On the behaviour of some physical parameterization methods in high-resolution numerical weather prediction models

Modern-day weather forecasting is highly dependent on Numerical Weather Prediction (NWP) models as the main data source. The evolving state of the atmosphere with time can be numerically predicted by solving a set of hydrodynamic equations, if the initial state is known. However, such a modelling approach always contains approximations that by and large depend on the purpose of use and resolution of the models. Present-day NWP systems operate with horizontal model resolutions in the range from about 40 km to 10 km. Recently, the aim has been to reach operationally to scales of 1 4 km. This requires less approximations in the model equations, more complex treatment of physical processes and, furthermore, more computing power. This thesis concentrates on the physical parameterization methods used in high-resolution NWP models. The main emphasis is on the validation of the grid-size-dependent convection parameterization in the High Resolution Limited Area Model (HIRLAM) and on a comprehensive intercomparison of radiative-flux parameterizations. In addition, the problems related to wind prediction near the coastline are addressed with high-resolution meso-scale models. The grid-size-dependent convection parameterization is clearly beneficial for NWP models operating with a dense grid. Results show that the current convection scheme in HIRLAM is still applicable down to a 5.6 km grid size. However, with further improved model resolution, the tendency of the model to overestimate strong precipitation intensities increases in all the experiment runs. For the clear-sky longwave radiation parameterization, schemes used in NWP-models provide much better results in comparison with simple empirical schemes. On the other hand, for the shortwave part of the spectrum, the empirical schemes are more competitive for producing fairly accurate surface fluxes. Overall, even the complex radiation parameterization schemes used in NWP-models seem to be slightly too transparent for both long- and shortwave radiation in clear-sky conditions. For cloudy conditions, simple cloud correction functions are tested. In case of longwave radiation, the empirical cloud correction methods provide rather accurate results, whereas for shortwave radiation the benefit is only marginal. Idealised high-resolution two-dimensional meso-scale model experiments suggest that the reason for the observed formation of the afternoon low level jet (LLJ) over the Gulf of Finland is an inertial oscillation mechanism, when the large-scale flow is from the south-east or west directions. The LLJ is further enhanced by the sea-breeze circulation. A three-dimensional HIRLAM experiment, with a 7.7 km grid size, is able to generate a similar LLJ flow structure as suggested by the 2D-experiments and observations. It is also pointed out that improved model resolution does not necessary lead to better wind forecasts in the statistical sense. In nested systems, the quality of the large-scale host model is really important, especially if the inner meso-scale model domain is small.

Topological Quantum Computation - An Analysis of an Anyon Model Based on Quantum Double Symmetries

There exists various suggestions for building a functional and a fault-tolerant large-scale quantum computer. Topological quantum computation is a more exotic suggestion, which makes use of the properties of quasiparticles manifest only in certain two-dimensional systems. These so called anyons exhibit topological degrees of freedom, which, in principle, can be used to execute quantum computation with intrinsic fault-tolerance. This feature is the main incentive to study topological quantum computation. The objective of this thesis is to provide an accessible introduction to the theory. In this thesis one has considered the theory of anyons arising in two-dimensional quantum mechanical systems, which are described by gauge theories based on so called quantum double symmetries. The quasiparticles are shown to exhibit interactions and carry quantum numbers, which are both of topological nature. Particularly, it is found that the addition of the quantum numbers is not unique, but that the fusion of the quasiparticles is described by a non-trivial fusion algebra. It is discussed how this property can be used to encode quantum information in a manner which is intrinsically protected from decoherence and how one could, in principle, perform quantum computation by braiding the quasiparticles. As an example of the presented general discussion, the particle spectrum and the fusion algebra of an anyon model based on the gauge group S_3 are explicitly derived. The fusion algebra is found to branch into multiple proper subalgebras and the simplest one of them is chosen as a model for an illustrative demonstration. The different steps of a topological quantum computation are outlined and the computational power of the model is assessed. It turns out that the chosen model is not universal for quantum computation. However, because the objective was a demonstration of the theory with explicit calculations, none of the other more complicated fusion subalgebras were considered. Studying their applicability for quantum computation could be a topic of further research.

Stiffer Optical Tweezers through Real-Time Feedback Control

This thesis integrates real-time feedback control into an optical tweezers instrument. The goal is to reduce the variance in the trapped bead s position, -effectively increasing the trap stiffness of the optical tweezers. Trap steering is done with acousto-optic deflectors and control algorithms are implemented with a field-programmable gate array card. When position clamp feedback control is on, the effective trap stiffness increases 12.1-times compared to the stiffness without control. This allows improved spatial control over trapped particles without increasing the trapping laser power.

Kaksikertasironnan simulointi

Mahdollisimman tarkka tieto varatun hiukkasen energianmenetyksestä sen kulkiessa näytteessä on usein hyvin olennaista varteenotettavien tutkimustulosten aikaansaamiseksi monilla eri fysiikan suuntautumisaloilla. Aihe onkin hyvin laajalti tutkittu. Kehityksen kuitenkin edetessä yhä pienempiin mittasuhteisiin ja tarkempiin arvoihin on tärkeää, että myös ionien energianmenetyksestä väliaineessa saadaan yhä tarkempaa tietoa. Takaisinsirontaspektrometriassa tarkastellaan näytteestä sironneita ammusioneja. Takaisinsironnan avulla voidaan tunnistaa näytteen sisältämät alkuaineet, selvittää syvyysjakauma ja näytteen alkuaineiden suhteelliset runsaudet. Menetelmään liittyvät ilmiöt ovat varsin monimutkaisia ja niiden teoreettinen mallintaminen siten haasteellista. Kun tavoitteena on simuloida mahdollisimman tarkasti tilannetta, jossa kiihdytetty ioni etenee näytteessä ei analyyttinen ratkaisumalli välttämättä ole paras vaihtoehto. Tilannetta kuvaamaan onkin kehitetty useita eri laskennallisia menetelmiä. Tässä työssä tarkasteltiin sitä kuinka paljon kaksikertasironnan huomioon ottaminen vaikuttaa tuloksiin takaisinsirontaa simuloitaessa. Useimmat takaisinsironnan mallinnusohjelmat ottavat huomioon ainoastaan yksikertasironnan. Tämä on varsin ymmärrettävää, sillä jo toisen sirontatapahtuman huomioon ottaminen ja mallintaminen analyyttisesti lisää huomattavasti simulaation laskutapahtumien lukumäärää ja hidastaa siten itse simulaatiota. Työtä varten kirjoitettiin ohjelma, jolla simuloituja tuloksia verrattiin sekä näytteistä mitattuihin että toisella simulaatio-ohjelmalla tuotettuihin spektreihin. Vertailusta kävi selvästi ilmi kaksikertasironnan merkitys takaisinsirontaa simuloitaessa. Yksikertasironnan tuoma informaatio päättyy energiaan, jolla näytteen takareunasta sironnut ioni havaitaan ilmaisimessa. Toisen sirontatapahtuman huomioon ottaminen tuo lisäinformaatiota etenkin spektrin häntäalueella. Laaditulla ohjelmalla pystyttiin nyt käsittelemään ainoastaan erikoistapausta, jossa ionisuihku ammuttiin kohtisuoraan näytteeseen. Looginen jatkotoimenpide työn parissa olisi laajentaa ohjelma käsittämään muutkin ionisuihkun tulokulmat.

Shokkikiihdytys Auringon koronassa

Planeettainvälisessä avaruudessa havaitaan runsaasti Auringosta peräisin olevia korkeaenergiaisia hiukkasia. Havainnot voidaan jakaa karkeasti lyhyt- ja pitkäkestoisiin. Yleisin selitys jälkimmäisille on diffusiivinen shokkikiihdytys koronan massapurkausten edellään työntämissä shokkiaalloissa. Hiukkaset siroavat shokin turbulentista sähkömagneettisesta kentästä ja saavat lisää energiaa ylittäessään shokkirintaman monta kertaa. Kiihdytys alkaa koronassa ja jatkuu useiden päivien ajan massapurkauksen liikkuessa poispäin Auringosta. Havaintojen mukaan koronassa tapahtuva kiihdytys, jossa protonit voivat saavuttaa jopa 1 GeV suuruusluokkaa olevan energian, tapahtuu minuuttien aikaskaaloissa. Korkeaenergiaisten hiukkasten energiaspektri on tyypillisesti potenssilaki dN/dE ~ E^{-sigma}, missä sigma on lähellä ykköstä oleva vakio. Opinnäytteessä esitellään diffusiivisen shokkikiihdytyksen teoria ja tutkitaan kiihdytystä testihiukkassimulaatiolla. Koronan aktiivista aluetta mallinnetaan yksinkertaistetulla magneettikentällä. Simulaatiossa lasketaan tasomaisen shokin eteen injektoitujen protonien ratoja siihen asti, kun ne joko osuvat Auringon pintaan tai karkaavat planeettainväliseen avaruuteen. Lopputuloksista lasketuista statistiikoista etsitään kiihdytykseen vaikuttavia tekijöitä. Saatujen tuloksien perusteella koronan magneettikentän geometrialla on suuri merkitys saavutettavaan energiaan. Tehokkainta kiihdytys on geometrioissa, joissa shokki on lähes poikittainen. Erityisesti sironnan ei tarvitse olla voimakasta suurten energioiden saavuttamiseksi. Sen vaikutus näyttäisi olevan enneminkin jakaumafunktion isotropisointi, jolloin energiaspektristä tulee potenssilakimuotoinen.