Modelling the stable, nocturnal boundary layer: different approaches to turbulence closure problem

Il lavoro è dedicato all'analisi fisica e alla modellizzazione dello strato limite atmosferico in condizioni stabili. L'obiettivo principale è quello di migliorare i modelli di parametrizzazione della turbulenza attualmente utilizzati dai modelli meteorologici a grande scala. Questi modelli di parametrizzazione della turbolenza consistono nell' esprimere gli stress di Reynolds come funzioni dei campi medi (componenti orizzontali della velocità e temperatura potenziale) usando delle chiusure. La maggior parte delle chiusure sono state sviluppate per i casi quasi-neutrali, e la difficoltà è trattare l'effetto della stabilità in modo rigoroso. Studieremo in dettaglio due differenti modelli di chiusura della turbolenza per lo strato limite stabile basati su assunzioni diverse: uno schema TKE-l (Mellor-Yamada,1982), che è usato nel modello di previsione BOLAM (Bologna Limited Area Model), e uno schema sviluppato recentemente da Mauritsen et al. (2007). Le assunzioni delle chiusure dei due schemi sono analizzate con dati sperimentali provenienti dalla torre di Cabauw in Olanda e dal sito CIBA in Spagna. Questi schemi di parametrizzazione della turbolenza sono quindi inseriti all'interno di un modello colonnare dello strato limite atmosferico, per testare le loro predizioni senza influenze esterne. Il confronto tra i differenti schemi è effettuato su un caso ben documentato in letteratura, il "GABLS1". Per confermare la validità delle predizioni, un dataset tridimensionale è creato simulando lo stesso caso GABLS1 con una Large Eddy Simulation. ARPS (Advanced Regional Prediction System) è stato usato per questo scopo. La stratificazione stabile vincola il passo di griglia, poichè la LES deve essere ad una risoluzione abbastanza elevata affinchè le tipiche scale verticali di moto siano correttamente risolte. Il confronto di questo dataset tridimensionale con le predizioni degli schemi turbolenti permettono di proporre un insieme di nuove chiusure atte a migliorare il modello di turbolenza di BOLAM. Il lavoro è stato compiuto all' ISAC-CNR di Bologna e al LEGI di Grenoble.

A mathematical model of the early visual system and border completion via subriemannian Hamiltonian geodesics

In this thesis, we aim to discuss a simple mathematical model for the edge detection mechanism and the boundary completion problem in the human brain in a differential geometry framework. We describe the columnar structure of the primary visual cortex as the fiber bundle R2 × S1, the orientation bundle, and by introducing a first vector field on it, explain the edge detection process. Edges are detected through a lift from the domain in R2 into the manifold R2 × S1 and are horizontal to a completely non-integrable distribution. Therefore, we can construct a subriemannian structure on the manifold R2 × S1, through which we retrieve perceived smooth contours as subriemannian geodesics, solutions to Hamilton’s equations. To do so, in the first chapter, we illustrate the functioning of the most fundamental structures of the early visual system in the brain, from the retina to the primary visual cortex. We proceed with introducing the necessary concepts of differential and subriemannian geometry in chapters two and three. We finally implement our model in chapter four, where we conclude, comparing our results with the experimental findings of Heyes, Fields, and Hess on the existence of an association field.