identifier: Thiombiano, Alida Nadège  (2017). Développement de méthodes d’analyse fréquentielle non-stationnaire avec l’approche des dépassements de seuil et application avec la précipitation totale journalière dans le sud-est du Canada.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 252 p.

subject:
modèle POT
fonctions B-splines
covariables climatiques
modèle hybride
quantiles
précipitation
Canada
POT model
B-spline functions
climatic covariates
hybrid model

abstract:
L’analyse fréquentielle (AF) est un outil statistique très utilisé en hydrologie pour la prédiction des quantiles d’évènements extrêmes. L’objectif général de la présente thèse était de proposer de nouvelles approches d’AF des extrêmes basées sur la méthode des dépassements de seuil ou peaks-over-threshold (POT) en anglais.
En effet, avec la problématique des changements climatiques (CC), les indices climatiques sont fréquemment utilisés comme covariables dans le développement de modèles d’AF non-stationnaire du fait de la présence de tendances, dépendances, cycles ou ruptures dans les séries d’observations hydroclimatiques. Le premier objectif spécifique de cette thèse visait à analyser les téléconnexions entre les oscillations climatiques à grande échelle et les processus hydrologiques locaux/régionaux, afin de développer des modèles POT avec covariables. Les précipitations étant par essence très variables dans le temps et dans l’espace, la relation de dépendance entre plusieurs indices climatiques et des séries temporelles décrivant l’intensité et la fréquence des évènements extrêmes de la précipitation totale journalière, a été examinée à l’échelle du Sud-Est du Canada. Deux méthodes d’évaluation complémentaires, à savoir l’analyse de corrélation des rangs par le calcul du tau de Kendall ainsi que l’analyse par ondelettes, ont été employées pour confirmer statistiquement les interactions existantes. Cette analyse préliminaire a permis d’identifier deux indices climatiques ayant une influence significative sur l’intensité et la fréquence des précipitations extrêmes à l’échelle de la zone d’étude choisie : l’indice de l’oscillation arctique (AO pour Arctic Oscillation) et l’indice du Pacifique-Amérique du Nord (PNA pour Pacific North American). Des modèles de Pareto Généralisée (GPD pour Generalized Pareto Distribution) non-stationnaires ont été alors développés en faisant varier le paramètre d’échelle de la GPD en fonction de l’indice AO ou PNA au moyen de l’utilisation de fonctions semi-paramétriques, les fonctions B-splines. Celles-ci permettent de capturer aussi bien les relations simples (c’est à dire linéaires) que complexes (c’est à dire non-linéaires). Les quantiles de la précipitation extrême ont été estimés à partir du modèle de la GPD stationnaire (où tous les paramètres sont constants) et de différents modèles GPD-B-splines qui ont été développés en faisant varier deux paramètres déterminants de la fonction B-spline: le degré (d) du polynôme et le nombre de noeuds internes (k). Les modèles GPD non-stationnaires ont montré une meilleure performance que le modèle GPD stationnaire à la lumière des valeurs minimales du critère d’information d’Akaïke observées surtout avec le modèle GPD-B-spline (k=2 et d=1).
La structure physique des indices climatiques comportant une phase négative et une phase positive, les modèles GPD-B-splines se sont montrés flexibles. En effet, des réponses linéaires et non-linéaires des précipitations extrêmes aux indices AO et PNA ont pu être détectées au Sud-Est du Canada. D’où des possibilités de régionalisation de ces modèles locaux pour fournir un outil robuste de prédiction des quantiles.
Toutefois, l’interprétation pratique des quantiles est généralement associée à la notion de période de retour. Pour cette raison, il y un intérêt à incorporer l’information sur le taux moyen annuel des dépassements de seuil dans la modélisation des dépassements de seuil. Pour ce faire, l’étude de la surdispersion dans l’occurrence annuelle de ces évènements est suggérée au préalable pour valider ou non l’hypothèse que la fréquence des dépassements de seuil est distribuée suivant un processus de Poisson. En effet, dans le cas échéant, les distributions Binomiale (B) et Binomiale Négative (BN) sont des alternatives à considérer. A l’échelle de la région d’étude, la distribution de Poisson (PD) a été validée à 90% des stations à l’aide du calcul de l’indice de dispersion et du test statistique du Khi-carré qui lui est associé. D’où la formulation d’un modèle couplé PD-GPD. L’incorporation additionnelle de la non-stationnarité au niveau du paramètre d’intensité de la PD a ainsi permis d’analyser son effet sur les quantiles conditionnels.
Les résultats de la modélisation effectuée pour répondre au premier objectif spécifique sont basés seulement sur l’échantillon des dépassements de seuil. Ceci implique que le seuil est fixé au préalable et qu’il n’y a pas de quantification de l’incertitude liée à sa sélection durant l’étape subséquente qu’est l’inférence statistique. D’où la formulation du second objectif spécifique qui avait pour finalité d’utiliser l’ensemble des données disponibles pour obtenir une estimation du seuil comme un paramètre à part entière. L’approche des modèles dits « mixtes » a été donc utilisée pour la réalisation de cet objectif, en développant des modèles hybrides paramétriques à deux composantes, la première décrivant les observations en-dessous du seuil, et la seconde, celles au-dessus du seuil. Les distributions Gamma et Normale ont été évaluées séparément pour l’ajustement de la première composante, tandis que la GPD a été naturellement choisie pour l’ajustement de la deuxième composante. La location du seuil est au point de jonction des deux composantes. A cet effet, les modèles hybrides Gamma-GPD sans contrainte de continuité (modèle M1) et avec contrainte de continuité (modèle M2) au point du seuil de la fonction de densité de probabilité résultante, ainsi que le modèle Normale-GPD (M3) avec la même contrainte de continuité que M2, ont été développés dans un cadre Bayésien.
La comparaison de ces modèles entre eux et avec la GPD classique (modèle M0) a été faite au moyen de simulations en comparant le biais relatif et la racine de l’erreur quadratique moyenne relative des estimations. Les modèles hybrides avec une distribution Gamma (M1 et M2) permettent d’obtenir de meilleures estimations (faibles biais) que les modèles M3 et M0. L’un des avantages avec les modèles M1, M2 et M3 est l’automatisation de la détermination du seuil comme il fait partie du vecteur des paramètres du modèle hybride à estimer. L’application des modèles M1, M2 et M3 à des données de la précipitation totale journalière à une station spécifique a permis de constater leur fonctionnement pratique. De plus, les quantiles estimés à partir des modèles M0, M1, M2 et M3 sont comparables.
Les différents développements réalisés dans le cadre de cette thèse avec l’approche des dépassements de seuil (modèles hybrides et modèles POT), ont permis de proposer des modèles qui peuvent prendre en compte le maximum de données et d’informations disponibles pour améliorer la qualité des estimations.

 Frequency analysis (FA) is widely used in statistical hydrology for the analysis of extreme events. The overall objective of this thesis was to propose a number of new approaches for modeling extreme events based on the peaks-over-threshold (POT) sampling strategy.
Large scale climate indices are frequently used as covariates for the development of nonstationary FA models due to the presence of trends, dependencies, cycles or jumps in the time series of hydroclimatic variables. Hence, the first specific objective of this thesis was to analyze the teleconnection between large scale climate patterns and local/regional level hydrological processes, to develop POT models with covariates. Since precipitation is inherently characterized by strong spatial and temporal variability, the dependence between several large scale climate patterns and the time series of extreme daily precipitation amounts was examined for Southeastern Canada. Two complementary assessment methods, the Rank-based correlation analysis using the Kendall's tau and the wavelet analysis were used to statistically test the relationships between large scale climate indices and precipitation extremes. This preliminary analysis allowed identification of two climate indices that significantly influence the intensity and frequency of extreme precipitation over the study area. These indices are the Arctic Oscillation index (AO) and the Pacific North American index (PNA). Nonstationary FA approach based on the Generalized Pareto Distribution (GPD) was developed by allowing the GPD scale parameter to vary as a function of the AO or PNA index. The B-spline functions were used as semi-parametric link functions to capture both the simple (i.e. linear) and complex (i.e. nonlinear) relationships.
Estimation of extreme precipitation quantiles was carried out using the stationary GPD (by keeping all parameters constant) and different GPD-B-spline models. These models were developed by varying two key parameters of the B-spline functions, i.e. the degree (d) of the polynomial and the number of internal nodes (k). The nonstationary GPD models showed better performance than the stationary GPD model in terms of minimum values of the Akaïke Information Criterion. This feature was observed mainly for the GPD-B-spline model with k=2 and d=1. The GPD-B-spline models were found flexible regardless of the negative or positive phase of the large scale climate patterns. Indeed, both linear and nonlinear responses of extreme precipitation to the AO and PNA indices were detected in Southeastern Canada. This suggests the possibility of exploring further the developed models for estimating various quantiles at the regional scale.
The quantile estimates are generally interpreted in association with the return period concept in practical engineering. The annual average number of POT events must be considered at this end to obtain the GPD based quantiles with a T-years return period. To do so, overdispersion in the frequency of peaks needs to be assessed in order to validate the Poisson process hypothesis. If this prior assumption fails, then the Binomial (B) and Negative Binomial (BN) distributions can be considered instead. For the selected study area, the adequacy of the Poisson distribution (PD) was validated at 90% of the stations by computing the dispersion index and using the Chi-square statistical test. Hence formulation of a combined PD-GPD model and assessment of the effects of non-stationarity in the PD rate parameter on the conditional quantiles were studied.
Only the sample of peaks above a fixed threshold was used to carry out the modeling in order to achieve the first specific objective of the study. This implies that the threshold is fixed a priori with no possibility to further quantify the uncertainty associated with its subjective selection. The second specific purpose of this thesis was to use all available data for an objective estimation of the threshold as an explicit parameter. The so-called "mixture" models were used to achieve this objective, by developing two-component parametric hybrid models. The Gamma and Normal distributions were evaluated separately for fitting the first component, while the GPD was selected to fit the second component on the basis of theoretical grounds. These two components describe respectively the observations below and above the threshold to be estimated, whose location is assumed at the junction point of the two components. The hybrid models Gamma-GPD without continuity constraint (referred to model M1) and with continuity constraint (referred to model M2) of the resulting probability density function at the threshold location, as well as the Normal-GPD model (referred to model M3) with enforced continuity as with model M2, were developed in a Bayesian framework. Comparison of these models with each other and with the classical GPD (i.e. model M0) was performed through a simulation study and by computing the relative bias and relative root mean square error of the quantile estimates. The hybrid GPD models with a Gamma distribution (i.e. models M1 and M2) provided best performance for quantile estimates (low biases) than models M3 and M0.
One of the advantages of using models M1, M2 and M3 is the explicit estimation of the threshold which is included in the hybrid model where all parameters need to be estimated. A case study of models M1, M2 and M3 with a sample of observed daily precipitation amounts, revealed their practical usefulness. Moreover, the quantiles estimated from models M0, M1, M2 and M3 were found comparable.
The mixture modeling approach presented in this thesis with the POT approach allows models which can use the full range of available data to improve the quality of estimations.


identifier: Chiu, Yohann Moanahere  (2017). Approches de modélisation des extrêmes dans l'étude des relations entre la santé et la météo.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 347 p.

type:
Thèse
Non évalué par les pairs

subject:
pics sanitaires
extrêmes météorologiques
théorie des valeurs extrêmes
régression quantile
modèles additifs généralisés
extrêmes multivariés
maladies
cardiovasculaires
sanitary peaks
meteorological extremes
extreme value theory
quantile regression
generalized additive models
multivariate extremes
cardiovascular health

abstract:
L’impact de la météo sur la santé humaine est reconnu et largement étudié. Toutefois, la grande
majorité des travaux qui s’y consacrent font usage de l’ensemble des observations, en se
concentrant sur le caractère global de l’impact qui se résume à travers la moyenne. Cela a pour
effet de ne pas prendre en compte spécifiquement les phénomènes extrêmes tels que les pics
sanitaires. Ces derniers représentent les extrêmes des variables sanitaires et surviennent à une
fréquence rare, avec un impact fort sur le système de la santé publique. Leurs caractéristiques
sont donc très différentes des phénomènes ordinaires. Ils nécessitent par conséquent des outils et
examens spécialisés, ce qu’une modélisation de l’ensemble des observations ne fournit
habituellement pas. De la même façon, les extrêmes météorologiques ne sont pas étudiés
exclusivement en relation avec la santé dans un cadre de modélisation. Cette thèse a ainsi pour
but principal l’étude des valeurs extrêmes dans les relations entre la santé et les conditions
météorologiques à l’aide d’outils statistiques appropriés. En premier lieu, la théorie des valeurs
extrêmes couplée à des modèles de régression non-paramétriques permettent d’étudier en détail
les pics sanitaires ainsi que leurs relations avec la météo (pas nécessairement extrême). Les
distributions extrêmes des pics sanitaires ainsi que les niveaux de retour associés sont en
particulier estimés. Ensuite, la régression quantile offre une vision alternative de ces relations,
grâce à un portrait complet évalué dans l’ensemble des quantiles de la distribution de la variable
sanitaire. Elle met en lumière les impacts hétérogènes que peuvent avoir les variables
météorologiques (pas nécessairement extrême) selon le quantile étudié. Finalement, la
problématique inverse est abordée, celle des extrêmes météorologiques. Ils peuvent survenir dans
un contexte univarié (p. ex. température) ou multivarié (p. ex. température et humidité). Leurs
effets sur la santé sont enfin analysés. Les résultats obtenus dans cette thèse montrent que les modèles contenant l’ensemble des observations et ceux sur les extrêmes (sanitaires ou
météorologiques) sont différents à bien des égards. Il convient donc d’étudier les extrêmes
spécifiquement et d’approfondir les techniques statistiques associées, particulièrement en
régression et dans un contexte de santé publique. Les applications sont effectuées dans les villes
de Montréal et Québec (Canada) sur les maladies cardiovasculaires.

 The influence of meteorological conditions on human health is largely documented. Most of the
studies in this context use all events, summarizing them via the mean. This is necessary in order
to understand global trends and everyday situations. However, the mean measures are not
appropriate to comprehend specific events such as extreme events. For example, extremes of a
health variable (sanitary peaks) very rarely occur but have an important impact on the public
health system. Their characteristics are thus different from those of the mean events. This implies
that sanitary peaks require specialized tools and insights, which are not provided by a modeling
of all the events. Likewise, meteorological extremes are not exclusively examined in relation to
health in terms of modeling. Therefore, this thesis aims at studying extreme events in health and
meteorological conditions relationships using suitable statistical tools. The case studies are
cardiovascular deaths and hospitalizations in Montréal and Québec (Canada). First, the extreme
value theory paired with non-parametric regression techniques allow to study in detail sanitary
peaks and their relationships with meteorological conditions (which are not necessarily extreme).
The sanitary peaks extreme distributions and the associated return levels are fitted. Then, quantile
regression presents an alternative point view of these relationships through a different but more
complete description. Indeed, quantile regression can detect heterogeneities in meteorological
effects on the sanitary variable, depending on the studied quantile. Finally, the inverse problem is
looked at, i.e. the meteorological extremes. They can occur in a univariate (e.g. temperature) or
multivariate (e.g. temperature and humidity) context, therefore a correct identification is needed
before analyzing their impacts on health. The obtained results of this thesis show that models
using all the observations and those using only extreme events (sanitary or meteorological) differ in many ways. Hence, specific studies on extremes and their associated statistical techniques are
required, especially in regression in a public health context.


identifier: Larabi, Samah  (2017). Nouvelles approches de calibration automatique appliquées à un modèle hydrologique conceptuel semi-distribué.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'eau, 264 p.

subject:
analyse de données fonctionnelles
calibration
CEQUEAU
fonction de profondeur
simulation Monte Carlo
Tabu Search
depth function
functional data analysis
Monte Carlo simulation

abstract:
Les modèles hydrologiques sont des outils indispensables et largement utilisés pour la prévision des variables hydrologiques, gestion de réservoirs, prise de décision ou encore pour améliorer la compréhension des processus régissant le cycle hydrologique d’un bassin versant. Ces outils sont des ensembles d’équations mathématiques qui décrivent et représentent de manière relativement simple les processus hydrologiques occurrents dans un bassin versant. Chaque modèle inclut plusieurs paramètres pour décrire l’état du système en question. Certains de ces paramètres sont conceptuels ou indisponibles par mesure directe et nécessitent une estimation à partir de données historiques avant de mettre en place le modèle. Ce processus d’estimation des paramètres est appelé calibration. Cette tâche est complexe et présente beaucoup de difficultés à cause des incertitudes liées à la structure du modèle, aux intrants du modèle et aux données historiques de débits. La calibration du modèle impacte sa fiabilité, sa précision et sa performance à reproduire les mécanismes du système étudié ainsi que ses prédictions des variables hydrologiques. Étant donné ces impacts, il y a une nécessité de définir une stratégie de calibration efficace et performante. C’est dans cet esprit que s’inscrit l’objectif de cette thèse qui consiste à améliorer et proposer de nouvelles approches pour la calibration automatique des modèles hydrologiques. Les méthodes développées sont appliquées au modèle hydrologique conceptuel semi-distribué CEQUEAU et pourraient être appliquées à n’importe quel autre modèle. Trois bassins versants au Canada sont considérés à savoir le bassin du lac St-Jean situé au Québec, la rivière du Nechako en Colombie-Britannique et le ruisseau Catamaran au Nouveau-Brunswick.
Les travaux de recherches menés visent à atteindre cinq objectifs spécifiques reliés à différents axes de la calibration: 1) définir une procédure d’optimisation robuste, 2) définir une mesure de performance fiable incluant toute l’information contenue dans les données historiques, 3) comparer l’efficacité de cette mesure contre celle utilisées dans des stratégies de calibration avancées, 4) définir une stratégie de calibration pour améliorer le réalisme et la fiabilité des estimations des réponses du système (ex. les débits), 5) définir une stratégie de calibration multisite afin d’améliorer la performance du modèle à l’échelle du bassin.
Le premier objectif s’intéresse à la réduction du risque d’équifinalité et l’estimation de paramètres conceptuellement réalistes. Une procédure d’estimation de paramètres combinant des simulations Monte Carlo avec fonctions de profondeur et un algorithme d’optimisation globale appelé ‘Tabu Search’ est proposée. La simulation Monte Carlo est destinée au raffinement de l’espace des paramètres pour trouver la région d’attraction de cet espace. L’utilisation d’une fonction de profondeur avec la simulation Monte Carlo permet un échantillonnage stratégique et restreint dans la région contenant des combinaisons de paramètres performantes. Par conséquent, cette étape fournit un espace optimal qui est exploré davantage par le ‘Tabu Search’ dans le but de trouver un seul optimum global. La procédure permet une réduction importante de l’espace des paramètres en particulier les paramètres sensibles (jusqu’à 90%). L’algorithme d’optimisation globale converge vers des solutions performantes et plus réalistes après optimisation de l’espace. En effet, l’ajustement des paramètres dans l’espace borné selon des valeurs physiquement plausibles de paramètres mène à des jeux de paramètres simulant des comportements hydrologiques irréalistes (par exemple coefficient d’infiltration entre les couches de sols conceptualisés par le modèle fixé à 0 i.e. aucune infiltration) bien qu’ils soient performants (reproduisent adéquatement le débit). La méthodologie a été appliquée avec une validation croisée (‘split sample’) et une validation croisée différentielle (‘Differential split-sample’). Dans les deux cas, le modèle calibré est robuste et performant.
Le deuxième objectif a pour but de définir une méthode de calibration prenant en compte toute l’information sur la variabilité, forme et occurrence des états hydrologiques (étiage, crue, récession, etc.) plutôt que de mettre uniquement l’accent sur la crue printanière. À cet effet, l’analyse de données fonctionnelles (FDA) est intégrée dans le processus de calibration et validation du modèle hydrologique. Cet outil mathématique permet d’analyser des données observées sur un intervalle régulier (espace, temps,..) comme des fonctions continues. Dans notre cas, cet outil permet d’analyser les hydrogrammes comme une seule entité ou observation au lieu de 365 observations journalières. Dans ce contexte, la fonction objectif est une distance entre les hydrogrammes simulés et observés. La procédure de calibration développée lors de la première partie de la thèse est utilisée et deux fonctions objectives adaptées à chaque étape ont été définies. L’utilisation de la FDA fournit la même qualité d’estimation de débits de crue qu’une calibration avec le critère Nash-Sutcliffe Efficiency NSE (ex. NSE= 0.9 en période de calibration et validation au bassin du Lac St-Jean). Toutefois, elle permet d’améliorer l’estimation des débits d’étiage, l’estimation de certaines signatures hydrologiques ainsi que de considérer toute la variabilité de l’hydrogramme. Évaluer la performance du modèle à simuler les signatures hydrologiques qui caractérisent l’écoulement dans le bassin versant (distribution, fréquence et variabilité de débits de crue et d’étiages) permet de détecter la composante du modèle qui pourrait être déficiente.
Le troisième objectif explore une formulation différente de mesure de performance utilisant la FDA et compare l’efficacité de la calibration avec celle-ci avec celle produite en appliquant les autres critères conventionnellement utilisés dans la littérature (calibration avec une seule fonction objectif avec le critère NSE, calibration multiobjective avec le critère Kling Gupta Efficiency (KGE) et calibration en utilisant les signatures hydrologiques). Dans cet objectif, la fonction objectif basée sur la FDA est le ratio entre le volume intégré (aire sous la courbe de l’hydrogramme) annuel simulé et observé. La procédure combinant simulation Monte Carlo et fonction de profondeur développée lors du premier objectif est utilisée pour comparer la performance des jeux de paramètres engendrés par les différentes calibrations considérées. Les résultats montrent que la calibration basée sur la FDA permet une meilleure estimation de l’hydrogramme en entier. Elle permet une meilleure représentation des processus hydrologiques du bassin (i.e. reproduire adéquatement plusieurs ou toutes les signatures hydrologiques considérées) par rapport aux autres méthodes. Les calibrations conventionnelles assurent une bonne performance du modèle pour simuler la crue avec une très faible performance sur les débits d’étiage. Néanmoins, la calibration avec le NSE est la meilleure méthode conventionnelle pour capter l’occurrence et le volume de la crue printanière dans un bassin où la crue est dominée par la fonte de neige. Quelle que soit la méthode de calage, l’incertitude sur la pointe et le volume de la crue printanière est significative.
Le quatrième objectif vise à améliorer la qualité de la calibration du modèle pour mieux reproduire les observations du bassin versant (dans notre cas, les débits) ainsi que de mieux capturer les changements des états internes et processus hydrologiques. La stratégie de calibration développée est une procédure de calibration multicritère par étape et par processus basée sur la procédure de calibration définie lors de la première étape et la FDA. Pour reproduire le volume d’eau observé dans le bassin versant, le modèle a tendance à compenser entre les volumes d’eau provenant de ses différentes composantes simulant les processus internes (ex. fonte de neige, évaporation, apports d’eau souterraine). Pour réduire cet effet de compensation parfois erronée, les composantes du modèle régissant chaque processus hydrologique sont calibrées séparément. L’ajustement de leurs paramètres est fait selon un critère spécifique défini à partir d’une partie de l’hydrogramme qui est directement reliée au processus hydrologique en question. Cette stratégie de calibration a été appliquée uniquement au bassin versant du lac St-Jean où l’on dispose de plusieurs stations hydrométriques. L’estimation de l’hydrogramme en entier (débits de crue et d’étiage) est améliorée avec une valeur de NSE de 0.86 et un biais d’étiage hivernal de 16% comparativement à une calibration classique sur les observations de débits uniquement (NSE de 0.71 et biais d’étiage hivernal de 21%). La validation du modèle sur différentes stations a révélé la bonne performance du modèle sur des sous-bassins ayant des caractéristiques similaires aux stations utilisées pour la calibration avec une valeur de NSE supérieure à 0.7. Globalement, le NSE moyen sur toutes les stations du bassin du lac St-Jean n’ayant pas servi à la calibration est de 0.61.
Le cinquième objectif consiste à améliorer la performance du modèle à une échelle spatiale plus importante que celle d’une seule station, c’est-à-dire à l’échelle du bassin. En effet, le but d’un modèle hydrologique distribué/semi-distribué, contrairement à un modèle global, est de simuler le débit sur n’importe quel point du bassin. Généralement, les modèles hydrologiques sont calibrés à l’aide d’observations de débits à l’exutoire uniquement. Le calage du modèle en un seul point n’est pas une garantie d’un modèle performant à l’échelle d’un grand bassin versant. Dans le cadre de cette thèse, une calibration locale réfère à une calibration à l’échelle d’une station et une calibration globale réfère à une calibration à l’échelle du bassin versant. Deux procédures de calibration multisite sont proposées. La première consiste en une calibration globale du modèle sur toutes les stations simultanément. La deuxième consiste en une calibration locale par station suivie d’une calibration globale en évaluant la performance du modèle sur toutes les stations simultanément. La calibration locale permet d’explorer et analyser la variabilité spatiale des paramètres à l’échelle du bassin. Les paramètres qui présentent une variabilité spatiale négligeable sont fixés à la valeur moyenne des valeurs résultantes du calage local sur les différentes stations hydrométriques. La deuxième étape, calage global, met l’emphase sur les paramètres qui varient le plus à l’échelle du bassin. Les deux procédures sont appliquées avec une validation croisée. L’application des procédures sur deux périodes différentes permet d’explorer la variabilité temporelle des paramètres. Les résultats des calibrations locales et globales montrent que certains paramètres de la fonction de production du modèle CEQUEAU, tel que les hauteurs des réservoirs conceptualisés et le coefficient de vidange basse du réservoir Sol (CVSB), ont une variabilité spatiale et temporelle négligeable sur le bassin versant du lac St-Jean. Ces paramètres peuvent être fixés sans calage global et sans perte de performance. Les paramètres de fonte et les coefficients de vidange : haute du réservoir Nappe (CVNH),haute du réservoir Sol (CVSI) et du réservoir Lac et Marrais (CVMAR) sont variables spatialement et dépendent aussi de la période de calibration. Les deux procédures mènent à des performances globalement similaires (ex NSE de 0.86 à la station de l’exutoire du bassin du Lac St-Jean, NSE de 0.83 à la station ASHA située plus en amont dans le bassin du lac St-Jean). Globalement les travaux de cette thèse proposent une combinaison de méthodes incluant algorithmes, fonctions objectifs et stratégies de calibration qui visent à définir des paramètres d’un modèle réaliste (qui reproduit les processus hydrologiques internes avec des valeurs de paramètres conceptuellement réalistes) et performant dans l’ensemble (autant sur les débits d’étiages que la crue). De plus, les travaux ont permis une exploration de la variabilité des paramètres du modèle CEQUEAU dans le bassin du lac St-Jean où l’on dispose de plusieurs stations hydrométriques et sur lequel le modèle est utilisé pour faire de la prévision opérationnelle.

 Hydrological models are important tools widely used for flow forecasting, reservoir management, or to enhance the knowledge about processes of the hydrological cycle within a watershed. These tools are an ensemble of mathematical equations to describe and represent relatively in a simple way the hydrological processes occurring within a watershed. Each model has multiple of parameters to describe the states of the considered system. Some of these parameters are conceptual and/or unavailable by direct measurement and need to be estimated using historical data before setting up the model. This process of estimating model parameters is called calibration. This task can be complex and difficult because of the uncertainty associated with the model structure, inputs of the model and the historical data. Model calibration impacts the accuracy, the precision and the performance of the model to reproduce the mechanism of the system and its response. Therefore, an efficient and performant calibration strategy must be defined carefully. In this context, the objective of this thesis is to improve and develop novel approaches for automatic calibration. The developed methods are applied to the CEQUEAU conceptual semi-distributed hydrological model and can be applied to any model. Three Canadian watersheds are considered, namely the Lac St-Jean drainage basin located in the province of Québec, Nechako River in British-Columbia and the Catamaran Brook in New-Brunswick.
The objectives of the research work conducted for this thesis are related to different themes, all related to model calibration: 1) defining a robust optimization procedure for parameter estimation, 2) defining a reliable method to asses model performance reflecting all information contained in the historical data, 3) Comparing this method to the conventional methods used with uncertainty analysis, 4) defining a calibration strategy to improve the realism and the reliability of the response system estimation, and 5) defining a multi-site calibration strategy in order to improve the model performance at the basin scale.
The first objective of the thesis is to reduce the equifinalty risk and estimate realistic conceptual model parameters. A procedure combining Monte Carlo simulations coupled with depth functions and a global optimization algorithm called ‘Tabu Search’ is proposed for estimating model parameters. The Monte Carlo simulations aim at refining the parameter space in order to find the attraction region of the space. The use of a depth function with the Monte Carlo simulations allows for a strategic sampling in the region of the space including performing sets of parameters. Consequently, this step defines an optimal parameter space that is explored deeply by the Tabu Search in order to find a global optimum. This procedure considerably reduces the parameter space particularly for the most sensitive parameters (up to 90%). The global optimization algorithm converges to a more realistic and performant solution when the space parameter is optimized first. Adjusting model parameters within a space limited to the range of feasible parameter values, leads to a performant model that does not necessarily simulate a realistic hydrological behaviour of the modelled watershed (e.g. percolation coefficient set to 0 which means there is no infiltration to supply the groundwater). The proposed procedure was applied with split sample and a differential split sample procedure and in both cases the calibrated model is robust and performant.
The second objective of the thesis aims at defining a new performance measure that allows conserving all the information about the variability, form and timing of hydrological states. To do so, functional data analysis (FDA) is integrated within the process of model calibration and validation. This mathematical tool allows analyzing observed data within a framework as continuous functions. In our case, it allows us to analyze the annual hydrograph as a single entity instead of 365 daily observations. In this context, the proposed objective function is a distance between the simulated and observed hydrographs. The calibration procedure defined in the first objective of the thesis is used and two objective functions adapted for each step are defined. Using FDA during calibration yields to similar results on high flows as using the Nash-Sutcliffe efficiency criterion (e.g. similar NSE values, around 0.9 during calibration and validation periods for the Lac St-Jean drainage basin). It improves the simulation of low flows, the simulation of some hydrological signatures and conserves the entire variability of the hydrograph. Evaluating a number of hydrological signatures, i.e. descriptive statistics reflecting different flow regime characteristics to investigate the performance of the calibrated model helps to identify which model component is the source of possible inadequacies in the simulations. These inadequacies are most likely caused by elements such as the poor performance to simulate the hydrological processes (e.g. snowmelt, evapotranspiration) not explicitly or specifically considered at this step. The third objective explores a new definition of a performance measure based on FDA and compares the efficiency of calibration with this measure versus other measures used in conventional calibrations such as using the NSE in a single criterion calibration, using a Kling Gupta Efficiency (KGE) as a multi-objective criterion and using hydrological signatures in a diagnostic approach. The objective function based on FDA is defined as a ratio between the integrated annual observed and simulated volume. The procedure developed in the first part of the thesis that combines Monte Carlo simulations with a depth function is used to compare the performance and the consistency of the parameters sets resulting from the different calibrations approaches. The results show that calibration based on FDA allows a better estimation of the entire hydrograph and can achieve high consistency levels (i.e. finding parameters sets adequately reproducing all hydrological signatures considered). The conventional calibrations showed efficiency and high performance on simulating the spring flood at the expense of low flows. However, the NSE remains the best conventional method to catch the timing and the flood volume in a snow-dominated watershed. The uncertainty analysis shows that, regardless of the calibration method used, the uncertainty is more pronounced during the spring flood than in other periods of the year.
This fourth objective aims at improving the quality of the calibration in terms of reproducing the response of the system and capturing the changes of the internal states and hydrological processes. The proposed calibration strategy is a stepwise multi-criteria and process-based calibration. This strategy uses the calibration procedure defined in the first objective and the performance measures defined are based on the same principle as for the second objective of the thesis. To reproduce the same observed flows, the model tends to compensate between the water volumes coming from the different sources (groundwater flow, interflow, and runoff). To reduce this effect, model components controlling each hydrological process are calibrated separately. For each component, a specific criterion is defined based on the part of the hydrograph directly related to the specific hydrological process. This strategy is applied to calibrate the model only at the Lac St-Jean drainage basin, where different gauging stations are available. The estimation of both low and high flows simultaneously is improved with a NSE value of 0.86 and a winter flow relative bias of 16% compared to a classical strategy using only the observed flows for calibration (NSE is 0.71 and winter flow relative bias is 21%). The validation of the calibrated model at different gauging stations confirms its good performance (NSE value above 0.7) in sub- basins showing similar hydrological characteristics as those of the sub-basin used for calibration. Overall, the mean NSE value at all stations of the Lac St-Jean drainage basin excluded for this third calibration strategy is 0.61.
The purpose of the fifth objective is to improve the performance of the model at a broader basin scale. The aim of any distributed/semi-distributed hydrological model, unlike lumped models, is to simulate the discharge at any point of the modelled watershed. Usually, the models are calibrated against flows observed from only one station. Hence, the calibrated model is performant to reproduce adequately flows at this station but not necessarily at a basin scale. Here, we propose two calibration strategies. By a global calibration, we mean a calibration at a basin scale (i.e. multiple gauging stations) and local calibration implies only one station. The first strategy is a global calibration by adjusting all model parameters at the different stations simultaneously. The second strategy is a local calibration followed by a global calibration. The local calibration aims at exploring the spatial variability of parameters. Only parameters that have high variability are considered for the global calibration. The other parameters are fixed to an average of values obtained at all stations. Both strategies are applied with a split sample test. Calibration of the model using two different data periods allows exploring the temporal variability of the parameters. The results show that only the snow parameters and the drainage coefficients except the Upper-Zone Lower drainage coefficient (CVSB) are spatially and temporally variable. All other parameters were fixed. The overall global calibration is as performant as a local calibration (e.g. NSE value is 0.86 at the outlet of the watershed and NSE is 0.83 at the ASHA station, located further upstream).
Overall the work of this thesis proposes a combination of methods for automatic calibration including algorithms, objective functions and calibration strategies to set a realistic (conceptually realistic parameters and representing the internal states adequately and hydrological processes), performant and reliable model for both low and high flows simulations simultaneously. In addition, the thesis offers an exploration of the CEQUEAU parameters values deemed adequate in the Lac St-Jean drainage basin where different hydrometric stations are available and where the model is used in operational forecasts.


identifier: Hoang, Tuong Duc  (2017). Algorithmes de gestion des ressources radio pour la communication périphérique à périphérique (D2D) dans les réseaux cellulaires sans fil.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications.

subject: Device-to-device (D2D) communication

subject: wireless cellular system

subject: Energy-Efficient Resource Allocation

subject: Joint Mode Selection and Resource Allocation

abstract:
Device-to-device (D2D) communication has been recently proposed as an important technology
for the next-generation wireless cellular system, which promises to significantly improve
the system spectrum-efficiency, and energy-efficiency by exploiting the advantages of
proximity communication. However, many challenges must be resolved to enable efficient
integration of D2D communication into the cellular networks. The overall objective of this
doctoral research is to develop novel and efficient resource allocation algorithms for D2D
communications.
Toward this end, we investigate three key design issues to support the harmonious coexistence
of D2D and existing cellular communications, namely spectrum and energy-efficient
resource allocation for single hop D2D communication, mode selection and resource allocation
for relay-based D2D communication, and joint scheduling and resource allocation for
D2D communication. These designs have resulted in several novel contributions, which can
be summarized as follows.
First, we propose the spectrum-efficient resource allocation design for single hop D2D
communication in the cellular networks, which is presented in Chapter 5. In particular, we
present a resource allocation model which allows dynamic power allocation and subchannel
assignment for both cellular and D2D links. It is then demonstrated that the proposed algorithm
can improve the system spectrum-efficiency significantly in comparison with existing
D2D resource allocation algorithms.
Second, we develop a general energy-efficient resource allocation framework for single hop
D2D communication in cellular networks which targets to maximize the minimum weighted
energy-efficiency (EE) of D2D links while maintaining the minimum required data rates of
the cellular links. The research outcomes of this study are presented in Chapter 6. Particularly,
we propose a low-complexity power control and subchannel allocation algorithm, which
can approach the optimal solution of the underlying resource allocation problem. We also
present the distributed implementation for the proposed algorithm, which helps reduce the
computation burden for the BS.
Third, we study the resource allocation problem for relay-based D2D communications,
which is covered in Chapter 7. The proposed design allows D2D links to dynamically choose
either the direct or relay mode. We then propose an efficient mode selection and resource allocation
algorithm which optimizes the system spectrum-efficiency. We show that the proposed
algorithm can dramatically outperform the conventional resource allocation schemes. Finally, we consider the joint scheduling and resource allocation design for D2D communication
in the cellular networks, which is described in Chapter 8. The proposed design
framework allows to dynamically select the set of scheduled D2D links and optimize the system
spectrum-efficiency. Toward this end, we develop a monotonic-based algorithm which
asymptotically achieves the optimal solution. We then propose a low-complexity algorithm,
which can perform much better than the conventional ones and approach the optimal solution.


identifier: Hannachi, Chaouki  (2017). Conception de nouveaux composants en technologie hybride pour les communications à haut débit en bande millimétrique.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en télécommunications, 126 p.

subject: Communications à haut débit en bandes millimétriques

subject: bandes 60 GHz

subject: technologie  MHMIC

subject: substrat céramique ultra-mince

abstract:
L’objectif des travaux de recherche présentés dans cette thèse est de contribuer significativement au développement et à la conception, de nouveaux circuits opérant en ondes millimétrique autour de la bande de 60 GHz, en adoptant la technologie MHMIC sur substrat céramique ultra-mince. Ces circuits, incluant le réflectomètre six-port (RSP), le détecteur de puissance basé sur la diode de type Schottky (HSCH-9161), le réseau d'antenne micro ruban de 16 éléments, ainsi que la transition microstrip à guide onde (MS-WR12) sont utilisés dans l’architecture du prototype final de la frontale radiofréquence millimétrique, destinée aux communications sans fil à haute débit.
La conception des circuits millimétriques mentionnés précédemment a été effectuée à l’aide des simulateurs électromagnétiques (full-wave simulator), ADS (Advanced Design Systems software of Keysight Technologies) pour les structures planaires et HFSS (High Frequency Structure Simulator of Ansoft Corporation) pour les structures 3D.
Tout les composant fabriqués ont été completement caractérisés et ont fait l'objet d'une publication dans des journaux sientifiques validés par un comité de lecture. Donc, il s'agit d'un rapport de these basé sur les articles produits durant les différentes étapes du parcours de recherche, où chaque publication présente une partie du travail réalisé sous la forme d'un chapitre, à l'exception du dernier chapitre qui sera consacré à l'exposition des résultats de la caractérisation de la frontale radiofréquence proposée dans le cadre de ce projet.


identifier: Hajlaoui, Thameur  (2017). Synthèse et étude des couches minces composites multiferroïques à base des bronzes de tungstène quadratiques.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux.

subject:
couches minces
composites multiferroïques
bronzes de tungstène quadratiques
multiferroïques
matériaux ferroïques monophasés
Ba2LnFeNb4O15

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.En permettant la coexistence de plusieurs propriétés ferroïques (ferroélectriques, ferromagnétiques, ferroélastiques, etc.) dans le même matériau, les multiferroïques pourraient se révéler extrêmement prometteurs pour améliorer des dispositifs existants tant au niveau de leur performance, au niveau de leur intégrabilité qu’au niveau de leur consommation d’énergie. En particulier, les multiferroïques composites permettent de diversifier les systèmes étudiés en offrant la possibilité de combiner les propriétés fonctionnelles des meilleurs matériaux ferroïques monophasés connus ainsi que d’avoir des couplages plus importants que ceux d’un matériau multiferroïque monophasé entre les différentes composantes ferroïques individuelles constituant le matériau composite. Le développement des couches minces possédants de bonnes propriétés fonctionnelles à température ambiante présente un défi majeur, mais est central pour la réalisation de nouveaux dispositifs microélectroniques et photoniques intégrés, utilisant les propriétés de matériaux multiferroïques.
C’est dans ce contexte que nous avons décidé de synthétiser et d’étudier des couches minces composites qui possèdent des propriétés multiferroïques à température ambiante, et c’est cet objectif qui nous a guidés durant cette thèse. D’un autre côté, de nouveaux matériaux céramiques ayant la structure des bronzes de tungstène quadratiques de formulation Ba2LnFeNb4O15 (TTB-Ln : Ln = Sm3+, Eu3+, Nd3+ ...) ont été synthétisés récemment et se sont révélés être des composites multiferroïques à température ambiante. C’est dans un article qui date de 2009 que Josse et al ont montré que l’hexaferrite de baryum (BaFe12O19 : BaFO) – un composé magnétique – se forme spontanément pendant la synthèse des céramiques ferroélectriques TTB-Ln, donnant naissance à des céramiques composites qui possèdent donc des propriétés multiferroïques à température ambiante [1]. Il a été montré aussi que la nature de l’ion lanthanide (Ln) occupant les sites carrés de la structure TTB est le paramètre cristallochimique le plus important permettant de contrôler à la fois la nature ferroélectrique et la formation de la phase magnétique dans les composites TTB-Ln/BaFO.
L’objectif de cette thèse est de synthétiser des couches minces par ablation laser pulsé (PLD) en utilisant ces céramiques composites de TTB-Ln/BaFO comme cibles et de tester si ces couches minces se comportent ou non (de point de vue de leurs propriétés physiques) de la même manière que les céramiques composites de composition chimique similaire. Ensuite, nous optimisons les paramètres expérimentaux (conditions de dépôt, composition chimique, qualité des couches etc.) afin d’améliorer les propriétés multiferroïques des couches obtenues. La PLD a été choisie pour déposer les couches minces en raison de sa capacité à préserver la stoechiométrie de matériaux complexes (pérovskites, hexaferrite, TTB, etc.).
La thèse est organisée de la manière suivante : dans un premier temps les principales étapes de synthèse des céramiques TTB-Ln ainsi que leurs propriétés structurales et multiferroïques sont discutées. Les meilleures céramiques (densité ≥ 90 %, bonnes propriétés multiferroïques) ont été ensuite utilisées comme cibles lors du dépôt par PLD. En raison des propriétés multiferroïques importantes des céramiques composites TTB-Eu/BaFO, nous avons commencé par les utiliser pour synthétiser des couches minces multiferroïques à base des structures TTB-Eu. L’optimisation des conditions de dépôt nous a permis de synthétiser des couches minces TTB-Eu épitaxiées sur des substrats SrTiO3(100) dopés au niobium (NSTO(100)). Ensuite, nous avons montré que les couches épitaxiées TTB-Eu sont sous contraintes compressives dans le plan, contraintes qui sont dues à un désaccord de maille positif, estimé à environ + 0,826 %, par rapport à la structure du substrat. Des études structurales approfondies nous ont aussi permis de déterminer les différentes relations d’épitaxie et de montrer que la maille quadratique des couches minces est tournée dans le plan du substrat d’un angle de ±18° par rapport à la structure cubique de celui-ci. La bonne microstructure (rugosité faible, surface homogène, etc.) nous a permis de bien caractériser les propriétés ferroélectriques de ces couches. En effet, nous avons montré que les propriétés ferroélectriques mesurées macroscopiquement à température ambiante sont conservées à l’échelle nanométrique en utilisant la microscopie à force piézoélectrique. En plus, nous avons montré – en caractérisant les propriétés magnétiques des couches – la formation des particules nanométriques de BaFO noyées dans la phase ferroélectrique TTB-Eu, démontrant la nature multiferroïque des couches minces composites épitaxiées synthétisées.
Les résultats obtenus en étudiant les couches minces synthétisées sur des substrats NSTO(100) nous ont encouragé à étudier aussi des couches déposées sur des substrats à base de silicium (Si(100)), pertinents pour les domaines d’application évoqués ci-haut, en particulier l’utilisation de ces couches dans des dispositifs intégrés. Les substrats Si(100) utilisés ont été recouverts d’une fine couche de platine (Pt) qui a été utilisée plus tard comme électrode inférieure pour les mesures ferroélectriques et électromécaniques microscopiques. L’optimisation des conditions de croissance sur ces substrats (Pt/Si(100)) a permis la synthèse des couches hautement orientées parallèlement à l’axe c de la structure quadratique TTB-Eu. En étudiant – microscopiquement et macroscopiquement – les propriétés ferroélectriques de ces couches, nous avons montré que leurs propriétés sont bien meilleures comparées à celles des couches minces synthétisées sur des substrats NSTO, ainsi que par rapport aux céramiques de composition chimique similaire. En outre, nous avons montré une bonne endurance des propriétés ferroélectriques de ces couches, avec une polarisation rémanente qui ne diminue que d’environ 30 % de sa valeur initiale après 109 cycles. Malgré l’amélioration encourageante des propriétés ferroélectriques, ces couches sont toujours caractérisées par des propriétés magnétiques relativement faibles. Néanmoins, la présence même des propriétés magnétiques dans ces couches est une solide confirmation de la nature composite de celles-ci, ainsi que de l’existence de leurs propriétés multiferroïques.
La deuxième étape de notre travail consiste à étudier les propriétés structurales et fonctionnelles des couches minces TTB-Ln en fonction de la nature de l’ion lanthanide pour Ln = Nd3+, Sm3+ et Eu3+. Ce choix est justifié par : – la volonté d’élargir l’étude afin de couvrir d’autres TTB niobates ainsi que – de tester l’effet de l’ion lanthanide (la composition chimique) sur les propriétés des couches minces. L’étude structurale de ces couches a montré une croissance orientée parallèlement à l’axe c de la phase principale TTB-Ln dans des conditions de synthèse très similaires (optimales). En plus, cette étude a révélé la présence dans tous les cas d’une quantité faible d’hexaferrite de baryum, attestant la nature multiferroïque de ces couches minces. Nous avons déterminé qu’à la fois les propriétés structurales et les propriétés ferroélectriques ainsi que les propriétés magnétiques sont toutes dépendantes de la nature de l’ion lanthanide. Similairement à ce qui a été déterminé pour les céramiques, nous avons pu expliquer les tendances de la variation des propriétés fonctionnelles en fonction de la nature de l’ion lanthanide par les distorsions qui affectent le réseau cristallographique de la structure TTB-Ln en raison de l’accommodation partielle des ions Ln dans les sites carrés de cette structure. Les meilleures propriétés ferroélectriques ont été obtenues dans des couches minces TTB-Nd qui possèdent la polarisation spontanée la plus importante par rapport aux couches minces contenant d’autres types d’ions lanthanides. Notamment, les couches minces TTB-Nd sont caractérisées par des propriétés ferroélectriques robustes, qui ne sont que peu affectées par la fatigue ferroélectrique. Nous avons testé ensuite l’effet de la pression d’oxygène dans la chambre de dépôt sur ces propriétés. En ce qui concerne la croissance, nous avons obtenu des couches hautement orientées selon l’axe c à pression d’oxygène de 1 mTorr et des couches polyorientées à pressions d’oxygène plus élevées (nous avons utilisé 10 mTorr comme exemple). Tandis que les couches déposées à 1 mTorr (hautement orientées) possèdent la polarisation ferroélectrique la plus importante, les couches déposées à pression d’oxygène de 10 mTorr (polyorientées) possèdent les propriétés ferroélectriques les plus résistantes à la fatigue ferroélectrique avec une polarisation macroscopique qui ne diminue que d’approximativement 8 % et de 12 % de sa valeur initiale respectivement après 106 et 108 cycles ferroélectriques successifs, mettant en évidence une exceptionnelle endurance ferroélectrique. Nous avons expliqué cette endurance importante de la ferroélectricité par la présence d’une concentration plus réduite de défauts d’oxygène dans les couches déposées à pression d’oxygène plus importante, attestant l’importance de ce paramètre de dépôt sur l’amélioration des propriétés fonctionnelles, même si cela se produit au dépens de l’orientation cristalline.
Cette thèse a permis la synthèse de nouvelles couches minces composites multiferroïques à température ambiante. Elle a permis également de comprendre la physique qui gouverne les propriétés fonctionnelles de ces couches ainsi que de déterminer les paramètres expérimentaux assurant l’amélioration et potentiellement le contrôle de ces propriétés. D’autre part, notre étude a ouvert la porte à de nombreuses perspectives prometteuses, tant au niveau scientifique qu’au niveau de l’amélioration technologique où nos couches minces peuvent être utilisées dans des dispositifs intégrés pouvant bénéficier de l’utilisation des propriétés multiferroïques ou magnétoélectriques et qui peuvent fonctionner à température ambiante, ce qui n’est pas toujours possible pour des couches minces d’autres composées multiferroïques.


identifier: Brunet, Paul  (2017). Procédé de dépôt de couches minces nanocomposites par Décharge à Barrière Diélectrique : De l’aérosol d’une suspension colloïdale à la morphologie du dépôt.  Thèse.  Québec - Perpignan, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique - Université de Perpignan, Via Domitia, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux.

subject: dépôts

subject: couches minces nanocomposites

subject: décharges contrôlées par barrières diélectriques (DBD)

subject: NPS

subject: Dielectric Barrier

subject: Discharge


identifier: Bedoya Jaramillo, Stefany  (2017). Acoustic and prosodic analysis of pre-verbal vocalizations of 18-month old toddlers with autism spectrum disorder.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en télécommunications, 110 p.

subject:
autism spectrum disorder
diagnosis
prosody
wavelets
speech modulation spectrum

abstract:
Autism Spectrum Disorder (ASD) covers a wide spectrum of symptoms with the main
ones relating to problems with social communication and interaction. Definite ASD
diagnosis is based on the presence of certain symptoms and their severity levels and,
according to current standards, occurs typically at 36 months of age. Recent statistics
show that about 1 in 68 children are diagnosed with autism and there is a recurrence
rate of 18.7% for the biological siblings of autistic individuals. As such, early detection
is critical, as it may allow for intense therapy to be initiated, thus tapping into a
young brain’s plasticity properties and increasing odds of success. Today, researchers
and clinicians have joined efforts to understand and identify new markers of the disorders,
thus allowing for early diagnosis, ideally around 18 months of age. To this end,
acoustic analysis of toddler vocalizations has emerged as a promising area, even for
pre-verbal children. Prosodic and acoustic disorders have been reported for babble and
speech-like vocalizations. As such, pitch, energy and voice quality related features have
been explored for early ASD diagnosis. In this work, we build upon these findings and
propose the use of wavelet-based and speech modulation spectral features for ASD diagnosis
based not only on speech-like verbalizations, but also on cries, laughs, and other
sounds made by the toddlers. We show that the proposed features are complementary
to existing ones and, on a cohort of forty-three 18-month old toddlers, a support vector
machine classifier was capable of correctly discriminating the ASD group from the
typically-developing toddlers with accuracies above 80%, thus outperforming existing
methods. More importantly, we show that with these new features, vocalizations such
as cries, squeals, whines and shouts showed to be more discriminative than babble and
speech-like vocalizations. It is hoped that these findings will lead to more accurate
early diagnosis of ASD symptoms.


identifier: Fareed, Muhammad Ashiq  (2017). Role of Atomic and Molecular Resonances in High-order Harmonic Generation from Laser-ablated Plumes.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 118 p.

subject:
Atomic and Molecular Resonance
High-order harmonic generation (HHG)
Laser-ablated Plumes
natural resonances
Tin
manganese
diatomic carbon
propagation effects

abstract:
La transcription des symboles et des caractères spéciaux utilisés dans la version originale de
ce résumé n’a pas été possible en raison de limitations techniques. La version correcte de ce
résumé peut être lue en PDF.High-order harmonic generation (HHG) process is explained with the so-called three-step model, where the valance electron is tunnel ionized, accelerates and photorecombines with the parent ion. In this model, it is assumed that electron’s motion is not perturbed from the atomic and molecular resonances. However, several experiments have shown that in the HHG process, the electron quantum path is perturbed from the atomic and molecular resonances that change the high-order harmonic properties. As the natural resonances are of different types (e.g., autoionizing, Giant resonance), their response for HHG is also observed differently. Several theoretical models have been proposed to explain the HHG mechanism from these resonances, but, in many cases of HHG from laser-ablated plumes (LAP), the information of the exact quantum path that the electron follows in the vicinity of these resonances was uncertain because of the lack of experimental proofs.
In this thesis, we use different elements containing different types of resonances and study their role in HHG. Tin, manganese and diatomic carbon are used as nonlinear media, as these elements contain strong resonance at different energies. The resonance of tin exists at energy ~ 26.35 eV, which appears from the autoionizing state (AIS) lying above the ionization threshold. Manganese contains an inner-shell giant resonance at energy ~ 51 eV that appears mainly from 3p-3d transitions. The resonance from diatomic carbon molecules could come from molecular dissociation, or involve an AIS or bound excited state.
In the first step, tin is used as a nonlinear medium for HHG to study electron interaction with the autoionizing 4d105s25p state. This AIS perturbs the HHG process and increases the intensity of a single harmonic, called the resonant harmonic (RH), at energy ~26.35 eV. The RH intensity is observed to be about 20 times higher than the intensity of neighboring harmonics generated with the conventional three-step process, when driven with 0.8 μm lasers. The physics involved behind this RH generation was unknown. We investigate electron dynamics in the vicinity of AIS with tunable long-wavelength laser pulses and explain the exact mechanism involved in RH generation. Further, in past, it was assumed that during RH generation, the continuum electron is perturbed by the AIS only. However, we have found for the first time that when continuum electron accelerates in the vicinity of the AIS, this electron is actually perturbed from three states; the AIS and its two dressed states of Sn+ lying at frequency ±2Ω (where Ω is the frequency of the driving laser). The perturbation from the dressed AIS appears in the form of two satellite harmonics generated at frequency ±2Ω around the RH. The contribution of dressed AIS in satellite harmonic generation is further confirmed by solving the time-dependent Schrödinger equation (TDSE).
In the second step, manganese is used as a nonlinear medium for HHG. It is well known that from manganese two high-order harmonic series are generated. The first high-order harmonic series consists of harmonics up to 48 eV. After that, the second harmonic series (SHS) starts around 51 eV and high-order harmonics up to very high energy (~156 eV) are generated, with driving laser of 0.8 μm wavelength. The physical phenomenon of this SHS generation was circumstantial and lacked experimental proof. We used different experimental schemes to investigate the physical phenomenon involved and found that the inner-shell 3p-3d transitions of Mn+ contribute to SHS generation. These results provide the routes to use inner-shell electrons for HHG and generate harmonics up to very high energy, with elements having low ionization potential (e.g., IpMn+=15.64 eV) and also to study the multi-electron dynamics in atomic media, as at least two electrons (inner-shell and valance electron) contribute in HHG.
Finally, we study high-order harmonics from laser-ablated graphite plume. We observed that intensity of carbon harmonics is surprisingly high, and that these harmonics contain a strong redshift. However, the physics behind these properties was unknown. In graphite ablation, different types of carbon species can be ablated with the laser-matter interaction, and because of this, the active species responsible for HHG from laser-ablated graphite plume was unsure. Therefore, first we used time-resolved plasma emission spectroscopy to check the species contributing to HHG. From the spectroscopic results, it is revealed that laser-ablated graphite plume contains an abundance of diatomic carbon molecules. The contribution of these diatomic molecules to HHG is studied by comparing the harmonic spectra with their photoionization cross-section (PICS). A good agreement is found between the PICS of C2 with the high-order harmonic spectrum. The spectroscopic results confirm that in laser-ablated graphite plume, high-order harmonics are generated from C2, and harmonic yield is high because of the large PICS of C2 in the XUV region. For the redshift, recent theoretical models predict that this redshift could appear because of two reasons. It could be either due to the involvement of the resonant excited states or molecular dissociation might be involved in HHG. We perform different experiments and investigate the exact physical reason involved behind this redshift.


identifier: Richardson, Harriet  (1996). Risk Factors for Cervical HPV Infection in Montreal University Students  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en virologie et immunologie, 184 p.

abstract:
Les études épidémiologiques effectuées au cours des trente dernières années ont
invariablement démontré que les marqueurs d'activité sexuelle étaient les principaux
déterminants du risque de cancer du col de l'utérus, suggérant ainsi qu'un agent microbien
transmissible sexuellement pourrait causer ce type de cancer [zur Hausen, 1976 #191]. Les
données biologiques et épidémiologiques accumulées montrent de façon convaincante que
1' infection du col utérin par certains types de HPV est un événement précurseur dans la
genèse des néoplasmes cervicaux [zur Hausen, 1991 #50; Schiffman, 1993 #94; Mufioz,
1992 #146; Franco, 1995 #260]. Par conséquent, l'activité sexuelle devrait pouvoir prédire
encore plus effectivement les infections par le HPV, étant donné le rôle étiologique
démontré du HPV dans la genèse du cancer du col utérin. Ceci n'a pas toujours été facile à démontrer, principalement à cause de techniques de
laboratoire insuffisamment sensibles ou spécifiques pour la détection des infections latentes
au HPV qui sont présentes dans la population générale. Avec l'avènement du PCR et de
l'union interdisciplinaire de la biologie moléculaire et de l'épidémiologie, un certain nombre
d'études récentes d'épidémiologie moléculaire utilisant le PCR pour la détection du virus
ont révélé que l'infection du col utérin par le HPV était transmise sexuellement [Ley, 1991
#9; Bauer, 1993 #162] Cependant, ces résultats n'ont pas été reproduits uniformément par
toutes les études utilisant le PCR réalisées dans des populations différentes. Selon les
études, l'association entre l'activité sexuelle et la prévalence du HPV peut être forte [Ley,
1991 #9; Bauer, 1993 #162], modérée [Franco, 1995 #260; Wheeler, 1993 #8] , faible
[Rohan, 1991 #7; Hildesheim, 1993 #262] ou même absente [Kjaer, 1993 #144]. De
nouvelles données suggèrent une explication de cette disparité des observations
épidémiologiques : la répartition entre divers types de HPV ayant une transmissibilité
sexuelle inégale varierait d'une population à une autre [Franco, 1995 #260]. Le risque relié à l'infection au HPV semble être influencé de façon indépendante par des facteurs tel que la
parité, l'usage de contraceptifs oraux et le tabagisme [Bauer, 1993 #162]. Toutefois, le
principal déterminant du risque d'infection au HPV est l'âge, la plupart des études ayant
rapporté une forte diminution de la prévalence chez les femmes âgées de plus de trente ans
[Bauer, 1993 #162; Wheeler, 1993 #8]. Le présent travail visait à estimer le taux de prévalence des infections au HPV du col
utérin chez des étudiantes universitaires de Montréal et à identifier les facteurs de risque
d'infection au HPV généraux, ainsi que les facteurs de risque propores aux infections à
faible risque oncogène et des infections à risque oncogène élevé. Cette recherche consistait
en une étude épidémiologique transversale d'étudiantes consultant la clinique médicale de
l'université McGill. Des cellules endocervicales et ectocervicales ont été prélevées par
frottis vaginal chez des femmes asymptomatiques se présentant à la clinique pour un
prélèvement vaginal ou « test de Pap » de routine. La clinique nous a fourni les résultats
cytologiques. Nous avons obtenu les données épidémiologiques à partir d'un questionnaire
auto-administré portant sur l'âge, le statut socio-économique, le niveau de scolarité, l'usage
du tabac, les habitudes sexuelles, l'usage de contraceptifs, les antécédents médicaux et
l'hygiène personnelle des participantes. Les échantillons étaient d'abord amplifiés par PCR à l'aide de la paue d'amorce
GH20/PC04. Cette amplification visait une région de 268 paires de bases du gène de la
b-globine, qui servait d'étalon interne dans le but d'assurer une quantité et qualité adéquates
d'ADN. La présence de l'ADN du HPV était également détectée par amplification au PCR
en utilisant les amorces consensus MY09/MY Il, ces amorces s'hybridant à un fragment
d'ADN de 450 paires de bases dans la région Ll du génome viral [Ley, 1991 #9]. Les
produits d'amplification, après un transfert de type Southern, étaient hybridés à une sonde
générique pour déterminer la prévalence globale du HPV. Les échantillons positifs étaient ensuite déposés sur une membrane de nylon et hybridés avec des sondes types spécifiques
pour identifier les différents types de HPV. Les ADN viraux identifiables par
électrophorèse mais ne réagissant pas avec la sonde générique ont été clonés et séquencés. Des 489 femmes participant à l'étude, 411 (84%) ont complété et retourné le questionnaire.
Les échantillons cellulaires de 40 (8,2%) de ces femmes n'ont pu être amplifiés pour la bglobine.
Des infections au HPV à un ou plusieurs types ont été détectées chez 98 femmes
(21 ,8%). Parmi ces femmes infectées, 6,2% avaient un HPV à faible risque oncogène,
11 ,8% avaient un HPV à risque oncogène élevé, 7,1% avaient un HPV de type indéterminé
et 2,7% avaient une infection mixte. Les types de HPV les plus prévalents étaient les types
indéterminés (7,1 %), le HPV-16 (4,7%), le HPV-51 (2,2%), le PAP-155 (2,0%), le HPV-66
(1,6%), les HPV-6,11,31,33,et 58 {1,1% chacun), le HPV-18 (0,9%), le HPV-53 (0,9%), le
HPV-56 (0,4%) et les HPV-35,68,W13B et 238A (0,2% chacun). Les résultats de
cytologie ont révélé que 55 des 449 femmes éligibles {12,2%) présentaient des «test de
Pap >>anormaux. Parmi celles-ci, 37 (67,3%) avaient des cellules squameuses atypiques de
signification indéterminée ("ASCUS") et 18 (32,7%) avaient de faibles ou de fortes lésions
squameuses intraépithéliales (SIL). Les différences brutes de prévalence du HPV par catégorie d'exposition ont été évaluées
par le test du chi-carré de Pearson. Les rapports de cotes ou "odds ratios" (OR) bruts et
ajustés pour l'âge ont été calculés pour estimer le risque d'infection au HPV selon les
groupes démographiques et les habitudes de comportement. Les types de HPV ont été
regroupés selon leur potentiel oncogène. Le OR a été utilisé pour quantifier le degré
d'association entre l'exposition et chacune des différentes variables. Suivant des critères de
sélection prédéterminés précis, les variables identifiées comme facteurs de risque et
variables confondantes potentiels dans les analyses univariées ont été intégrées à un modèle
de régression logistique multivariée. Des modèles multivariés ont été élaborés pour les infections globales, et séparément pour les infections au HPV à faible risque oncogène et à
risque élevé. Les résultats cytologiques constituaient la variable dépendante, tandis que
l'infection au HPV constituait la variable prédictive de résultats cytologiques anormaux
après ajustement pour l'âge et pour différents indicateurs d'activité sexuelle. L'association entre l'infection au HPV et les anomalies cytologiques était statistiquement
significative, que ce soit pour les infections à risque oncogène élevé ou à risque faible.
Cependant, l'infection au HPV prédisait mieux les lésions SIL (OR=IO) que la présence de
cellules ASCUS (0R=2.5). De plus, le risque de présenter une anomalie cytologique
ASCUS ou SIL ne variait pas de façon tangible en fonction du type de HPV. Les analyses multivariées ont montré que l'association entre le profil d'activité sexuelle et
le risque d'infection au HPV était modifiée selon que le risque cancérogène de l'infection
était faible ou élevé. Le risque d'infection au HPV était associé avec le degré d'activité
sexuelle -la fréquence des rapports sexuels et le nombre total de partenaires de sexe oral
dans le passé- si le risque oncogène était élevé. Par contre, le risque d 'infection au HPV
ne variait pas en fonction de l'activité sexuelle lorsque le risque oncogène était faible. En
outre, tandis que l'usage du condom semblait prévenir les infections à risque oncogène
élevé, il était au contraire associé avec le risque d'infection au HPV à faible risque
oncogène. Enfin, le lavage des parties génitales après les rapports sexuels semblait
prévenir les infections au HPV à faible risque oncogène. Nos résultats suggèrent que les facteurs épidémiologiques de transmission des infections
au HPV différent selon que le type d'infection est à risque oncogène élevé ou à faible
risque oncogène. À la lumière de ces résultats, nous avançons une hypothèse suivant
laquelle les types de HPV comportant un plus faible risque oncogène seraient moins
mucosotropiques et que, par conséquent, leur transmission se ferait davantage par d'autres
voies que par l'activité sexuelle.

 The objectives of this study were to estimate the point prevalence of cervical HPV
infection in asymptomatic women and to identify risk factors for overall HPV infection and
HPV infection by type. The study was a cross sectional survey at the McGill university
student health clinic. Endocervical and ectocervical cell scrapings were collected from
students presenting themselves at the clinic for a routine pap smear. Cytology results from
the clinic were provided and epidemiological data on potential risk factors including sexual
behaviour was obtained from a detailed, self-administered questionnaire. The presence of
HPV DNA was detected in specimens by polymerase chain reaction (PCR) using consensus
primers (MY09/MY Il) targe ting a 450 base pair segment in the L 1 gene. Amplified
products were hybridized with generic and type-specifie probes using Southern blot and dot
blot techniques, respectively, to determine overall HPV prevalence and HPV prevalence by
type. A total of 489 women agreed to participate in the study, of which 375 were eligible for
final analysis. Overall cervical HPV prevalence was 21.8%. Among those women infected
with HPV, 6.2% bad a low-risk HPV infection, 11.8% had a high-risk HPV infection, 7.1%
had an unknown HPV type infection and 2.7% had a multiple type infection. Two profiles emerged for sexual activity and risk of HPV infection according to oncogenic
risk after multivariate analysis. Sexual activity (frequency of sex and lifetime number of
oral sex partners) was associated with high oncogenic-risk HPV infections. However, HPV
infection with low oncogenic-risk types were mostly invariant with respect to markers of
sexual activity, suggesting that there may be differences in epidemiological correlates of
transmission between low-risk and high-risk HPV types on the basis of their oncogenicity.
In view of our findings, we suggest that low oncogenic-risk HPV types may be less
mucosotropic and therefore be transmitted by modes other than sexual activity.


identifier: Mezgheni, Emna  (1996). Production de polymère pour emballage biodégradable à base de caséinate de calcium: influence de l'irradiation Gamma, d'agents plastifiants et du calcium.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en microbiologie appliquée, 172 p.

abstract:
Les emballages constituent un problème environnemental grandissant
particulièrement dans les sociétés de consommation. Les contraintes imposées par
la gestion et le devenir des déchets d'emballages ont réactivé l'intérêt pour les
matériaux biodégradables. Certaines recherches ont permis de développer
quelques polymères biodégradables à base de protéines, de lipides et/ou de
polysaccharides. La caséine du lait est une protéine abondante, à un prix
compétitif par rapport aux films en plastique qui offie certaines caractéristiques
prometteuses pour de nouveaux débouchés non conventionnels. Le premier volet de cette recherche porte sur l'élaboration d'un polymère
protéique à base de caséine du lait en utilisant 1' irradiation gamma comme moyen
de réticulation. Les propriétés physico-chimiques recherchées du pol)'mère que
sont la résistance et l'élasticité ont été optimisées par l'incorporation d'agents
plastifiants tels que le propylène glycol et le triéthylène glycol ainsi que du
chlorure de calcium. Les réactions de réticulation ont été évaluées par le dosage
du taux de foiUlation de bityrosine, la mesure de la viscoélasticité des films ainsi
que la mesure de la force de rupture des films et des gels. Le second volet consiste à vérifier la biodégradabilité des polymères ainsi
élaborés par l'attaque de Pseudomonas aeruginosa, une bactérie abondante dans
l'environnement. Nous avons pu observer une croissance bactérienne significative
en présence du polymère comme seule source de carbone pour la bactérie. Ces
résultats ont été doublement confinnés, d'une part par le suivi régulier du dosage
de l'azote soluble et, d'autre part, par l'évolution du nombre de liens peptidiques
solubilisés dans le milieu par les bactéries. Le polymère élaboré dans ce projet offre une alternative écologique,
simple, accessible et abordable qui pourrait substituer le plastique, largement
utilisé dans les emballages, notamment pour les produits alimentaires.


identifier: Lamarre, Alain  (1996). Caractérisation de la réponse immunitaire protectrice contre l'inflection corona virale à l'aide de fragments d'anticorps et du réseau idiotypique.  Thèse.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en virologie et immunologie, 209 p.

abstract:
Le virus de l'hépatite murine (MHV) est un membre de la famille des
Coronaviridae qui cause, chez la souris, une infection du système nerveux
central présentant des lésions semblables à celles rencontrées dans la
sclérose en plaques chez l'être humain. Le MHV est utilisé dans notre
laboratoire comme modèle animal de maladies neurologiques ayant une
étiologie virale. Les mécanismes de protection contre l'infection par le MHV
restent à ce jour mal connus, mais les anticorps y jouent probablement un rôle
majeur. Dans le but de mieux définir les mécanismes impliqués dans la
protection de la souris contre le MHV, nous avons testé la capacité protectrice
des fragments d'un anticorps monoclonal (AcMo) spécifique à la protéine de
surface (S) des coronavirus, et évalué le potentiel vaccinal d'anticorps antiidiotypiques.
Tout d'abord, les fragments F(ab')2 et Fab de I'AcMo 7-10A ont
été obtenus par digestion enzymatique à la pepsine ou à la papaïne. Nous
avons constaté par ELISA et par résonance plasmonique de surface, que les
fragments de l'anticorps 7-1 OA ont gardé la capacité de lier les antigènes
viraux et les anticorps anti-idiotypiques. De plus, les deux fragments ont
conservé la propriété qu'a l'anticorps complet de neutraliser l'infection virale,
mais toutefois, à un degré moindre. En effet, la quantité de fragments Fab
nécessaire pour neutraliser 50% de l'inoculum viral est 65 fois supérieure à
celle requise pour l'anticorps complet. De façon similaire, les fragments ont
conservé les propriétés protectrices de l'anticorps parental mais, encore une
fois, de façon réduite. Parallèlement, un anticorps à chaîne unique (scFv)
constitué des régions variables des chaînes lourdes et légères de l'anticorps
7-10A a été construit et exprimé chez Escherichia coli. Tout comme les fragments de 7-10A obtenus par digestion enzymatique, le scFv a conservé la
propriété de lier l'antigène viral, et avait même de plus grandes capacités
d'inhibition de l'attachement de l'anticorps complet et de neutralisation, que
les fragments Fab, suggérant une plus grande affinité. Cependant,
contrairement au fragment Fab, le scFv n'a pu induire une protection
significative des souris contre l'infection coronavirale, probablement à la suite
d'une dégradation in vivo plus rapide. Dans l'ensemble, ces résultats
démontrent que l'anticorps 7-10A utilise des mécanismes de neutralisation et
de protection indépendants du fragment Fe des immunoglobulines. Ceci
suggère que la lyse dépendante du complément et la lyse cellulaire
dépendante des anticorps (ADCC) ne sont pas impliquées dans ces
mécanismes. De plus, ces travaux pourront servir de modèle pour l'éventuelle
utilisation de fragments d'anticorps pour l'immunothérapie antivirale. Nous avons également vérifié le potentiel vaccinal d'anticorps antiidiotypiques
obtenus par l'immunisation de lapins avec l'AcMe 7-10A. Dans
un premier temps, leur spécificité pour l'AcMe 7-10A a été confirmée par
double immunodiffusion et par ELISA, et leur capacité d'inhiber les propriétés
de liaison au virus et de neutralisation virale de l'anticorps idiotypique a
ensuite été analysée. L'incapacité des anticorps anti-idiotypiques purifiés à
détecter l'idiotype 7-10A dans des sérums xénogéniques antiviraux, nous
suggère qu'il s'agirait d'anticorps ne mimant pas la structure tridimensionnelle
de l'antigène. L'injection des anticorps anti-idiotypiques purifiés à des souris
BALB/c, a induit la production d'anticorps antiviraux neutralisants, et a pu
protéger ces souris contre une épreuve virale généralement fatale. Des
anticorps anti-idiotypiques recombinants, dirigés contre trois AcMo antiviraux,ont également été isolés à partir d'une banque de phages filamenteux
exprimant à leur surface, des anticorps à chaîne unique (scFv) humains.
Malgré la grande spécificité des anticorps recombinants sélectionnés, aucun
n'a induit une production significative d'anticorps antiviraux chez les souris
BALB/c et C57BU6. Cependant, une protection partielle des deux lignées de
souris a été observée avec trois des sept clones utilisés pour la vaccination.
Dans l'ensemble, ces résultats démontrent le potentiel vaccinal des anticorps
anti-idiotypiques, et suggèrent que l'utilisation de banques phagiques pour
leur isolement, pourrait éventuellement remplacer la production d'hybridomes
par la technique conventionnelle de fusion cellulaire.


identifier: Gasse, Nancy  (1996). Les protéines du virus grippal activent la protéine kinase c des leucocytes polymorphonucléaires humains.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en virologie et immunologie, 178 p.

abstract:
Le virus influenza active les leucocytes polymorphonucléaires
(PMNL). Ces cellules jouent un rôle important dans la défense précoce
contre le virus grippal et dans la guérison de l'hôte. Des évidences récentes
indiquent que la phosphorylation de protéines, via la protéine kinase C
(PKC), est un procédé majeur dans l'activation des PMNL. La PKC est une
enzyme membranaire qui joue un rôle crucial dans la transduction de
signaux qui peuvent mener à des réponses immunitaires ou à des
mécanismes de défense. Nous avons donc étudié l'effet des protéines du
virus grippal sur l'activité PKC des PMNL humains. Les PMNL ont été isolés du sang provenant de donneurs volontaires.
Ils ont été incubés en présence du virus influenza de type A et des
protéines virales purifiées, soit l'hémagglutinine (HA), la neuraminidase
(NA) et la protéine matricielle (M). Les cellules stimulées ont par la suite été
incorporées à un milieu réactionnel et l'activité PKC (pmol/2x1 05
cellules/min) a été mesurée en quantifiant l'incorporation de phosphates
radioactifs dans un substrat synthétique spécifique à l'enzyme. Le virus influenza (67,4 ± 3,8) augmentent de façon significative
l'activité PKC des PMNL humains, par rapport aux cellules non stimulées
(20,3 ± 0,9). Les composantes virales, responsables de cette élévation d'activité PKC, ont été identifiées. Une augmentation significative est
observée chez les PMNL incubés en présence de 0,25 1-1g des protéines
virales purifiées, soit la HA dépourvue de sont activité hémagglutinante
(80,0 ± 7,6), la NA sans activité enzymatique (83,6 ± 9,0) et la protéine M
(86,2 ± 9,0). Les oligosaccharides présents sur la HA et la NA ne paraissent
pas jouer de rôle critique dans l'activation de la PKC puisque la protéine M,
qui est non glycosylée, a un potentiel d'activation similaire à celui des
glycoprotéines. De plus, l'activation de la PKC est indépendante de l'activité
hémagglutinante de la HA et de l'activité enzymatique de la NA car les
glycoprotéines dotées de leur activité biologique ont un potentiel
d'activation similaire à celui des glycoprotéines dépourvues de leur activité
biologique. Les résultats démontrent que l'augmentation d'activité PKC observée
est spécifique aux protéines virales. Cette assertion se base selon les
observations suivantes. D'abord, l'albumine sérique bovine (23,0 ± 1,2), qui
a été utilisée à titre de témoin ne provoque pas d'augmentation d'activité
PKC significative par rapport au PMNL non stimulés (20,3 ± 0,9). De plus,
l'activité PKC induite par les glycoprotéines est inhibée par la présence
d'anticorps anti-NA/HA. Les cellules qui ont été traitées avec le complexe
virus (5 1-19)-anticorps (1 0 1-19) montrent une diminution d'activité de 47% par rapport aux cellules incubées avec le virus seul et des diminutions de 58%
et 65% ont été observées chez les PMNL incubés avec les complexes HA
(0,25 J.Jg)-anticorps (1 0 J.Jg) et NA (0,25 ~g)-anticorps {1 0 J.Jg)
respectivement. Les résultats démontrent également que la PKC est responsable de
l'augmentation d'activité observée. D'abord, la translocation qui est un
index de l'activation enzymatique a été observée. Chez les PMNL non
stimulées l'activité PKC se situe au niveau du cytosol et une stimulation
avec la HA et la NA provoque une baisse d'activité cytosolique qui s'est
trouvée cinq fois moins élevée après 30 min de stimulation. Quant à
J'activité membranaire, elle s'est trouvée quatre fois plus élevée. La
translocation s'est également produite chez les cellules stimulées par Je
virus purifié. L'activité membranaire a augmenté environ quatre fois après
30 min de stimulation parallèlement à une diminution de l'activité
cytosolique du même ordre. Deuxièmement, un inhibiteur spécifique à
J'enzyme a été incorporé dans le milieu réactionnel. Les résultats
démontrent que la présence de 50 J,JM d'inhibiteur provoque une chute
d'activité de plus de 90%. Troisièmement, les résultats indiquent que les
isoformes a et/ou ~ de la famille des PKC conventionnelles (cPKC) ont été
activés car l'absence de calcium dans le milieu réactionnel a provoqué une diminution d'activité de plus de 80% chez les cellules stimulées par le virus
et les glycoprotéines. Enfin, la phosphorylation d'un substrat spécifique
permettant la détection sélective des cPKC confirme ces résultats. Le ou les mécanismes impliqués dans l'activation de la PKC par les
protéines virales restent à déterminer. Toutefois, les résultats suggèrent
l'implication d'un site cellulaire. Les études de compétition indiquent que la
HA et la NA ciblent le même site cellulaire et ce dernier est évidemment
différent de celui utilisé par le PMA. Les PMNL traités par la HA (0,25 ~g) et
subséquemment stimulés avec le PMA (1 ~M) montrent une augmentation
d'activité PKC (134,5 ± 1.8) près de deux fois supérieure par rapport à
l'activité PKC des PMNL stimulés par HA seulement (75,8 ± 2,5). Quant aux
cellules traitées par HA et subséquemment stimulées par la NA (74,7 ± 2,3),
elles ne montrent aucune différence significative par rapport aux cellules
stimulées par HA seulement. Les observations sont similaires chez les
cellules qui ont d'abord été traitées par la NA. Enfin, si un site cellulaire est
impliqué dans l'activation de la PKC par les protéines virales, ce dernier est
différent du site d'attachement de la HA puisque la HA dotée de son activité
hémagglutinante provoque une activation PKC similaire à celle de la HA
dépourvue d'activité hémagglutinante. Dans leur ensemble, nos résultats montrent le potentiel des protéines
virales purifiées pour stimuler l'activité de la PKC. L'activation de cette
enzyme pourrait être particulièrement intéressante étant donné le rôle clé
qu'elle joue dans l'induction de réponses immunitaires et de mécanismes de
défense qui contribuent à la défense contre une infection grippale.


identifier: Hein, Paul  (1996). Isolement et caractérisation des métapyrocatchases induites par le biphényle chez comamonas testosteroni B-356 et essai de clonage de la catéchol 2,3-dioxygénase.  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences, 106 p.

abstract:
 La minéralisation du biphényle et de certains congénères de biphényles polychlorés
(BPC) par Comamonas testosteroni B-356 nécessite la participation de deux tronçons
métaboliques successifs. Le premier (tronçon supérieur) entraîne· l'ouverture du cycle
aromatique le moins chloré pour générer des chlorobenzoates. Le tronçon inférieur est
responsable de l'ouverture du deuxième cycle aromatique. Dans ces deux tronçons,
l'ouverture des cycles est catalysée par des dioxygénases qui ouvrent les intermédiaires
diois en position meta. Le gène de la 2,3-dihydroxybiphényle-1 ,2-dioxygénase (Bl ,20),
du tronçon supérieur, a déjà été cloné et séquencé. L'étude présentée visait à
séparer et purifier la B1,20 et la catéchol-2,3-dioxygénase (C2,30) qui agit au niveau
du tronçon inférieur afin d'évaluer et de comparer certains de leurs paramètres
cinétiques. Les études cinétiques sur les dioxygénases nous ont permis de constater que
la Bl,20 était spécifique à l'intermédiaire diol naturel du tronçon supérieur, c'est-àdire
le 2,3-dihydroxybiphényle (2,3-DHBP) et que la C2,30 avait une spécificité
similaire envers plusieurs substrats diois. L'analyse de la séquence en acide aminé Nterminal
de la C2,30 du tronçon inférieur démontre qu'elle contient 75% d'homologie
avec la section N-terminal du produit génique de xylETI du plasmide TOL pWWlS,
suggérant une origine phylogénique commune entre ces deux enzymes. Les mesures des
activités préférentielles de la Bl,20 et de la C2,30 face au 2,3-DHBP et au catéchol
nous a permis d'évaluer 1 'expression relative des enzymes du tronçon supérieur et
inférieur. Les résultats semblent suggérer que le tronçon inférieur est induit par l'acide
salicylique. Nos résultats nous ont permis de constater que la souche B-356 contenait
un gène codant pour une métapyrocatéchase responsable l'ouverture du cycle du
benzoate. Nous avons tenté de cloner ce gène, mais sans succès. Cependant, nous
avons pu démontrer qu'il est amplifiable chez cette souche lorsqu'elle est crue sur le
biphényle. Ce gène hybride avec une sonde contenant le gène xylEII du plasmide
pWW15.


identifier: Clayton, Lucie  (1996). Étude de la stabilité de la voie catabolique du biphényle et des biphényles polychlorés de Comamonas testosteroni B-356  Mémoire.  Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Maîtrise en sciences expérimentales de la santé, 77 p.

abstract:
Les biphényls polychlorés (BPC) sont des composés aromatiques portant des atomes de
chlore et possédant des caractéristiques physico-chimiques qui ont grandement contribué à les
rendre persistants dans l'environnement. Également, à l'instar de plusieurs composés
xénobiotiques, ils sont sujets à la dégradation par les microorganismes. Comamonas testosteroni
B-356 est une souche bactérienne capable de transformer les BPC en chlorobenzoates (CBA).
Cette souche a été adaptée par transferts successifs de la souche sauvage sur les BPC, donnant
lieu à l'obtention d'une souche possédant des capacités cataboliques accrues envers les BPC. Le
projet décrit dans ce mémoire propose deux objectifs de recherche. Le premier visait à démontrer
que la stabilité de la voie catabolique du BP était plus élevée chez la souche originale que chez la
souche adaptée. Des essais préliminaires de mutations aux radiations ultraviolettes effectuées sur
les deux souches allaient dans le sens de cette hypothèse. Par différents moyens (expositions aux
radiations ultraviolettes, transposition) nous avons tenté d'obtenir des mutants de la souche
originale incapables de croître sur le BP, pour en éprouver la stabilité. Aucune de ces deux
techniques n'a généré les mutants escomptés suite à l'analyse de 3 500 et 10 000 colonies
respectivement, confirmant que la voie catabolique du BP était très stable chez cette souche. Par contre, la souche adaptée s'est montrée beaucoup moins stable. En effet, au moins un
mutant incapable de croître sur le BP a été identifié sur 9 000 colonies analysées, qui provenaient
d'une culture ayant été propagée sur le BP. D'autre part, contrairement à des observations faites
chez d'autres souches microbiennes, le benzoate ne semble pas posséder la capacité de faire
augmenter le taux de mutations spontanées chez C. testosteroni B-356 adaptée. Les essais de
mutations effectuées avec les deux souches confirment donc que la voie catabolique. est plus
stable chez la souche originale que chez la souche adaptée. Le second objectif du projet visait à localiser les gènes spécifiant la dégradation des BPC
chez la souche adaptée. Les capacités cataboliques accrues envers les BPC et la fréquence élevée
de mutants incapables de croître sur le BP obtenus à partir de la souche adaptée constituaient des
indices qui laissaient croire que chez cette souche, les gènes de dégradation étaient portés sur un
plasmide. En utilisant différents protocoles de détection de plasmide de haut poids moléculaire,
nous avons pu mettre en évidence que, contrairement à la souche originale, la souche adaptée possédait un plasmide, ce qui laissait croire que la formation du plasmide chez la souche adaptée
avait eu lieu durant l'adaptation de la souche originale sur le BP par excision d'un fragment
d'ADN chromosomique. Puis par hybridation du plasmide avec les sondes appropriées, nous
avons démontré que la plupart des gènes de la voie catabolique du BP étaient présents sur le
plasmide. Ainsi, les gènes bphA et bphG ont été utilisés pour fabriquer les sondes qui ont
répondu positivement avec le plasmide pB-356-ad isolé de la souche adaptée. Les gènes bphA .
(partiellement présent), E, F, B et C constituant un fragment de 4 kpb ont également servi pour la
construction d'une sonde qui a hybridé avec le plasmide pB-356-ad. Malheureusement, pour des
raisons inconnues, ce plasmide se digère difficilement (malgré les essais qui ont été tentés) et il
n'a pas été possible-de déterminer si tout le fragment de 4 kpb se trouvait sur le plasmide. Pour obtenir la confirmation que tous les gènes spécifiant la dégradation des BPC étaient
portés par le plasmide pB-3S6-ad, nous avons procédé à la transformation d'un mutant de la
souche adaptée, le mutant MS, négatif pour la croissance sur le BP suite à une exposition aux
radiations ultraviolettes ayant occasionné la perte· du plasmide de dégradation. Suite à la
transformation par le plasmide pB-356-ad, ce mutant a recouvré la capacité de croître sur le BP et
la présence du plasmide chez le transformant a également été démontrée, confirmant que tous les
gènes de dégradation étaient sur le plasmide pB-356-ad. L'étude des mutants de délétion a révélé
que seul le mutant MS avait perdu le plasmide alors que les autres mutants n'avaient perdu qu'une
partie de la voie catabolique du BP. D a été démontré que le mutant M3 avait conservé le gène
bphC mais que son incapacité à croître sur le BP provenait de l'absence du gène bphG et d'une
partie de la région en aniont des gènes bph. Également, les mutants M3 et M5 nous ont permis de ·
déterminer, suite aux essais enzymatiques réalisés, que le gène de la C2,30, impliquée dans le
tronçon inférieur de la ·voie de dégradation, était localisé sur le chromosome et non sur le
plasmide. Selon toute vraisemblance. l'ensemble des résultats obtenus concernant la stabilité de la
voie catabolique des BPC ainsi que la présence d'un plasmide chez la souche adaptée, laissent
croire que l'instabilité de la voie catabolique chez cette souche est reliée à la présence du plasmide
pB-356-ad.