Théorèmes d'existence pour des systèmes d'équations différentielles et d'équations aux échelles de temps.

Nous présentons dans cette thèse des théorèmes d’existence pour des systèmes d’équations différentielles non-linéaires d’ordre trois, pour des systèmes d’équa- tions et d’inclusions aux échelles de temps non-linéaires d’ordre un et pour des systèmes d’équations aux échelles de temps non-linéaires d’ordre deux sous cer- taines conditions aux limites. Dans le chapitre trois, nous introduirons une notion de tube-solution pour obtenir des théorèmes d’existence pour des systèmes d’équations différentielles du troisième ordre. Cette nouvelle notion généralise aux systèmes les notions de sous- et sur-solutions pour le problème aux limites de l’équation différentielle du troisième ordre étudiée dans [34]. Dans la dernière section de ce chapitre, nous traitons les systèmes d’ordre trois lorsque f est soumise à une condition de crois- sance de type Wintner-Nagumo. Pour admettre l’existence de solutions d’un tel système, nous aurons recours à la théorie des inclusions différentielles. Ce résultat d’existence généralise de diverses façons un théorème de Grossinho et Minhós [34]. Le chapitre suivant porte sur l’existence de solutions pour deux types de sys- tèmes d’équations aux échelles de temps du premier ordre. Les résultats d’exis- tence pour ces deux problèmes ont été obtenus grâce à des notions de tube-solution adaptées à ces systèmes. Le premier théorème généralise entre autre aux systèmes et à une échelle de temps quelconque, un résultat obtenu pour des équations aux différences finies par Mawhin et Bereanu [9]. Ce résultat permet également d’obte- nir l’existence de solutions pour de nouveaux systèmes dont on ne pouvait obtenir l’existence en utilisant le résultat de Dai et Tisdell [17]. Le deuxième théorème de ce chapitre généralise quant à lui, sous certaines conditions, des résultats de [60]. Le chapitre cinq aborde un nouveau théorème d’existence pour un système d’in- clusions aux échelles de temps du premier ordre. Selon nos recherches, aucun résultat avant celui-ci ne traitait de l’existence de solutions pour des systèmes d’inclusions de ce type. Ainsi, ce chapitre ouvre de nouvelles possibilités dans le domaine des inclusions aux échelles de temps. Notre résultat a été obtenu encore une fois à l’aide d’une hypothèse de tube-solution adaptée au problème. Au chapitre six, nous traitons l’existence de solutions pour des systèmes d’équations aux échelles de temps d’ordre deux. Le premier théorème d’existence que nous obtenons généralise les résultats de [36] étant donné que l’hypothèse que ces auteurs utilisent pour faire la majoration a priori est un cas particulier de notre hypothèse de tube-solution pour ce type de systèmes. Notons également que notre définition de tube-solution généralise aux systèmes les notions de sous- et sur-solutions introduites pour les équations d’ordre deux par [4] et [55]. Ainsi, nous généralisons également des résultats obtenus pour des équations aux échelles de temps d’ordre deux. Finalement, nous proposons un nouveau résultat d’exis- tence pour un système dont le membre droit des équations dépend de la ∆-dérivée de la fonction.

Les manifestations subtiles du stress dans le continuum de la psychose

RÉSUMÉ L’étiologie de la schizophrénie est complexe et le modèle de vulnérabilité-stress (Nuechterlein & Dawson, 1984) propose que des facteurs de vulnérabilité d’ordre génétique combinés à une histoire environnementale de stress particulier pousseraient l’individu vers un état clinique de psychose. L’objectif principal de cette thèse est de mieux comprendre la réaction physiologique des personnes schizophrènes face à un stress psychologique, tout en conceptualisant les symptômes psychotiques comme faisant partie d’un continuum, plutôt que de les restreindre sur un plan catégoriel. Afin de faire la différence entre les patients schizophrènes et les individus de la population générale, au-delà de la sévérité de leurs symptômes psychotiques, leur réaction au stress est comparée et le phénomène de seuil critique dans la réaction de cortisol est exploré en tant que point décisif pouvant distinguer entre les deux groupes. La première étude de cette thèse (Brenner et al., 2007) examine la fiabilité, la validité et la structure factorielle du Community Assessment of Psychic Experiences (CAPE) (Stefanis et al., 2002), avec un échantillon francophone et anglophone de la population nord américaine, un questionnaire auto-administré de 42 items qui évalue les expériences quasi-psychotiques présentes dans la population générale : des symptômes positifs (ou psychotiques), négatifs (ou végétatifs) et dépressifs. Ce questionnaire a été complété par un échantillon de 2 275 personnes de la population montréalaise. Les résultats appuient la consistance interne des 3 sous-échelles originales. De plus, l’analyse factorielle exploratoire suggère des solutions de 3-5 facteurs, où les solutions à 4 et 5 facteurs proposent de séparer les symptômes positifs en sous-catégories plus spécifiques. Finalement, cette étude suggère une version plus courte du CAPE, avec seulement 23 items, tout en préservant les mêmes trois échelles originales. La toile de fond de cet article confirme l’existence du phénomène du continuum de la psychose, où une variation de symptômes psychotiques peut se retrouver aussi bien dans la population générale que dans la population clinique. Dans une deuxième étude (Brenner et al., 2009), cette thèse examine à quel point la réponse de l’hormone de stress, le cortisol, à un test de stress psychosocial nommé le Trier Social Stress Test (TSST) (Kirschbaum, Pirke, & Hellhammer, 1993), peut établir une différence entre les sujets témoins et les patients schizophrènes, tout en contrôlant des variables importantes. Un groupe de 30 personnes schizophrènes et un groupe de 30 sujets de la population générale, recrutés lors de la première étude de cette thèse, ont participé à cette recherche qui est construite selon un plan expérimental. Le groupe témoin inclut des personnes légèrement symptomatiques et un chevauchement des scores psychotiques existe entre les deux groupes. Suite au stresseur, les deux groupes démontrent une augmentation significative de leur rythme cardiaque et de leur pression artérielle. Cependant, leur réponse de cortisol a tendance à différer : les patients schizophrènes présentent une réponse de cortisol plus petite que celle des témoins, mais en atteignant un seuil statistique significatif seulement à la mesure qui suit immédiatement le stresseur. Ces résultats significatifs sont obtenus en contrôlant pour la sévérité des symptômes positifs, un facteur discriminant significatif entre les deux groupes. Ainsi, le niveau de cortisol mesuré immédiatement après le stresseur se révèle être un marqueur de seuil critique pouvant établir une distinction entre les deux groupes. Aussi, leur réponse de cortisol maximale a tendance à apparaître plus tard que chez les sujets témoins. De façon générale, la réaction au stress des deux groupes étudiés est un autre moyen d’observer la continuité d’un comportement présent chez les individus, jusqu’à ce qu’un seuil critique soit atteint. Ainsi, il est possible de trancher, à un moment donné, entre psychose clinique ou absence de diagnostic.

Elementary steps in aqueous proton transfer reactions : a first principles molecular dynamics study

La nature des acides dans un environnement aqueux est primordiale dans de nombreux aspects de la chimie et de la biologie. La caractéristique principale d'un acide est sa capacité à transférer un proton vers une molécule d'eau ou vers n'importe quelle base, mais ce procédé n'est pas aussi simple qu'il y paraît. Il peut au contraire être extrêmement complexe et dépendre de manière cruciale de la solvatation des différents intermédiaires de réaction impliqués. Cette thèse décrit les études computationnelles basées sur des simulations de dynamique moléculaire ab initio qui ont pour but d'obtenir une description à l'échelle moléculaire des divers procédés de transferts de proton entre acide et bases dans un milieu aqueux. Pour cela, nous avons étudié une serie de système, dont l'acide hydrofluorique aqueux, l'acide trifluoroacétique aqueux, et un système modèle constitué d'un phénol et d'une entité carboxylate reliés entre eux par une molécule d'eau en solution aqueuse. Deux états intermédiaires ont été identifiés pour le transfert d'un proton depuis un acide. Ces intermédiaires apparaissent stabilisés par un motif local de solvatation via des ponts H. Leurs signatures spectroscopiques ont été caractérisées au moyen de la spectroscopie infrarouge, en utilisant le formalisme de la dynamique moléculaire ab initio, qui inclut l'effet quantique nucléaire de manière explicite. Cette étude a aussi identifié trois chemins de réaction élémentaire, qui sont responsable pour le transfert d'un proton d'un acide à une base, ainsi que leurs échelles de temps caractéristiques. Les conclusions tirées de ces études sont discutées dans les détails, au niveau moléculaire, avec une emphase sur les comparaisons entre les résultats théoriques et les mesures expérimentales obtenues dans a littérature ou via des collaborateurs.

Effet du développement résidentiel sur la distribution et l’abondance des macrophytes submergés dans la région des Laurentides et de Lanaudière

Nous avons cherché des relations empiriques entre l’abondance des macrophytes submergés et le développement résidentiel du bassin versant, les propriétés du lac et la présence de milieux humides dans 34 lacs de la région des Laurentides et de Lanaudière sélectionnés à travers un gradient de développement résidentiel. Les macrophytes submergés ont été échantillonnés par méthode d’échosondage à l’intérieur de la zone littorale. L’abondance moyenne des macrophytes a ensuite été estimée à l’intérieur de quatre zones de croissance optiquement définies (profondeur maximale = 75 %, 100 %, 125 % et 150 % de la profondeur de Secchi) ainsi qu’à l’intérieur de toute la zone littorale. L’occupation humaine a été considérée selon trois échelles spatiales : celle présente 1- dans un rayon de 100 mètres autour du lac, 2- dans la fraction du bassin versant qui draine directement vers le lac et 3- dans le bassin versant en entier. Nous avons aussi testé, lac par lac, l’effet de la pente locale sur l’abondance des macrophytes. Nous avons observé des corrélations positives et significatives entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de l’aire de drainage direct (r > 0.51). Toutefois, il n’y a pas de relation entre l’abondance des macrophytes submergés et l’occupation humaine de la bande de 100 mètres entourant le lac et du bassin versant entier. Les analyses de régression multiple suggèrent que l’abondance des macrophytes submergés est faiblement corrélée avec l’aire du lac (+) et avec la présence de milieux humides dans le bassin versant entier (-). Localement, l’abondance des macrophytes est reliée à la pente et à la profondeur qui expliquent 21% de la variance. Les profondeurs de colonisation maximale et optimale des macrophytes submergés sont corrélées positivement au temps de résidence et à la profondeur de Secchi et négativement à l’occupation humaine et à l’importance des milieux humides.

Chaotic, memory, and cooling rate effects in spin glasses: Evaluation of the Edwards-Anderson model

We investigate chaotic, memory, and cooling rate effects in the three-dimensional Edwards-Anderson model by doing thermoremanent (TRM) and ac susceptibility numerical experiments and making a detailed comparison with laboratory experiments on spin glasses. In contrast to the experiments, the Edwards-Anderson model does not show any trace of reinitialization processes in temperature change experiments (TRM or ac). A detailed comparison with ac relaxation experiments in the presence of dc magnetic field or coupling distribution perturbations reveals that the absence of chaotic effects in the Edwards-Anderson model is a consequence of the presence of strong cooling rate effects. We discuss possible solutions to this discrepancy, in particular the smallness of the time scales reached in numerical experiments, but we also question the validity of the Edwards-Anderson model to reproduce the experimental results.

A Proposed Modification to the Robert–Asselin Time Filter

The Robert–Asselin time filter is widely used in numerical models of weather and climate. It successfully suppresses the spurious computational mode associated with the leapfrog time-stepping scheme. Unfortunately, it also weakly suppresses the physical mode and severely degrades the numerical accuracy. These two concomitant problems are shown to occur because the filter does not conserve the mean state, averaged over the three time slices on which it operates. The author proposes a simple modification to the Robert–Asselin filter, which does conserve the three-time-level mean state. When used in conjunction with the leapfrog scheme, the modification vastly reduces the impacts on the physical mode and increases the numerical accuracy for amplitude errors by two orders, yielding third-order accuracy. The modified filter could easily be incorporated into existing general circulation models of the atmosphere and ocean. In principle, it should deliver more faithful simulations at almost no additional computational expense. Alternatively, it may permit the use of longer time steps with no loss of accuracy, reducing the computational expense of a given simulation.

The impact of moist processes on the African easterly jet-African easterly wave system

The African Easterly Jet-Easterly Wave (AEJ-AEW) system was explored in an idealised model. Prescribed zonally symmetric surface temperature and moisture profiles determine the AEJ which becomes established through meridional contrasts in dry and moist convection.As in previous studies, a realistic AEJ developed with only dry convection. Including moist processes, increased its development rate, but reduced its speed and meridional extent. AEWs grew through barotropic-baroclinic conversions. Negative meridional potential vorticity (PV) gradients arose in the zonally symmetric state through the intrusion of the low-PV Saharan boundary layer. Since moist processes strengthened this significantly through diabatically generated PV in the Intertropical Convergence Zone, moist AEWs were three times stronger. Larger barotropic conversions and faster AEJ development increased the moist wave growth-rate. Jet-level and northerly low-level amplitudes grew, but in the moist case the low-level amplitudes weakened as the AEW interacted with convection, consistent with their absence from observations during the peak monsoon. Striking dependencies between the AEJ, AEW and rainfall existed. Two time-scales governed their evolution, depending on the transfer coefficients: (1) the AEJ's replenishment rate influenced by heat fluxes, and (2) the wave growth-rate, by damping, and the slower jet development rate.Moist AEWs were characterized by intermittent growth/decay, with growth preceded by increased mean rainfall and later, weakening AEJs. These dependencies established an internal 8-10-day variability, consistent with intra-seasonal observations of 9-day rainy sequences. This internal variability offers an alternative explanation to the previously proposed external forcing and a new view of the moist AEW life cycle. Copyright © 2009 Royal Meteorological Society

Understanding land-sea warming contrast in response to increasing greenhouse gases. Part I: Transient adjustment

Climate model simulations consistently show that surface temperature over land increases more rapidly than over sea in response to greenhouse gas forcing. The enhanced warming over land is not simply a transient effect caused by the land–sea contrast in heat capacities, since it is also present in equilibrium conditions. This paper elucidates the transient adjustment processes over time scales of days to weeks of the surface and tropospheric climate in response to a doubling of CO2 and to changes in sea surface temperature (SST), imposed separately and together, using ensembles of experiments with an atmospheric general circulation model. These adjustment processes can be grouped into three stages: immediate response of the troposphere and surface processes (day 1), fast adjustment of surface processes (days 2–5), and adjustment of the whole troposphere (days 6–20). Some land surface warming in response to doubled CO2 (with unchanged SSTs) occurs immediately because of increased downward longwave radiation. Increased CO2 also leads to reduced plant stomatal resistance and hence restricted evaporation, which increases land surface warming in the first day. Rapid reductions in cloud amount lead in the next few days to increased downward shortwave radiation and further warming, which spreads upward from the surface, and by day 5 the surface and tropospheric response is statistically consistent with the equilibrium value. Land surface warming in response to imposed SST change (with unchanged CO2) is slower. Tropospheric warming is advected inland from the sea, and over land it occurs at all levels together rather than spreading upward from the surface. The atmospheric response to prescribed SST change in about 20 days is statistically consistent with the equilibrium value, and the warming is largest in the upper troposphere over both land and sea. The land surface warming involves reduction of cloud cover and increased downward shortwave radiation, as in the experiment with CO2 change, but in this case it is due to the restriction of moisture supply to the land (indicated by reduced soil moisture), whereas in the CO2 forcing experiment it is due to restricted evaporation despite increased moisture supply (indicated by increased soil moisture). The warming over land in response to SST change is greater than over the sea and is the dominant contribution to the land–sea warming contrast under enhanced CO2 forcing.

North Atlantic subtropical mode waters and ocean memory in HadCM3

A study of the formation and propagation of volume anomalies in North Atlantic Mode Waters is presented, based on 100 yr of monthly mean fields taken from the control run of the Third Hadley Centre Coupled Ocean-Atmosphere GCM (HadCM3). Analysis of the temporal and. spatial variability in the thickness between pairs of isothermal surfaces bounding the central temperature of the three main North Atlantic subtropical mode waters shows that large-scale variability in formation occurs over time scales ranging from 5 to 20 yr. The largest formation anomalies are associated with a southward shift in the mixed layer isothermal distribution, possibly due to changes in the gyre dynamics and/or changes in the overlying wind field and air-sea heat fluxes. The persistence of these anomalies is shown to result from their subduction beneath the winter mixed layer base where they recirculate around the subtropical gyre in the background geostrophic flow. Anomalies in the warmest mode (18 degrees C) formed on the western side of the basin persist for up to 5 yr. They are removed by mixing transformation to warmer classes and are returned to the seasonal mixed layer near the Gulf Stream where the stored heat may be released to the atmosphere. Anomalies in the cooler modes (16 degrees and 14 degrees C) formed on the eastern side of the basin persist for up to 10 yr. There is no clear evidence of significant transformation of these cooler mode anomalies to adjacent classes. It has been proposed that the eastern anomalies are removed through a tropical-subtropical water mass exchange mechanism beneath the trade wind belt (south of 20 degrees N). The analysis shows that anomalous mode water formation plays a key role in the long-term storage of heat in the model, and that the release of heat associated with these anomalies suggests a predictable climate feedback mechanism.

Atlantic climate variability and predictability: A CLIVAR perspective

Three interrelated climate phenomena are at the center of the Climate Variability and Predictability (CLIVAR) Atlantic research: tropical Atlantic variability (TAV), the North Atlantic Oscillation (NAO), and the Atlantic meridional overturning circulation (MOC). These phenomena produce a myriad of impacts on society and the environment on seasonal, interannual, and longer time scales through variability manifest as coherent fluctuations in ocean and land temperature, rainfall, and extreme events. Improved understanding of this variability is essential for assessing the likely range of future climate fluctuations and the extent to which they may be predictable, as well as understanding the potential impact of human-induced climate change. CLIVAR is addressing these issues through prioritized and integrated plans for short-term and sustained observations, basin-scale reanalysis, and modeling and theoretical investigations of the coupled Atlantic climate system and its links to remote regions. In this paper, a brief review of the state of understanding of Atlantic climate variability and achievements to date is provided. Considerable discussion is given to future challenges related to building and sustaining observing systems, developing synthesis strategies to support understanding and attribution of observed change, understanding sources of predictability, and developing prediction systems in order to meet the scientific objectives of the CLIVAR Atlantic program.

Impacts of a pesticide on pollinator species richness at different spatial scales

Pesticides are an important potential cause of biodiversity and pollinator decline. Little is known about the impacts of pesticides on wild pollinators in the field. Insect pollinators were sampled in an agricultural system in Italy with the aim of detecting the impacts of pesticide use. The insecticide fenitrothion was over 150 times greater in toxicity than other pesticides used in the area, so sampling was set up around its application. Species richness of wild bees, bumblebees and butterflies were sampled at three spatial scales to assess responses to pesticide application: (i) the ‘field’ scale along pesticide drift gradients; (ii) the ‘landscape’ scale sampling in different crops within the area and (iii) the ‘regional’ scale comparing two river basins with contrasting agricultural intensity. At the field scale, the interaction between the application regime of the insecticide and the point in the season was important for species richness. Wild bee species richness appeared to be unaffected by one insecticide application, but declined after two and three applications. At the landscape scale, the species richness of wild bees declined in vine fields where the insecticide was applied, but did not decline in maize or uncultivated fields. At the regional scale, lower bumblebee and butterfly species richness was found in the more intensively farmed basin with higher pesticide loads. Our results suggest that wild bees are an insect pollinator group at particular risk from pesticide use. Further investigation is needed on how the type, quantity and timing of pesticide application impacts pollinators.

Relating Agulhas leakage to the Agulhas Current retroflection location

The relation between the Agulhas Current retroflection location and the magnitude of Agulhas leakage, the transport of water from the Indian to the Atlantic Ocean, is investigated in a high-resolution numerical ocean model. Sudden eastward retreats of the Agulhas Current retroflection loop are linearly related to the shedding of Agulhas rings, where larger retreats generate larger rings. Using numerical Lagrangian floats a 37 year time series of the magnitude of Agulhas leakage in the model is constructed. The time series exhibits large amounts of variability, both on weekly and annual time scales. A linear relation is found between the magnitude of Agulhas leakage and the location of the Agulhas Current retroflection, both binned to three month averages. In the relation, a more westward location of the Agulhas Current retroflection corresponds to an increased transport from the Indian Ocean to the Atlantic Ocean. When this relation is used in a linear regression and applied to almost 20 years of altimetry data, it yields a best estimate of the mean magnitude of Agulhas leakage of 13.2 Sv. The early retroflection of 2000, when Agulhas leakage was probably halved, can be identified using the regression.

The impact of large scale atmospheric circulation patterns on wind power generation and its potential predictability: a case study over the UK

Over recent years there has been an increasing deployment of renewable energy generation technologies, particularly large-scale wind farms. As wind farm deployment increases, it is vital to gain a good understanding of how the energy produced is affected by climate variations, over a wide range of time-scales, from short (hours to weeks) to long (months to decades) periods. By relating wind speed at specific sites in the UK to a large-scale climate pattern (the North Atlantic Oscillation or "NAO"), the power generated by a modelled wind turbine under three different NAO states is calculated. It was found that the wind conditions under these NAO states may yield a difference in the mean wind power output of up to 10%. A simple model is used to demonstrate that forecasts of future NAO states can potentially be used to improve month-ahead statistical forecasts of monthly-mean wind power generation. The results confirm that the NAO has a significant impact on the hourly-, daily- and monthly-mean power output distributions from the turbine with important implications for (a) the use of meteorological data (e.g. their relationship to large scale climate patterns) in wind farm site assessment and, (b) the utilisation of seasonal-to-decadal climate forecasts to estimate future wind farm power output. This suggests that further research into the links between large-scale climate variability and wind power generation is both necessary and valuable.

Determination of turbulent heat fluxes using a large aperture scintillometer over undulating mixed agricultural terrain

Scintillometry is an established technique for determining large areal average sensible heat fluxes. The scintillometer measurement is related to sensible heat flux via Monin–Obukhov similarity theory, which was developed for ideal homogeneous land surfaces. In this study it is shown that judicious application of scintillometry over heterogeneous mixed agriculture on undulating topography yields valid results when compared to eddy covariance (EC). A large aperture scintillometer (LAS) over a 2.4 km path was compared with four EC stations measuring sensible (H) and latent (LvE) heat fluxes over different vegetation (cereals and grass) which when aggregated were representative of the LAS source area. The partitioning of available energy into H and LvE varied strongly for different vegetation types, with H varying by a factor of three between senesced winter wheat and grass pasture. The LAS derived H agrees (one-to-one within the experimental uncertainty) with H aggregated from EC with a high coefficient of determination of 0.94. Chronological analysis shows individual fields may have a varying contribution to the areal average sensible heat flux on short (weekly) time scales due to phenological development and changing soil moisture conditions. Using spatially aggregated measurements of net radiation and soil heat flux with H from the LAS, the areal averaged latent heat flux (LvELAS) was calculated as the residual of the surface energy balance. The regression of LvELAS against aggregated LvE from the EC stations has a slope of 0.94, close to ideal, and demonstrates that this is an accurate method for the landscape-scale estimation of evaporation over heterogeneous complex topography.

Reconstruction of gusty wind speed time series from autonomous data logger records

The collection of wind speed time series by means of digital data loggers occurs in many domains, including civil engineering, environmental sciences and wind turbine technology. Since averaging intervals are often significantly larger than typical system time scales, the information lost has to be recovered in order to reconstruct the true dynamics of the system. In the present work we present a simple algorithm capable of generating a real-time wind speed time series from data logger records containing the average, maximum, and minimum values of the wind speed in a fixed interval, as well as the standard deviation. The signal is generated from a generalized random Fourier series. The spectrum can be matched to any desired theoretical or measured frequency distribution. Extreme values are specified through a postprocessing step based on the concept of constrained simulation. Applications of the algorithm to 10-min wind speed records logged at a test site at 60 m height above the ground show that the recorded 10-min values can be reproduced by the simulated time series to a high degree of accuracy.