HAL-Ecole des Ponts ParisTech
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A Wasserstein-type metric for generic mixture models, including location-scatter and group invariant measures
No full textIn this article, we study Wasserstein-type metrics and corresponding barycenters for mixtures of a chosen subset of probability measures called atoms hereafter. In particular, this works extends what was proposed by Delon and Desolneux [10] for mixtures of gaussian measures to other mixtures. We first prove in a general setting that for a set of atoms equipped with a metric that defines a geodesic space, the set of mixtures based on this set of atoms is also geodesic space for the defined modified Wasserstein metric. We then focus on two particular cases of sets of atoms: (i) the set of location-scatter atoms and (ii) the set of measures that are invariant with respect to some symmetry group. Both cases are particularly relevant for various applications among which electronic structure calculations. Along the way, we also prove some sparsity and symmetry properties of optimal transport plans between measures that are invariant under some well-chosen symmetries
Iterative run-time bias corrections in an atmospheric GCM (LMDZ v6.3)
No full textInternational audienceRun-time bias corrections of atmospheric circulation models can be based on nudging (newtonian relaxation) to an atmospheric reanalysis. In this case, the time increments of selected state variables are modified by adding the nudging terms obtained with an uncorrected version the model. This is a well-known method to improve the models’ representation of large-scale circulation patterns. In this work, we propose and evaluate a variant of this method, consisting of iterative nudging: the corrected model is itself nudged towards the reanalysis, and the resulting nudging terms are added to the initial ones to calculate the new, iterated correction terms. This procedure can be iterated an arbitrary number of times. Evaluating the LMDZ atmospheric general circulation model (AGCM) for a varying number of iterations of nudging to the ERA5 reanalysis for the period 1981–2000, we show that the simulated large-scale circulation patterns over the period 2001–2020 are consistently improved when the bias correction procedure is iterated compared to the non-iterated original procedure. However, while there is a clear benefit of one or two iterations of the bias correction method, signs of over-correction appear after about three iterations
Le temps des crises. Une histoire de la gestion des crises en France
No full textInternational audienceDepuis la fin du xxe siècle, la gestion des événements extrêmes en France a évolué vers une « gestion de crise » institutionnalisée. À partir des tempêtes de 1999, l’État adopte une approche systémique face aux menaces pesant sur l’ordre public. Trois séquences marquent cette évolution : une gestion locale autour du préfet (1999-2007), une coordination interministérielle incarnée par le SGDSN (2008-2016), puis une verticalisation autour du président de la République et du Conseil de défense et de sécurité (depuis 2017). Malgré une formalisation croissante de la réponse apportée, chaque crise demeure singulière, limitant l’apprentissage collectif. Ces modalités de réponse sont renforcées par des enjeux politiques, juridiques et organisationnels. La gestion de crise devient un outil de gouvernement quotidien, mobilisé au-delà des seules situations d’urgence
Global ocean indicators: Marking pathways at the science-policy nexus
No full textInternational audienceOcean knowledge is crucial for shaping policies that enable sustainable development, adaptation, and well-being at all levels, as everyone-either directly or indirectly-depends on the ocean, which today faces escalating threats from climate change, pollution, and biodiversity loss, pushing us beyond critical planetary boundaries. Ocean indicators are crucial for translating ocean science and data into practical metrics, guidance, and tools informing on the state and health of the ocean that can be directly applied by policymakers, practitioners, and the public. Despite their critical importance, ocean indicators trail behind those for continental areas, limiting effective monitoring and policy integration. Developing reliable, comparable, and regularly updated ocean indicators, backed by a unified international framework, is essential for delivering coherent, actionable insights that can guide global goals and protect the ocean's future. This paper establishes a scientific foundation for ocean indicators through international and multidisciplinary collaboration, presenting defined criteria and a set of pilot indicators for the ocean's physical, biogeochemical, biodiversity, and ecosystem aspects. The proposed framework offers a solid foundation for generating indicators that not only track the ocean state but also provide outputs for application in informing policy and decision-making
La couche limite catabatique côtière en Antarctique : de l’observation in-situ à la représentation dans les modèles de climat
No full textInside the Antarctic continent, surface radiative cooling associated with terrain slope create a flow directed towards the coast : the katabatic winds. These winds generate shear-induced turbulence, that in turn slows down the flow through vertical turbulent mixing. At the coast, this dry air flow sublimates precipitation, and exports blowing snow off the continent. These processes are loss terms for the Antarctic surface mass balance, which stores continental water and thus modulates global sea level rise. Furthermore, winds push sea ice offshore and create coastal polynyas, sink zones of the thermohaline circulation that stores heat and carbon over centuries. Processes of the coastal Antarctic Atmospheric Boundary Layer (AABL) are thus critical for Earth climate. This PhD aims at better understanding and modeling coastal AABL dynamics, linking instrumentation and modelization in the framework of the AWACA project (Atmospheric WAter Cycle over Antarctica). In order to improve the representation of the Antarctic climate, we want to evaluate with meteorological observations the simulation of coastal AABL by the LMDZ atmospheric circulation model. For this purpose, new observations of coastal AABL are produced thanks to the conception and in-situ deployment of specific instrumentation. In particular, a 7-meter mast samples near-surface meteorology in the steep slope zone between the continent and the ocean. This mast also provides a unique characterization of turbulence in the coastal slope region thanks to a sonic anemometer, and the development of its processing algorithm based on the “eddy covariance” method. These coastal AABL observations are used to analyze the characteristics and physical origin of wind and turbulence. A composite analysis depending on the forcing type dominating the near-surface momentum budget is carried out. Associated to a Weibull fit on wind speed distributions, the analysis emphasizes differences between katabatic-forced and synoptic-forced winds. However, observations do not allow a forcing-based separation of turbulence, as it is firstly constrained by wind speed and the surface proximity. After this physical analysis of the processes, we investigate their modelization in LMDZ. To disentangle parametric uncertainty, from uncertainty associated with horizontal resolution, from structural deficiencies in the model, Perturbed Parameter Ensembles (PPE) at three horizontal resolutions are simulated for a katabatic-forced wind event. There is a vector of parameters that enables the model to match observed winds, but this is not the case for turbulence. Spatial analysis shows that the 20 and 40-km PPE statistically differ, whereas the 10 and 20-km do not. Parametric analysis shows that the wind speed maximum is mainly controlled by roughness length. Snow surface properties need to be revised to correctly simulate the variability of the katabatic flow in the coastal Antarctic slope. After having studied the modeled katabatic flow, we investigate its interaction with coastal precipitation considering its impact on surface mass balance. A 7-year data calibration of a Micro Rain Radar (MRR) provides observations of vertical profiles of precipitation, which are used to calibrate precipitation simulated by LMDZ through a statistical adjustment method. The study emphasizes possible shortcomings in the representation of the coastal AABL vertical structure, and of the parameterization of modeled precipitation.Au cœur du continent Antarctique, le refroidissement radiatif en surface associé à la pente de la calotte engendre un écoulement vers les côtes : les vents catabatiques. Ces vents génèrent par cisaillement de la turbulence atmosphérique, qui les freine en retour par mélange vertical turbulent. À la côte, ce flux d'air sec sublime les précipitations, et exporte de la neige soufflée hors du continent. Ces processus sont des termes de perte pour le bilan de masse de surface de l'Antarctique, réservoir d'eau continentale qui module l'augmentation globale du niveau des océans. De plus, les vents chassent la banquise vers le large et créent des polynies côtières, zones source de la circulation thermohaline stockant la chaleur et le carbone en profondeur sur plusieurs centaines d'années. Les processus de la couche limite atmosphérique antarctique (CLAA) côtière sont alors cruciaux pour le climat terrestre. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre et modéliser la dynamique de la CLAA côtière, en se positionnant à l'interface entre instrumentation et modélisation au sein du projet AWACA (Atmospheric WAter Cycle over Antarctica). Afin d'améliorer la représentation du climat de l'Antarctique, on souhaite évaluer la simulation de la CLAA côtière par le modèle de circulation atmosphérique LMDZ à partir d'observations météorologiques. Dans ce but, de nouvelles observations de la CLAA côtière sont produites grâce à la conception et au déploiement sur le terrain d'une instrumentation spécifique. En particulier, un mât de 7 m échantillonne la météorologie proche de la surface dans la zone de pente abrupte entre le continent et l'océan. Ce mât apporte aussi une caractérisation inédite de la turbulence atmosphérique dans la pente côtière grâce à un anémomètre sonique, et au développement de son algorithme de traitement basé sur la méthode d'«eddy covariance». Ces observations de la CLAA côtière sont utilisées pour analyser les caractéristiques et l'origine physique du vent et de la turbulence. Une analyse composite est réalisée selon le type de forçage qui domine le bilan de quantité de mouvement près de la surface. Associée à un ajustement de Weibull des distributions de vitesse du vent, l'analyse met en évidence les différences entre les vents d'origine catabatique et synoptique. En revanche, les observations ne permettent pas de séparer la turbulence en fonction des forçages, car elle est d'abord contrainte par la vitesse du vent et la proximité de la surface. Après l'analyse physique des processus, on s'intéresse à leur modélisation dans LMDZ. Dans l'objectif de séparer l'incertitude paramétrique, l'incertitude liée à la résolution horizontale, et les lacunes structurelles du modèle, des Perturbed Parameter Ensembles (PPE) à trois résolutions différentes (10, 20 et 40 km) sont simulés sur un évènement de vent d'origine catabatique. S'il existe un vecteur de paramètres qui permet de se rapprocher du vent observé, ce n'est en revanche pas le cas pour la turbulence. L'analyse spatiale montre que les PPE diffèrent entre 20 et 40 km, mais pas entre 10 et 20 km. L'analyse paramétrique montre que le maximum de vent est principalement contrôlé par la longueur de rugosité. Les propriétés de la surface neigeuse doivent être révisées pour simuler correctement la variabilité de l'écoulement catabatique dans la pente antarctique côtière. Après avoir étudié l'écoulement catabatique dans le modèle, on s'intéresse à son interaction avec les précipitations côtières en raison de son impact sur le bilan de masse de surface. La calibration de 7 ans de données d'un Micro Rain Radar (MRR) fournit des observations du profil vertical de précipitations côtières, qui sont alors utilisées pour calibrer les précipitations simulées par LMDZ grâce à une procédure d'ajustement statistique. L'étude met en évidence de possibles lacunes de la représentation de la structure verticale de la CLAA côtière, et de la paramétrisation des précipitations du modèle
Étude de l'effet chimique de fluide interstitiel sur le comportement hydro-mécanique de l'argile de Boom (Couplage C-H-M dans l'argile de Boom)
No full textDeep geological disposal represents a reference solution for the long-term management of radioactive waste by isolating harmful radionuclides from the biosphere through a system of engineered and geological barriers. In Belgium, Boom Clay is considered a reference host formation due to its low permeability, high retention capacity, self-sealing behavior, and favorable mechanical properties. Among the waste forms intended for disposal, Eurobitum waste, produced by bituminization of reprocessing effluents, contains high concentrations of (Na,Ca)NO3. Under repository conditions, the bitumen matrix gradually absorbs water and swells, resulting in the progressive release of hypersaline leachates into the surrounding clay formation. These leachates induce chemical perturbations that can affect the hydro-mechanical behavior of Boom Clay by altering its microstructure, swelling capacity, and strength.This thesis investigates the influence of salinity and sodium occupancy on the hydro-mechanical behavior of Boom Clay by combining a dedicated experimental campaign with the development of a chemo-mechanical constitutive modeling approach. The experimental program includes swelling pressure measurements under constant-volume conditions, salinization and desalinization tests under oedometric conditions, high-pressure oedometric tests, undrained shear strength tests, and microstructural analyses using mercury intrusion porosimetry. The results demonstrate that increasing salinity leads to a reduction in swelling pressure, an increase in shear strength, and modifications of the aggregate structure, especially at high ionic strengths, which also result in increased hydraulic conductivity.To interpret and predict these coupled effects, a chemo-mechanical constitutive model named ACC2-Chem was developed. This model extends an existing elasto-plastic framework (ACC-2) by incorporating a chemo-elastic strain formulation linked to ionic strength and sodium occupancy. The model was implemented in the finite element code LAGAMINE and calibrated using laboratory results. Its validity was verified through the reproduction of salinization/desalinization and triaxial test results at the laboratory scale. Finally, 2D repository-scale simulations were conducted to evaluate the long-term chemo-hydro-mechanical behavior of Boom Clay under high salinity perturbations. The simulations capture the phenomenological evolution of the repository through four sequential phases: (1) an initial excavation phase lasting one day, (2) a 100-year operational phase under drained conditions, (3) a 300-year post-operational equilibrium phase, and (4) a 500-year swelling and/or diffusion phase simulating long-term interactions between Eurobitum waste and Boom Clay.The findings improve understanding of Boom Clay’s behavior in chemically disturbed environments and provide a predictive framework to support safety and performance assessments for the geological disposal of bituminized radioactive waste in Belgium.Le stockage géologique profond constitue une solution de référence pour la gestion à long terme des déchets radioactifs, visant à isoler les radionucléides dangereux de la biosphère grâce à un système de barrières techniques et géologiques. En Belgique, l’argile de Boom est considérée comme une formation hôte de référence en raison de sa faible perméabilité, sa capacité élevée de rétention et ses propriétés mécaniques favorables. Parmi les types de déchets destinés à l’enfouissement, le déchet bitumineux Eurobitum, issu de la bituminisation des effluents de retraitement, contient des concentrations élevées de (Na,Ca)NO3. Dans les conditions du stockage, la matrice bitumineuse absorbe progressivement de l’eau et se dilate, ce qui entraîne la libération progressive de lixiviats hypersalins dans la formation argileuse environnante. Ces lixiviats provoquent des perturbations chimiques susceptibles d’affecter le comportement hydro-mécanique de l’argile de Boom en modifiant sa microstructure, sa capacité de gonflement et sa résistance. Cette thèse analyse l’influence de la salinité et de l’occupation de sodium sur le comportement hydro-mécanique de l’argile de Boom, en combinant une campagne expérimentale ciblée et le développement d’un modèle constitutif couplant chimie et mécanique. Le programme expérimental comprend des mesures de pression de gonflement en conditions de volume constant, des cycles de salinisation/désalinisation en conditions oedométriques, des essais oedométriques sous hautes pressions, des essais triaxiaux non drainés ainsi que des analyses microstructurales par intrusion de mercure. Les résultats montrent qu’une augmentation de la salinité réduit la pression de gonflement, accroît la résistance au cisaillement et modifie la structure des agrégats, notamment à haute force ionique, ce qui entraîne également une augmentation de la conductivité hydraulique. Pour interpréter et prédire ces effets couplés, un modèle constitutif chemo-mécanique nommé ACC2-Chem a été développé. Ce modèle étend un cadre élasto-plastique existant (ACC-2) en intégrant une formulation de déformation élastique chimique liée à la force ionique et à l’occupation de sodium. Il a été implémenté dans le code éléments finis LAGAMINE et calibré sur les résultats expérimentaux. Sa vérification a été réalisée par la reproduction numérique des essais de salinisation/désalinisation et des essais triaxiaux. Enfin, des simulations 2D à l’échelle du stockage ont été menées afin d’évaluer le comportement chemo-hydro-mécanique à long terme de l’argile de Boom soumis à des perturbations salines importantes. La campagne de simulations décrit l’évolution phénoménologique du stockage à travers quatre phases successives : (1) une phase d’excavation d’une journée, (2) une phase opérationnelle de 100 ans en conditions drainées, (3) une phase d’équilibre post-opérationnel de 300 ans, et (4) une phase de gonflement et/ou de diffusion de 500 ans simulant l’interaction prolongée entre Eurobitum et l’argile de Boom. Ces travaux contribuent à une meilleure compréhension du comportement de l’argile de Boom en milieu chimiquement perturbé et fournissent un cadre prédictif utile à l’évaluation de la sûreté et des performances des stockages géologiques profonds des déchets bitumineux en Belgique
Schémas numériques efficaces pour les équations d’évolution avec singularités et chocs
No full textIn this Thesis, we develop efficient numerical schemes for evolution partial differential equations (PDEs) with shocks and singularities. Such PDEs arise in diverse applications, including fluid dynamics, phase transition, and radiation transport.In Chapter 3, we solve the Yee-LeVeque model and its generalization using a novel numerical scheme that perturbs the stiff reaction parameter in a mesh-dependent manner. For this scheme, we establish a maximum principle and entropy inequalities without restrictive assumptions on the mesh-size or the time-step.In Chapter 4, we study the steady neutron transport equation with stiff reaction terms.By applying the edge stabilization technique, we relax some mesh constraints and develop an efficient post-processing technique to remove non-physical oscillations while preserving the positivity and conservation properties of the scheme.In Chapter 5, we focus on the Allen-Cahn equation, a fundamental phase-field model with stiff source terms.Here, we propose a nonlinear scheme for which we prove a maximum principle and derive an optimal energy-error bound with polynomial dependence on the singularity perturbation factor (or reaction parameter).In Chapter 6, we investigate the linear wave equation.Our contributions are novel hp-a priori and a posteriori error bounds, valid even for low-regularity solutions, and an adaptive time refinement scheme driven by our a posteriori error estimators.Numerical experiments across all chapters demonstrate the efficiency and reliability of the proposed schemes.Dans cette thèse, nous développons des schémas numériques efficaces pour des équations aux dérivées partielles (EDPs) d'évolution présentant des chocs et des singularités. Ces EDPs apparaissent dans divers contextes, notamment en dynamique des fluides, transition de phase et transfert radiatif. Dans le chapitre 3, nous résolvons le modèle de Yee-LeVeque et sa généralisation en utilisant un nouveau schéma numérique qui perturbe le paramètre de réaction de manière dépendante du maillage.Pour ce schéma, nous établissons un principe du maximum et des inégalités d'entropie sans hypothèses restrictives sur la taille du maillage ou du pas de temps. Dans le chapitre 4, nous étudions l'équation du transport neutronique stationnaire avec termes de réaction raide. En appliquant une technique de stabilisation qui pénalise le saut de la dérivée normale à-travers les arêtes, nous relâchons certaines contraintes sur le maillage et développons une technique de post-traitement efficace pour éliminer les oscillations non physiques tout en préservant les propriétés de positivité et de conservation du schéma. Dans le chapitre 5, nous nous concentrons sur l'équation d'Allen-Cahn, un modèle fondamental de champ de phase avec termes sources raide. Nous y proposons un schéma non linéaire pour lequel nous démontrons un principe du maximum et obtenons une borne supérieure optimale en norme d'énergie avec dépendance polynomiale au facteur de perturbation singulière (ou au paramètre de réaction).Dans le chapitre 6, nous étudions l'équation des ondes linéaire. Nos contributions incluent de nouvelles bornes hp d'erreur a priori et a posteriori, valables même pour des solutions de faible régularité, ainsi qu'un schéma de raffinement temporel adaptatif guidé par nos estimateurs d'erreur a posteriori. Les expériences numériques dans tous les chapitres démontrent l'efficacité et la fiabilité des schémas proposés
Simulating generic agrivoltaic systems with ORCHIDEE: Model development and multi-case study insights
No full textInternational audienceAgrivoltaics (AVs) has emerged as a promising solution to address the competing demands for land, energy, and food production within the Water-Energy-Food-Ecosystem (WEFE) nexus. However, its effects depend on climate, crops and local conditions, requiring large-scale models capable of capturing these variations. For this purpose, our study introduces a new regional-scale AV model, at the interface with regional climate models and the Organizing Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems (ORCHIDEE) land surface model, to explore the interactions between climate, AV systems and crops within the WEFE nexus. The model is applied to two AV configurations across three distinct climates (dry, wet, and climatological) over the Iberian Peninsula and The Netherlands , using two generic crop types. The results reveal that in arid regions with high solar radiation, such as in the southern Iberian Peninsula, AV systems offer many advantages, particularly in dry years: increased crop productivity, enhanced food security and better use of water and land, whileproducing renewable energy. In contrast, in The Netherlands , characterized by abundant rainfall and lower solar radiation, AV systems tend to reduce crop productivity, and the gains in terms of water and land use are less marked. These findings highlight the model ability to assess AV systems by capturing regional specificity and varying responses to different climatic contexts. They suggest that optimizing AV system designs involves a nuanced approach, carefully balancing the synergies across energy production, agricultural productivity, and resource use while managing the trade-offs inherent to different climatic conditions
Multiple-scale distributed PV potential penetration in a densely populated city: A case study of Grand Paris metropolis
No full textInternational audienceUrban sustainability is a critical challenge for climate action, and increased photovoltaic (PV) production is expected to help meet this challenge. However, due to the variable nature of PV, its integration adds complexity to grid management, requiring careful consideration of the energy balance. This study addresses the challenges of energy transition and urban sustainability in densely populated cities through a case study of rooftop photovoltaic (PV) integration in the Grand Paris metropolis. Focusing on energy balance metrics such as self-consumption rate (SCR) and self-sufficiency rate (SSR), the research explores the benefits of distributed PV installations across residential and commercial sectors. Using hourly electricity consumption profiles and PV generation data, the analysis evaluates the impact of energy-sharing schemes within and across urban subregions (city center and semi-urban periphery) and between sectors. The results show that, over an extended scope, cross-sector energy sharing can improve SCR and SSR by up to 6.5% across sectors and 10% across geographical subregions. 3.19 TWh of regional residential consumption and 0.44 TWh of commercial consumption could be covered by PV, accounting for 22.4% of the total for both sectors. The periphery benefits significantly from increased SSR, linked to lower building density and higher PV capacity. Economically, rooftop PV reduces energy costs most in peripheral regions, with expanded energy-sharing perimeters enabling additional savings for central areas. These findings suggest that broader energy-sharing frameworks in metropolitan areas can optimize PV utilization, enhance grid stability, and contribute to resilient, sustainable urban energy systems