Les projets du CCUR sur la période 2010-2011

Projet : Etudes pangénomiques du complexe d'espèces de Ralstonia solanacearum

Participant : Gilles Cellier

Ralstonia solanacearum est une bactérie phytopathogène de quarantaine placée sur la liste ‘Bioterrorism Select Agent‘, compte tenu de sa distribution géographique, de son spectre d’hôte en continuelle extension, et de son impact économique considérable. Caractérisée par une grande hétérogénéité, cette espèce est distribuée dans plusieurs milliers de lignées qui constituent un complexe d’espèces dont font partie l’agent du Blood Disease Bacterium (BDB, syn. R. celebense) et R. syzygii agent du ‘Sumatra Disease of Clove’. Auparavant, la classification était basée sur les spectres d’hôtes/tests biochimiques dans un schéma race/biovar. Aujourd’hui, la classification en phylotype/sequevar est devenue la référence en assignant un potentiel de spectre d’hôtes à la position phylogénétique précise des lignées. C’est en s’appuyant sur ce schéma de classification qui prend en compte les relations évolutives et de virulence, que les génomes des souches GMI1000 (phylotype I/tomate), IPO1609 (phylotype IIB-Andes/pomme de terre) et Molk2 (phylotype IIB-tropical/banane) ont été séquencés par LIPM-Toulouse. Composés de deux réplicons, un chromosome et un mégaplasmide, ces génomes ont révélé une exceptionnelle diversité de structure et de contenu génétique. Fort de nouvelles données de séquençage sur 3 souches, nous utilisons la puissance de calcul de Titan afin de déterminer la phylogénie de ce complexe d'espèces et de comprendre la structure de sa population.

Projet 2

Participant : Pierre Lefeuvre

La compréhension de l'émergence des micro-organismes fait appel à différents domaines clefs allant de la génomique à l'écologie. Ici, il faut traiter, analyser et associer des séquences d'acides nucléiques à des données écologiques. Dans le cadre de nos études, nous nous intéressons plus particulièrement aux dynamiques évolutives, phylogéographiques et écologiques de virus /(/genre/ Begomovirus)/ et de bactéries /(/genres /Xanthomonas/ et /Ralstonia)./

Titan est utilisé notamment pour l'alignement des séquences, la reconstruction de phylogénie ou l'inférence de leur histoire évolutive.

Projet 3: Signal Phylogénétique de traits fonctionnels

Participant : Olivier Flores

Au sein du vivant, les distributions de traits fonctionnels, marqueurs biologiques reliés à la valeur sélective des individus (masse, taille,...), dérivent de processus évolutifs à plusieurs échelles temporelles. Soumis à sélection, les traits peuvent évoluer de façon adaptative en réponse aux conditions environnementales. Des contraintes (biologiques, historiques, physiques) peuvent limiter la variabilité de traits au cours de l'évolution et induire une inertie phylogénétique. Ces processus impriment dans les distributions actuelles des patrons conservatifs (des espèces proches phylogénétiquement auront tendance à avoir des attributs similaires) ou au contraire de diversification au cours de radiations. Actuellement, l'augmentation des données disponibles concernant la phylogénie et les traits fonctionnels permet de calibrer différents modèles statistiques de processus macro-évolutifs (dérive, sélection, neutralité). La calibration de ces modèles permet alors de comparer et tester différents scenarii évolutifs. Dans le cadre de ce travail, on s'intéresse en particulier à des traits folaires basés sur un large échantillonnage de taxons chez les végétaux vasculaires.

La modélisation des écoulement d'air et les transferts thermiques associés sont particulièrement complexes dans un bâtiment. Contrairement à un écoulement autour d'un avion, où les vitesses sont toutes du même ordre, un écoulement dans un bâtiment, une très grande diversité de régimes d'écoulement coexistent : faibles nombre de Reynolds/Rayleigh, forts nombres de Reynolds/Rayleigh, transitions à la turbulence.
Cette hétérogénéité d'écoulements et la complexité des écoulements externes et internes dans les bâtiments nous conduisent à développer des modèles d'équations de transports originales pour la quantité de mouvement et l'enthalpie.

Les codes que nous faisons tourner sur le calculateur résolvent directement des équations de Navier-Stokes (DNS), ou les grandes structures turbulentes (LES). Les résultats produits nous permettent, après un traitement mathématique, de produire des modèles physiques dits pénalisés (MP).
Ces modèles physiques sont résolus en utilisant des schémas de projection sur des espaces à divergence nulle.

Projet 1: Génération de données climatiques type pour les codes de simulations numériques des systèmes énérgétiques (bâtiments, EnR, réseaux, etc.).

Participant : Mathieu DAVID

La méthode de génération s'appui sur une classification automatique utilisant la logique floue. Cette classification est appliquée à des bases de données climatiques mesurées sur de plus ou moins longues périodes et présentant une faible qualité (discontinuité des mesures principalement).

Projet 2 : Développement modèles de sous mailles pour la convection naturelle

Participant : Alain Bastide

Les modèles classiques (LES) ont des niveaux de performances très faibles
à grand nombre de Rayleigh. Nous développons des modèles de diffusivité de
sous mailles qui permettent une très bonne prise en compte de cascades
d'énergies. Le point fort est aussi la modélisation des recombinaisons et
donc des cascades inverses d'énergie.

PROJET ANR 4C (Coordinateur Alain Bastide, PIMENT-UR)

Projet 3 : Développement de modèles pénalisés pour le bâtiment

Participant : Alain Bastide

Les modèles aérauliques utilisés dans le bâtiment doivent obligatoirement
s'appuyer sur de nombreux paramètres empiriques afin de pouvoir simuler le
comportement thermo-aéraulique d'un bâtiment sur une année. L'intérêt de
ce type de modèle réside dans sa très grande rapidité d'exécution mais
l'inconvénient majeur est la production de résultats très dépendant des
coefficients empiriques.
J'ai donc développé une nouvelle classe de modèle (Modèles MP) qui
s'affranchit de tous ces coefficients et dont les résultats sont de
qualité largement supérieurs à ceux obtenus par les modèles classiques.

PROJET ANR DynaSimul (Coordinateur Etienne Wurtz, Institut de l'Énergie
Solaire - CNRS)

Projet 4 : Développement de conditions limites pour des géométries ouvertes

Participant : Alain Bastide

Classiquement, pour simuler le comportement des transferts dans un élément
passif, il est nécessaire de simuler un fluide dans l'élément passif en
intégrant une enveloppe autour de cet élément. Cette enveloppe est
présente car nous ne connaissons pas a priori les profils des variables à
l'entrée de composants passifs.

Couteuse en temps de calcul, cette enveloppe doit être enlevée et pose le
problème des conditions limites sur une géométrie ouverte.

Nous développons donc des conditions limites physiquement admissibles en
fonction des régimes d'écoulements.

PROJET CNRS – ADNBATI (Alain Bastide, PIMENT-UR)

Projet 5 : Etude numérique de la ventilation traversante naturelle d’un écoulement d’air incompressible dans une cavité ouverte par une approche DNS

Participant : Boris Brangeon

Il s'agit d'une étude numérique bidimensionnelle sur les écoulements d’air naturel, à l’intérieur d’une géométrie ouverte. La géométrie est un bâtiment avec deux ouvertures opposées et décentrées permettant de créer un fort potentiel entre l’entrée et la sortie afin de mettre en place une circulation d’air traversante. Les caractéristiques géométriques sont les suivantes : H = 2, 50m de hauteur et L = 6, 50m de largeur. Une différence de température entre les murs et l’air extérieur est fixé, résultant en un nombre caractéristique de Rayleigh (Ra) qui varie entre 10^5 − 10^8.
L'étude se base sur un modèle d’ambiance de référence d’un benchmark « ADNBATI » coordonné par le « Centre National de la Recherche Scientifique-CNRS- ». Une discussion autour de la condition limite d’entrée de pression sera étayée dans l'article en cours de rédaction.

Projet 1: Détermination de l'épaisseur de la croûte et de la lithosphère

Participants : Fabrice R. Fontaine et Guilhem Barruol

L’interface entre la croûte et le manteau est une discontinuité sismique appelée discontinuité de Mohorovičić. L’épaisseur de la lithosphère est un paramètre clé dans la dynamique du manteau terrestre, en particulier au dessus d'un point chaud où l'on peut s'attendre à son érosion thermique par le panache mantellique. La méthode des fonctions récepteur permet l’estimation de l’épaisseur de la croûte et celle de la lithosphère ainsi que la détermination des vitesses sismiques.

Nous utiliserons différentes méthodes sismiques pour calculer et inverser les fonctions récepteur obtenues au niveau de sismomètres déployés temporairement en Australie et à La Réunion.

Projet 2 : Cartographie du fluage du manteau supérieur sous l'océan indien

Participants : Guilhem Barruol et Fabrice R. Fontaine

L'analyse des données sismologiques des stations permanentes installées à La Réunion et plus généralement dans l'ouest de l'océan indien permet d'effectuer des mesures d'anisotropie sismique du manteau lithosphérique et asthénosphérique sous les stations considérées. En analysant de façon systématique de longues périodes d'enregistrement (de l'ordre d'une dizaine d'années ou plus) par des méthodes de mesure de déphasage des ondes S télésismiques ou bien par la mesure des déviations de polarisation des ondes P télésismiques, notre objectif est de décrypter la partie lithosphérique ancienne de la déformation du manteau de celle plus récente voire actuelle qui peut être localisée dans l'asthénosphère sous-jacente.
Le traitement des données se fait via des logiciels spécialiés (SAC, Seismic Analysis Code) ou bien des programmes fortran que nous avons développé pour nos propres besoins.

Projet 1 : Intégration et validation d'un schéma microphysique à 2 moments dans Méso-NH

Participant : Christelle Barthe

Des questions se posent sur l'aptitude des schémas microphysiques utilisés actuellement dans les modèles mésoéchelles à reproduire la structure microphysique des cyclones tropicaux. Une nouvelle approche consiste à utiliser comme variables pronostiques la concentration en nombre de la glace primaire, le rapport de mélange des particules de glace croissant par diffusion de vapeur et le rapport de mélange des particules de glace grossissant par givrage. Ainsi, les particules glaces ne sont pas partitionnées a priori dans des catégories.

Un tel schéma microphysique à deux moments (Morrison et Grabowski, 2008) a été intégré à Méso-NH. Il est actuellement en phase d'évaluation. Un cadre dynamique bidimensionnel est utilisé pour comparer les schémas microphysiques actuels de Méso-NH à ce nouveau schéma.

Projet 2 : Développement et validation d'un schéma électrique explicite dans Méso-NH

Participant : Christelle Barthe

L'algorithme d'activité électrique (Barthe et Pinty, 2007) a été ré-écrit dans une version parallélisée. Des tests réalisés sur une cellule convective sur 1, 2 et 4 processeurs montrent que le schéma est robuste (notamment même nombre d'éclairs et même quantité de charge électrique neutralisée entre les différentes simulations). Une deuxième phase de tests consiste à réaliser des simulations d'un orage complexe effectuant une transition entre une structure multicellulaire et une structure supercellulaire, observé lors de la campagne STERAO. Cela permettra de valider et de calibrer ce nouveau schéma électrique explicite. L'objectif est de pouvoir simuler des cellules convectives et des cyclones, sur des cas idéalisés ou réels, afin de comprendre les mécanismes de déclenchement de l'activité électrique et l'identification de proxies. Le potentiel de l'activité électrique comme prédicteur des phases d'intensification des cyclones tropicaux sera étudié.

Projet 3 : Mise au point d'une échelle verticale pour la simulation des ondes de gravité générées par le cyclone Ivan

Participants : Christelle Barthe, Chouaïbou Ibrahim (Directeur thèse : Fabrice Chane-Ming)

Afin d'étudier les ondes de gravité générées par le cyclone tropical Ivan, il a fallu redéfinir une nouvelle échelle verticale avec une plus grande concentration de niveaux dans la couche limite pour bien représenter les flux océan-atmosphère, mais aussi la région de la haute troposphère - basse troposphère où sont générées et se propagent les ondes de gravité.

Projet 4 : Impact de l'orographie sur la trajectoire et la structure des cyclones

Participant : David Barbary

La compréhension des interactions entre un cyclone et un relief marqué comme celui de La Réunion est importante pour l'évaluation des impacts hydro-météorologiques (vents extrêmes et précipitations intenses). Ce travail en cours depuis 2008, et faisant suite à la thèse de S. Jolivet soutenue en 2008, vise à mieux comprendre l’influence du relief de La Réunion sur les trajectoires de cyclones lorsqu’ils s’approchent de l’île. Une première étude climatologique a montré une distance d’influence de La Réunion de quelques centaines de kilomètres, qui dépend de l’intensité des systèmes dépressionnaires. En 2010, une étude idéalisée a été menée.

Dans un premier temps, les paramètres adimensionnés connus dans la littérature (Lin et al., 2005, MWR), qui définissent les systèmes dépressionnaires et le relief de La Réunion, ont été adaptés à l’étude. Il apparaît en particulier nécessaire d’introduire la distance entre le centre du cyclone et l’île. Sur les cas réels, on montre un lien entre les nombre adimensionnés, même si les coefficients de corrélation sont faibles. Cette faible corrélation peut être dûe à l’effet prépondérant de l’environnement sur la trajectoire des cyclones.

Dans un deuxième temps, afin de confirmer l’hypothèse de l’effet du relief sur les trajectoires de cyclones et afin de caractériser cet effet et les mécanismes associés, un ensemble de simulations numériques idéalisées à haute résolution (4 km) avec Meso-NH ont été réalisées sur le CCUR. Les résultats, dont l’analyse doit encore être approfondie, suggèrent un ralentissement à l’approche de l’île et une déviation de quelques dizaines de kilomètres dépendant de la distance entre le cyclone et l’île. Les mécanismes de déflection pourront être analysés à partir de la décomposition de l’équation d’évolution du tourbillon. La production des résultats sera conclue en 2010, et doit aboutir à une publication dans une revue à comité de lecture.

Projet 5 : Etude des précipitations à la Réunion

Participant : Chane-Ming Fabrice

Lors d’un épisode précipitant intense, et indépendamment de la prévision des précipitations, il est primordial de disposer d’analyses de précipitations a posteriori, pour la prévention des risques. Mais, étant donnée la couverture partielle de La Réunion par les radars, (Radar en bande S du Colorado, 2ème radar polarimétrique fin 2011 dans le sud) et le caractère ponctuel des mesures de précipitations par les pluviomètres, les observations ne permettront pas une spatialisation complète des cumuls de précipitations lors d’épisodes intenses.

Il est donc proposé de mettre en oeuvre une méthode de spatialisation des cumuls de précipitations,obtenues par fusion des données issues de champs simulés par les modèles, des mesures des pluviomètres, et des lames d’eau radar.

Projet 6 : Etude du transport et des transformations physico-chimiques des aérosols.

Participants : Pierre TULET, Nelson BEGUE

En matière de pollution, des questions clés subsistent en ce qui concerne la métrologie des particules, l’identification de la nature des particules et la compréhension des processus de formation des particules (tant sur le plan de la chimie que de la physique des aérosols). Afin d’apporter quelques éléments de réponse, on s’aide du modèle Méso-NH doté d’un module de chimie gazeuse et d’aérosol complet. Compte-tenu des périodes d’étude de transport relativement longue (~7 jours) et des temps de « run » relativement long pour de courtes périodes de simulation (ex, 24 heures de « run » pour 6 heures de simulation), l’utilisation de TITAN se résume essentiellement à la résolution des problèmes de programmation des modules de Méso-NH et à la réalisation de test sur de courtes périodes. Durant cette année 2010, l’utilisation du calculateur s’est avéré très utile pour tester un programme de lessivage des aérosols basé sur les travaux de Seinfeld et al.,. (1997). Le constat après cette première année d’utilisation est que les capacités numériques de TITAN ne nous permettent pas d’effectuer des simulations physico-chimiques sur des grilles de calculs suffisante. Les simulations sont portées sur des machines plus puissantes comme celles de l’Idris ou du Cines. En revanche, Titan s’avère très utile pour tester nos développements numériques dans une configuration multi-processeurs. C’est donc dans cette configuration que notre équipe utilisera Titan à l’avenir.

Projet 7 : Etude numérique des relations entre le taux d'éclairs et différents paramètres microphysiques et dynamiques

Participants : Christophe Bovalo, Christelle Barthe

Prévoir l'activité électrique d'un orage est une tâche difficile compte tenu de la complexité des processus liés à l'électrisation du nuage et à la propagation des éclairs. Aujourd'hui, seuls quelques modèles de nuage résolu sont capables de simuler explicitement le cycle de vie complet des charges électriques dans le nuage. Mais la complexité et le coût numérique de ces schémas ne permettent pas de les utiliser dans des modèles opérationnels. Une façon séduisante de prévoir l'activité électrique dans les modèles numériques consiste à s'appuyer sur les corrélations entre le taux d'éclairs et des paramètres microphysiques et dynamiques du modèle. Ces relations peuvent être utilisées pour d'autres applications comme la production d'oxydes d'azote par les éclairs. Inversement, l'information sur l'activité électrique pourrait être utilisée pour déduire les caractéristiques et le stade d’évolution du système convectif. Par exemple, dans les régions comme le bassin Océan Indien, où la couverture radar et satellite est faible, la détection des éclairs qui est relativement peu coûteuse, serait un moyen d'obtenir des informations sur les caractéristiques des systèmes convectifs. En particulier, des études récentes montrent que l'activité électrique est un bon indicateur des phases d'intensification des cyclones tropicaux.
Un certain nombre d'études basées sur des données radar, satellite et d'activité électrique ont mis en évidence des relations entre le taux d'éclairs et le contenu en glace, le volume d'updraft ou le produit des flux de glace ascendant et subsident. Une dizaine d'orages produisant des éclairs seront simulés avec le modèle Méso-NH muni du schéma électrique. L'objectif est d'analyser leur structure dynamique, microphysique et électrique, et de vérifier si les relations de la littérature sont vérifiées par le modèle.

Projet : Complexes Protéine-Ligand / Chimie Quantique

Participant : Lilian Olivieri et Fabrice Gardebien

L'idée générale est de s'intéresser à la détermination puis à la caractérisation d'un complexe métastable noté P...L entre une protéine P et une petite molécule organique L, complexe qui précède la formation de l'espèce stable P—L. Ce travail réalisé sur un panel de complexes se concentre spécifiquement autour de complexes de type P...L car l'étude des interactions naissantes entre les deux protagonistes pourrait apporter des informations nouvelles et cruciales sur les facteurs structuraux déterminants pour une complexation a partir de deux partenaires protéine et ligand donnés. Ces résultats pourraient être appliqués à l'amélioration d'inhibiteurs utilisés sur des protéines.

mots clés : Complexes Protéine-Ligand, dynamique moléculaire, Chimie Quantique, États intermédiaires.

Projet 1

Participants : Arnaud Marvilliers et Bertrand Illien

Chaque année le LCSNSA découvre de nouvelles molécules extraites de plantes ou d’organismes marins de La Réunion ou de la zone océan indien. Les études théoriques entreprises visent à déterminer les conformations les plus stables de ces molécules ; elles nécessitent notamment la simulation du spectre infrarouge (caractérisation de minimum local), la simulation de spectre de résonnance magnétique nucléaire 13C et 1H (caractérisation des diastéréoisomères les plus stables à travers une comparaison des déplacements chimiques calculés et expérimentaux), la simulation du spectre de dichroïsme circulaire vibrationnel (Détermination de la configuration absolue de produits naturels chiraux via une comparaison théorie-expérience).

Projet 2

Participants : Arnaud Marvilliers et Bertrand Illien

Un autre savoir-faire du LCSNSA concerne la détermination du pouvoir antioxydant de substances diverses via plusieurs tests physico-chimiques. Une étude théorique des mécanismes élémentaires associés à ces différents tests a débuté afin de tenter de rationaliser les résultats expérimentaux.