate. With a temperature threshold to define icing events and a reliable method to detect icing conditions on the nacelle, it becomes easier to evaluate the performance of wind turbines and to improve their energy production. This thesis proposes a numerical model of thermal ice protection systems. With such a model, it is possible to optimize IPS operation and design. This thesis provides numerous comparisons with data coming from wind farms, such as case studies, demonstrating the validity of the proposed tools.

Les changements de l'intensité et de la fréquence des extrêmes hydro-climatiques peuvent avoir des impacts significatifs sur les secteurs liés aux ressources en eau. Il est donc nécessaire d'évaluer leur vulnérabilité face aux changements climatiques. Cette étude porte sur l'estimation des changements de la fréquence et l'amplitude des événements de précipitations extrêmes au Canada en utilisant un ensemble de dix simulations de 30 ans effectuées avec le Modèle Régional Canadien du Climat (MRCC), pour une période de référence (1961-1990) et une période future (2040-2071). Les simulations futures utilisent le scénario A2 du SRES. Deux méthodes sont utilisées dans cette étude, avec l'hypothèse de stationnarité tranche de temps (en anglais «time-slice stationarity assumption»): Analyse Fréquentielle Régionale (RFA pour «Regional Frequency Analysis»), qui s'opère à l'échelle des unités statistiquement homogènes des régions climatiques prédéfinies, avec la possibilité de réduction au niveau du point de grille et l'analyse individuelle de point de grille (GBA pour «Grid-box analysis»). Des données d'observations réhabilitées et homogénéisées de 495 stations situées partout au Canada sont utilisées pour vérifier l'homogénéité statistique des régions climatiques canadiennes. Ces données sont également utilisées pour sélectionner la distribution régionale la plus appropriée parmi les cinq distributions candidates aux trois paramètres de la modélisation observée de l, 2, 3, 5, 7 et 10 jours AM (AM pour «Annual Maxima») de la quantité de précipitations (i.e. les extrêmes d'un seul jour et de plusieurs jours), survenues entre les mois d'avril et de septembre, pour la période de 30 ans allant de 1961 à 1990. Les distributions candidates sont les suivantes: la distribution des valeurs extrêmes généralisées (GEV pour «General Extreme Value»), Pareto généralisée (GPA pour «Generalized Pareto»), Logistique généralisée (GLO pour «Generalized Logistic»), Pearson Type 3 (PE3 pour «Pearson Type 3») et Normal généralisée (GNO pour «Generalized Normal»). La validation du modèle de simulation pour les périodes de retour de 20,50 et 100 ans des précipitations extrêmes d'une et de plusieurs journées en comparaison avec les observations durant la période 1961-1990 en utilisant les méthodes de RFA et GBA suggèrent une sous-estimation du MRCC pour une grande partie du Canada. Toutefois, le MRCC a tendance à surestimer légèrement sur la région de YUKON. Les changements de l'amplitude et la fréquence des précipitations extrêmes d'un seul jour et de plusieurs jours au Canada sont estimés en utilisant les deux méthodes, celle de RFA et de GBA. Une estimation d'incertitude sous la forme d'intervalles de confiance des 20, 50 et 100 ans de périodes de retour à l'échelle régionale des cinq paires de simulations de la période de référence et celle du future est effectuée en utilisant la méthode de bootstrap vectoriel (en anglais «nonparametric vector bootstrap resampling method») et ensuite exprimé sous forme d'intervalle de confiance. Les résultats de l'étude ont des implications fortes pour des projets liés à la conception et la gestion des ressources en eau et pour estimer la durabilité des infrastructures existantes dans un climat changeant. ______________________________________________________________________________

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.

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.

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.