Deep learning applications to climate change mitigation - Schmidt, Victor (2024)
Les changements climatiques sont un défi mondial imminent, dont les conséquences sont déjà observées. On sait que ces effets s’intensifieront, entraînant une augmentation de la fréquence et de la gravité des événements météorologiques extrêmes, une perturbation substantielle de la production alimentaire et le déplacement de dizaines de millions de personnes en raison de vagues de chaleur mortelles et de sécheresses. La question est donc : que peut-on y faire ? Dans cette thèse, nous faisons des changements climatiques notre objet central et explorons les voies par lesquelles la recherche en apprentissage profond peut contribuer à son atténuation. Un obstacle connu à des politiques climatiques ambitieuses est le manque de soutien et de demande populaires. Cela peut être attribué, en partie, aux causes et conséquences extrêmement complexes et imbriquées des changements climatiques. Une mauvaise conception courante est qu'ils affecteront principalement d’autres personnes que soi-même, des personnes éloignées dans le temps ou l’espace. Pour y remédier, la recherche a montré que présenter aux gens des images authentiques, locales et pertinentes d'un concept les aide à mieux comprendre et appréhender ce qui est en jeu. Dans notre première contribution, nous explorons donc comment les récentes avancées en apprentissage profond pour la vision par ordinateur et les réseaux antagonistes génératifs peuvent être utilisées pour générer des images personnalisées représentant les impacts du changement climatique. Notre objectif avec ClimateGAN est de visualiser à quoi pourrait ressembler une inondation d’un mètre à n’importe quelle adresse, indépendamment de son risque réel d’inondation sous l’effet des changements climatiques. Cette approche vise à susciter l’empathie en rendant les impacts abstraits du changement climatique plus tangibles et personnalisés. En utilisant une image de Google Street View et en la traitant avec ClimateGAN, nous générons des images d’inondation physiquement plausibles et visuellement réalistes basées sur l’adaptation de domaine à partir d’un environnement simulé, la prédiction de profondeur et la segmentation sémantique. Ce modèle a été déployé sur un site web dans le but de sensibiliser et d’engager l’action en faveur des changements climatiques. En plus d’aider les gens à mieux visualiser à quoi pourrait ressembler un avenir climatique hors de contrôle, nous étudions également dans cette thèse comment l’apprentissage profond peut améliorer les technologies existantes. Un domaine majeur de recherche dans cette direction est la recherche de nouveaux matériaux. Dans cette thèse, nous explorons plus particulièrement la prédiction des propriétés des matériaux comme moyen d’accélérer la découverte d'électro-catalyseurs, une famille de matériaux impliqués dans le stockage d’énergie à base d’hydrogène. Nous présentons deux contributions, PhAST et FAENet, qui se concentrent sur l’amélioration du compromis performance/scalabilité dans les réseaux de neurones géométriques de graphe (GNN). Avec PhAST, nous introduisons un ensemble de méthodes pour adapter la procédure GNN classique--de la création du graphe d’entrée aux prédictions d’énergie et de forces de sortie--à la tâche spécifique de prédire l’énergie d’un système atomique adsorbant-catalyseur relaxé. Nous démontrons comment, en plus d’améliorer les performances, ces modifications améliorent l’efficacité et permettent un entraînement compétitif des GNN dans des environnements CPU. Dans FAENet, nous présentons un nouveau GNN efficace pour les prédictions équivariantes E(3). En particulier, nous transposons la charge de l’équivarience sur la représentation des données afin de réduire les contraintes sur le modèle lui-même. Cette approche nous permet d’introduire une nouvelle architecture légère et expressive visant à faire des prédictions meilleures et plus rapides de diverses propriétés des matériaux. Enfin, nous examinons de manière critique notre propre domaine et discutons des impacts environnementaux associés aux technologies de l’IA. Nous nous penchons sur la façon dont les praticiens peuvent estimer leurs émissions de carbone, quelles mesures ils peuvent prendre aujourd’hui pour les réduire, et quelles autres étapes sont nécessaires pour des déclarations et responsabilités environnementales plus précises.

Essays on Water Infrastructure Investments and Infectious Diseases Management - Kouassi, Régis (2024)
En étant nécessaire à la vie humaine, l’eau est également nécessaire au fonctionnement des économies. Pour qu’elle soit utile à la société, l’eau doit être disponible en quantité et en qualité adéquates, caractéristiques qui ne sont pas toujours disponibles dans la nature. Ainsi, trop ou pas assez d’eau entraînerait des inondations ou des sécheresses, tandis qu’une eau contaminée pourrait être le vecteur de maladies contagieuses mortelles, chacun de ces fléaux entraînant des dommages économiques. Cette thèse est organisée en trois chapitres traitant de thématiques liées aux investissements dans les infrastructures d'eau et à la gestion des maladies infectieuses. Le premier chapitre étudie comment les améliorations apportées aux réseaux d’égouts atténuent les impacts économiques des inondations provoquées par la pluie. Pour estimer l’effet causal de ces investissements, ce chapitre utilise un resserrement inattendu du financement fédéral américain en faveur des réseaux d’égouts, à la suite de l’amendement de 1977 à la politique du Clean Water Act. L'analyse empirique combine un nouveau modèle statistique du risque d'inondation induit par la pluie avec des données horaires sur la quantité de pluie dans les comtés et les codes postaux américains de 1996 à 2019. Les résultats indiquent que des investissements plus importants dans les réseaux d'égouts ont conduit à des réductions substantielles des inondations locales. Les bénéfices de ces investissements sont supérieurs à leurs coûts, économisant près de 23 millions de dollars pour le comté moyen. Dans l’ensemble, ces résultats mettent en évidence à quel point la détérioration des infrastructures publiques peut exacerber les conséquences du changement climatique. Le deuxième chapitre étudie le rôle des épidémies locales de maladies infectieuses dans l'adoption de systèmes centralisés d'approvisionnement en eau dans les premières villes américaines au XIXe siècle. À l’aide d’un vaste corpus de données provenant d’archives de journaux de 1800 à 1896, je construis un nouvel indicateur capturant les épidémies de fièvre jaune, de choléra et de fièvre typhoïde au niveau des villes. Les résultats indiquent que (1) les épidémies locales de maladies infectieuses ont entraîné une augmentation du nombre systèmes d'approvisionnement en eau construits par les villes et ont joué un rôle crucial dans la décision de construire environ 12% des ouvrages d’adduction d’eau en activité en 1897 ; (2) La réponse des villes aux épidémies de typhoïde a été deux fois plus importante que celle qui a suivi les épidémies de fièvre jaune ou de choléra. (3) Les entreprises privées ont construit davantage de nouveaux réseaux d’adduction d’eau après les épidémies locales, tandis que les gouvernements locaux ont procédé à davantage d’améliorations et d’extensions des réseaux d’adduction d’eau publics existants ainsi qu’à des rachats de sociétés d’eau privées. Enfin, je discute du rôle potentiel de divers facteurs sociodémographiques. Le troisième chapitre étudie les coûts économiques associés à une stratégie utilisée pour gérer les épidémies locales lors de la récente pandémie de COVID-19. Dans ce travail en collaboration avec Jian Tang, nous quantifions les effets de la politique ‘zéro-COVID’ à l’aide d’un riche ensemble de données sur les confinements au niveau des comtés en Chine et d’images satellitaires nocturnes. Nous constatons que des confinements plus stricts induisent une forte baisse de la luminosité nocturne au cours de la même période, suivie d’une lente reprise, qui se produit au moins deux trimestres après l’instauration du confinement. En l’absence de contagions généralisées, un comté soumis à un confinement total subit en moyenne une perte de PIB de 6% par rapport aux comtés non confinés. L’effet négatif est particulièrement persistant dans les zones où la production est dominée par les services, par opposition aux zones où la production est dominée par l’activité manufacturière. L’on note par ailleurs la présence d’effets d’entraînement à proximité des comtés confinés, mais ces effets sont de courte durée.

Impact des changements climatiques sur la réponse des petits cours d'eau du nord de la Gaspésie, Québec - Boulet, Yan (Université du Québec à Rimouski, 2024)
RÉSUMÉ : Bien que représentant la majorité des réseaux hydrographiques à l’échelle mondiale, les petits cours d’eau de tête sont souvent mis de côté dans les analyses abordant les impacts qu’auront les changements climatiques sur leur régime hydrologique. Pourtant, ils sont d’une importance capitale pour la qualité des eaux de surface et des habitats en plus de représenter la source principale de sédiments contribuant au dynamisme des rivières qu’ils alimentent. Ce mémoire vise à utiliser des données météorologiques actuelles et de projections climatiques pour mieux comprendre la réponse hydrologique des petits bassins versants nord gaspésiens lors d’événements hydrologiques d’importance (torrentialité, crue printanière). En développant un seuil intensité – durée de déclenchement d’aléas hydrogéomorphologiques adapté au nord de la Gaspésie et en calculant des tendances climatiques, il a été observé que les événements surpassant le seuil seraient de 2 à 3 fois plus fréquents en 2100 qu’en 2011 selon les scénarios RCP4.5 et RCP8.5. Les résultats de ces analyses ont initié une réflexion sur les impacts morphologiques potentiels à prendre en compte dans une optique de gestion et d’utilisation du territoire dans une région où les cours d’eau sont particulièrement dynamiques et sensibles au déclenchement d’aléas hydrogéomorphologiques. La hausse de la fréquence des événements surpassant le seuil, le comportement hydrologique du cours d’eau instrumenté lors d’événements de crue connus et documentés et le modèle conceptuel proposé mettent en relation les changements climatiques projetés, les impacts sur la réponse hydrologique et les ajustements morphologiques qui pourraient survenir à l’intérieur des petits cours d’eau, sur leurs cônes alluviaux et dans les rivières principales dans lesquelles ils se jettent. -- Mot(s) clé(s) en français : changements climatiques, hydrogéomorphologie, petits cours d’eau, pluies torrentielles, Gaspésie, aléas. -- ABSTRACT : Even though they represent over 70% of stream length in drainage networks at the global scale, small headwater streams are often sidelined when evaluating climate change impacts on the hydrological regime of rivers. Yet, they are of capital importance in maintaining surface water and habitat quality for ecological and resource management purposes. Furthermore, they represent the main source of sediments for downstream fluvial systems, being the main contributor to their dynamics. This thesis aims to use historical meteorological data and climate projections to better understand the hydrological response of small gaspesian headwater streams to important flood events. By developing a triggering intensity – duration rainfall threshold for hydrogeomorphological hazards adapted to the region and extracting trends from precipitation projections, it has been observed that the annual number of events surpassing the threshold would at least double in 2100 in comparison to 2011. Those results initiated a reflection on potential morphological adjustments to consider for land use and management in a region where rivers are particularly mobile and sensitive to the triggering of hydrogeomorphological hazards. The increase in the frequency of triggering rainfall, the hydrological behavior of the instrumented stream during known and documented flood events and the proposed conceptual model help explain potential climate change effects on the hydrological response and morphological adjustments that could happen inside headwater streams, on their alluvial fan and in the main rivers they feed. -- Mot(s) clé(s) en anglais : climate change, hydrogeomorphology, headwater streams, torrential rainfall, Gaspesie, natural hazards.

Élaboration d'une méthode de détection et de caractérisation des occlusions présentes dans les nuages de points massifs de zones résidentielles - Albert, William (2024)
La fréquence et l'ampleur des dommages causés par les inondations au Canada augmentent chaque année, nécessitant des solutions préventives. Les étages inférieurs des bâtiments sont particulièrement vulnérables, justifiant la nécessité de détecter avec précision les ouvertures comme les portes et les fenêtres. Les nuages de points obtenus par télémétrie mobile sont bien adaptés pour identifier la présence de ces ouvertures sur les façades de bâtiments. Toutefois, la présence d'occlusions dans les nuages de points causées par des objets obstruant le faisceau LiDAR rend cette tâche complexe. Le présent projet de maîtrise vise à répondre à cette problématique en proposant une approche pour détecter et caractériser les occlusions dans les scènes acquises dans les milieux résidentiels et ruraux. La conception de la méthode est articulée autour de deux volets : la segmentation sémantique pour étiqueter le nuage de points et la détection d'occlusions par lancer de rayons. La méthode a été validée à partir de données simulées car elles permettent un contrôle total sur l'environnement et facilitent la visualisation des résultats. Cette analyse a ensuite été transposée sur les résultats obtenus à partir du nuage de points réel. Les résultats obtenus par la méthode proposée ont démontré une capacité à détecter la présence d'occlusions dans les milieux résidentiels et ruraux. La combinaison de la segmentation sémantique pour l'étiquetage du nuage de points avec la détection d'occlusions par lancers de rayons a permis une identification robuste des occlusions. Ces résultats soulignent l'efficacité de la solution dans des contextes réalistes, renforçant ainsi sa pertinence pour la détection précise des ouvertures sur les façades, une étape cruciale pour évaluer les risques liés aux inondations. La transposition réussie de l'analyse des données simulées aux résultats du nuage de points réel valide la robustesse de l'approche et son applicabilité dans des scénarios du monde réel.

Improving ensemble streamflow forecasts through targeted post-processing and rating curve uncertainty analysis - Askarinejad, Alireza (2024)
Abstract : Flood forecasting plays a pivotal role in effective water resource management and flood risk mitigation. Despite recent advancements, existing ensemble forecasting systems often grapple with issues of unreliability and under-dispersion. The uncertainty in ensemble forecasts can emanate from various sources, including inputs like precipitation, temperature, and streamflow, as well as initial conditions, model structure and parameters, and boundary conditions. Over the past two decades, numerous endeavors have been made to address bias and under-dispersion through the introduction of various statistical post-processing methods in meteorological and hydrological forecasts. However, a significant challenge lies in selecting the appropriate method and strategy in the forecast chain. Limited research has addressed the integration of pre-processing and post-processing in streamflow ensemble forecasting. Moreover, existing studies have generally focused on lumped hydrological models, while the performance of this integration in distributed hydrological models remains scarcely examined. On the other hand, streamflow data, often indirectly measured through rating curves, are particularly susceptible to errors. While various methods have been proposed to estimate rating curve uncertainty (RCU), the impact of RCU on streamflow forecasting system performance remains underexplored. In addition, current post-processing methods utilized in streamflow forecasting systems have disregarded the inherent uncertainty in observational streamflow data. Thus, this thesis delves into the potential and hurdles associated with considering different sources of uncertainty in flood forecasting systems and their impact on system performance. The primary objectives entail 1) assessing and identifying optimal scenarios from pre-processing of both temperature and precipitation and post-processing of streamflow forecasts approaches, or a combination thereof, and 2) evaluating the consideration of rating curve uncertainty on flood forecasting system performance through incorporating into targeted post-processing methodologies. The thesis focuses on a short-range ensemble streamflow forecasting framework spanning lead times of 1 to 5 days for the au Saumon watershed in southern Quebec, Canada. This watershed, being flood-prone, encountered significant challenges during the 2019 and 2017 flood events, including widespread inundation, road closures, and damage to property and infrastructure. Enhancing streamflow ensemble forecasts and upgrading flood forecasting systems holds the potential to greatly benefit decision-makers and the local populace. Chapter 4 (Results part 1), presented as a scientific article, thus delves into assessing and employing various pre- and post-processing strategy scenarios within the flood forecasting framework employing a spatially distributed hydrological model. By applying different statistical processing and bias correction techniques, the performance and quality of ensemble streamflow forecasts were evaluated across different scenarios. The findings highlight biases and under-dispersion as significant factors affecting raw ensemble forecasts. Pre-processing partially improves raw forecasts but doesn't fully address bias in under-dispersed forecasts. Combining pre- and post-processing enhances forecast skill and reliability, albeit with some variations compared to post-processing alone. Integrating flood events into the training dataset and optimizing its length improves the effectiveness of processing methods, underscoring the critical role of data management strategies in enhancing streamflow forecasting systems. Subsequently, Chapter 5 (Results part 2) , evaluates the consideration of rating curve uncertainty, derived from the Voting Point Method (VPM) and Bayesian Rating curve (BaRatin) estimation methods, on the performance of streamflow ensemble forecasts by integrating into a targeted post-processing approach using Weighted Ensemble Dressing (WED) and Cumulative Distribution Function Matching (CDFM) post-processing methods. Post-processing without RCU enhances forecasting system skill and reliability but overlooks the inherent uncertainty in observational data, posing concerns about its effectiveness. Conversely, integrating RCU improves forecast skill, reliability, and effectively addresses observational data uncertainty, offering a notable advantage over traditional post-processing methods. Comparing WED and CDFM post-processing methods highlighted nuanced differences in forecast outcomes, influenced by uncertainty estimation techniques. Both methods showed favorable accuracy metrics, with RCU integration, especially from VPM, notably enhancing forecast quality. However, variations in RCU from different estimation methods may lead to forecast underestimation or overestimation, warranting careful consideration. These findings collectively shed light on the potential and challenges associated with incorporating different sources of uncertainty into flood forecasting systems.

Local agency, adaptation, and planning betwixt and between urban risks and climate change in Panorama, Colombia - Lajoie, Steffen (2024)
Cette thèse explore l'adaptation urbaine au changement climatique dans les quartiers informels du Sud Global. Ce sont des lieux de grands défis et de réponses innovantes. Le contexte mondial d’exclusion postcoloniale et capitaliste entraîne la vulnérabilité et le risque supplémentaire du changement climatique augmente ces aléas contextuels. Des chercheurs ont critiqué les réponses traditionnelles en matière de planification de l’adaptation, les jugeant trop prescriptives, technologiquement dépendantes et manquant les besoins locaux. L’adaptation communautaire peut être trop isolée et axée sur les besoins des individus et des élites face à la diversité des défis locaux. Ni l’un ni l’autre ne prennent en compte les dimensions politiques de la planification de l’adaptation. En réponse, les spécialistes critiques de l’adaptation urbaine ont appelé à une meilleure compréhension des expériences locales afin de comprendre comment les gens priorisent, négocient et réagissent à une multiplicité de risques. En réponse à ces appels, ce projet cherche à mieux comprendre comment les gens perçoivent et répondent à ces défis à travers une étude de cas unique et exploratoire. Grâce à l’étude de cas qualitative dans le quartier de Panorama, situé dans la municipalité de Yumbo, en banlieue de Cali en Colombie, le projet cherche à comprendre comment l'identité et le pouvoir influencent l'accès aux ressources et aux institutions nécessaires pour s'adapter. Le projet se concentre sur deux sites de Panorama : un comité local d'aménagement soucieux de la sécurité foncière et une fondation écologique travaillant sur la conservation des espaces verts. Les résultats mettent en évidence des règles du jeu inégales où les habitants les plus vulnérables empruntent des voies parfois illégales pour accéder à la terre et au logement. Plus les résidents sont établis, plus ils bénéficient d'avantages et d'expérience pour jouer le système. Les dirigeants et les experts travaillent dur pour négocier entre les formalités. Cependant, l’absence d’un processus de planification transparent laisse divers intérêts se disputer les ressources, ce qui conduit parfois à des conflits et met fin à la créativité. Les résultats de la recherche suggèrent que la planification de l’adaptation urbaine dans les contextes informels des pays du Sud doit continuer à s’appuyer sur des recherches et des pratiques qui tiennent compte de la diversité et des conflits afin de mieux faciliter une réponse juste et équitable à la crise climatique.