Storm track response to perturbations in climate

This thesis advances our understanding of midlatitude storm tracks and how they respond to perturbations in the climate system. The midlatitude storm tracks are regions of maximal turbulent kinetic energy in the atmosphere. Through them, the bulk of the atmospheric transport of energy, water vapor, and angular momentum occurs in midlatitudes. Therefore, they are important regulators of climate, controlling basic features such as the distribution of surface temperatures, precipitation, and winds in midlatitudes. Storm tracks are robustly projected to shift poleward in global-warming simulations with current climate models. Yet the reasons for this shift have remained unclear. Here we show that this shift occurs even in extremely idealized (but still three-dimensional) simulations of dry atmospheres. We use these simulations to develop an understanding of the processes responsible for the shift and develop a conceptual model that accounts for it.

We demonstrate that changes in the convective static stability in the deep tropics alone can drive remote shifts in the midlatitude storm tracks. Through simulations with a dry idealized general circulation model (GCM), midlatitude storm tracks are shown to be located where the mean available potential energy (MAPE, a measure of the potential energy available to be converted into kinetic energy) is maximal. As the climate varies, even if only driven by tropical static stability changes, the MAPE maximum shifts primarily because of shifts of the maximum of near-surface meridional temperature gradients. The temperature gradients shift in response to changes in the width of the tropical Hadley circulation, whose width is affected by the tropical static stability. Storm tracks generally shift in tandem with shifts of the subtropical terminus of the Hadley circulation.

We develop a one-dimensional diffusive energy-balance model that links changes in the Hadley circulation to midlatitude temperature gradients and so to the storm tracks. It is the first conceptual model to incorporate a dynamical coupling between the tropical Hadley circulation and midlatitude turbulent energy transport. Numerical and analytical solutions of the model elucidate the circumstances of when and how the storm tracks shift in tandem with the terminus of the Hadley circulation. They illustrate how an increase of only the convective static stability in the deep tropics can lead to an expansion of the Hadley circulation and a poleward shift of storm tracks.

The simulations with the idealized GCM and the conceptual energy-balance model demonstrate a clear link between Hadley circulation dynamics and midlatitude storm track position. With the help of the hierarchy of models presented in this thesis, we obtain a closed theory of storm track shifts in dry climates. The relevance of this theory for more realistic moist climates is discussed.

MEMS for Diabetic Retinopathy

As the worldwide prevalence of diabetes mellitus continues to increase, diabetic retinopathy remains the leading cause of visual impairment and blindness in many developed countries. Between 32 to 40 percent of about 246 million people with diabetes develop diabetic retinopathy. Approximately 4.1 million American adults 40 years and older are affected by diabetic retinopathy. This glucose-induced microvascular disease progressively damages the tiny blood vessels that nourish the retina, the light-sensitive tissue at the back of the eye, leading to retinal ischemia (i.e., inadequate blood flow), retinal hypoxia (i.e., oxygen deprivation), and retinal nerve cell degeneration or death. It is a most serious sight-threatening complication of diabetes, resulting in significant irreversible vision loss, and even total blindness.

Unfortunately, although current treatments of diabetic retinopathy (i.e., laser therapy, vitrectomy surgery and anti-VEGF therapy) can reduce vision loss, they only slow down but cannot stop the degradation of the retina. Patients require repeated treatment to protect their sight. The current treatments also have significant drawbacks. Laser therapy is focused on preserving the macula, the area of the retina that is responsible for sharp, clear, central vision, by sacrificing the peripheral retina since there is only limited oxygen supply. Therefore, laser therapy results in a constricted peripheral visual field, reduced color vision, delayed dark adaptation, and weakened night vision. Vitrectomy surgery increases the risk of neovascular glaucoma, another devastating ocular disease, characterized by the proliferation of fibrovascular tissue in the anterior chamber angle. Anti-VEGF agents have potential adverse effects, and currently there is insufficient evidence to recommend their routine use.

In this work, for the first time, a paradigm shift in the treatment of diabetic retinopathy is proposed: providing localized, supplemental oxygen to the ischemic tissue via an implantable MEMS device. The retinal architecture (e.g., thickness, cell densities, layered structure, etc.) of the rabbit eye exposed to ischemic hypoxic injuries was well preserved after targeted oxygen delivery to the hypoxic tissue, showing that the use of an external source of oxygen could improve the retinal oxygenation and prevent the progression of the ischemic cascade.

The proposed MEMS device transports oxygen from an oxygen-rich space to the oxygen-deficient vitreous, the gel-like fluid that fills the inside of the eye, and then to the ischemic retina. This oxygen transport process is purely passive and completely driven by the gradient of oxygen partial pressure (pO₂). Two types of devices were designed. For the first type, the oxygen-rich space is underneath the conjunctiva, a membrane covering the sclera (white part of the eye), beneath the eyelids and highly permeable to oxygen in the atmosphere when the eye is open. Therefore, sub-conjunctival pO₂ is very high during the daytime. For the second type, the oxygen-rich space is inside the device since pure oxygen is needle-injected into the device on a regular basis.

To prevent too fast or too slow permeation of oxygen through the device that is made of parylene and silicone (two widely used biocompatible polymers in medical devices), the material properties of the hybrid parylene/silicone were investigated, including mechanical behaviors, permeation rates, and adhesive forces. Then the thicknesses of parylene and silicone became important design parameters that were fine-tuned to reach the optimal oxygen permeation rate.

The passive MEMS oxygen transporter devices were designed, built, and tested in both bench-top artificial eye models and in-vitro porcine cadaver eyes. The 3D unsteady saccade-induced laminar flow of water inside the eye model was modeled by computational fluid dynamics to study the convective transport of oxygen inside the eye induced by saccade (rapid eye movement). The saccade-enhanced transport effect was also demonstrated experimentally. Acute in-vivo animal experiments were performed in rabbits and dogs to verify the surgical procedure and the device functionality. Various hypotheses were confirmed both experimentally and computationally, suggesting that both the two types of devices are very promising to cure diabetic retinopathy. The chronic implantation of devices in ischemic dog eyes is still underway.

The proposed MEMS oxygen transporter devices can be also applied to treat other ocular and systemic diseases accompanied by retinal ischemia, such as central retinal artery occlusion, carotid artery disease, and some form of glaucoma.

Observations and Modeling of Tropical Planetary Atmospheres

This thesis is a comprised of three different projects within the topic of tropical atmospheric dynamics. First, I analyze observations of thermal radiation from Saturn’s atmosphere and from them, determine the latitudinal distribution of ammonia vapor near the 1.5-bar pressure level. The most prominent feature of the observations is the high brightness temperature of Saturn’s subtropical latitudes on either side of the equator. After comparing the observations to a microwave radiative transfer model, I find that these subtropical bands require very low ammonia relative humidity below the ammonia cloud layer in order to achieve the high brightness temperatures observed. We suggest that these bright subtropical bands represent dry zones created by a meridionally overturning circulation.

Second, I use a dry atmospheric general circulation model to study equatorial superrotation in terrestrial atmospheres. A wide range of atmospheres are simulated by varying three parameters: the pole-equator radiative equilibrium temperature contrast, the convective lapse rate, and the planetary rotation rate. A scaling theory is developed that establishes conditions under which superrotation occurs in terrestrial atmospheres. The scaling arguments show that superrotation is favored when the off-equatorial baroclinicity and planetary rotation rates are low. Similarly, superrotation is favored when the convective heating strengthens, which may account for the superrotation seen in extreme global-warming simulations.

Third, I use a moist slab-ocean general circulation model to study the impact of a zonally-symmetric continent on the distribution of monsoonal precipitation. I show that adding a hemispheric asymmetry in surface heat capacity is sufficient to cause symmetry breaking in both the spatial and temporal distribution of precipitation. This spatial symmetry breaking can be understood from a large-scale energetic perspective, while the temporal symmetry breaking requires consideration of the dynamical response to the heat capacity asymmetry and the seasonal cycle of insolation. Interestingly, the idealized monsoonal precipitation bears resemblance to precipitation in the Indian monsoon sector, suggesting that this work may provide insight into the causes of the temporally asymmetric distribution of precipitation over southeast Asia.

Determinación de longitudes efectivas de lluvia en trayectos de enlaces vía satélite a partir de los datos de reflectividad del Radar meteorológico de Kapildui

[ES]En este proyecto se presenta un estudio sobre la estimación de la longitud efectiva de lluvia derivada de los escaneos de elevación obtenidos por el radar meteorológico de Kapildui, en Álava. Se estudia la altura y la longitud de la lluvia para distintos eventos: para lluvia estratiforme y para lluvia convectiva. Se analizará la variabilidad espacial y temporal para diferentes ángulos de elevación del radar. Finalmente, se presentará una versión del algoritmo implementado para el cálculo de longitudes efectivas de lluvia y se realizará un estudio estadístico de la variabilidad de ésta para diferentes direcciones y con diferentes eventos de lluvia.

Supernovae explosions induced by pair production instability

Stars with a core mass greater than about 30 M_⊙ become dynamically unstable due to electron-positron pair production when their central temperature reaches 1.5-2.0 x 10^{9 0}K. The collapse and subsequent explosion of stars with core masses of 45, 52, and 60 M_⊙ is calculated. The range of the final velocity of expansion (3,400 – 8,500 km/sec) and of the mass ejected (1 – 40 M_⊙) is comparable to that observed for type II supernovae.

An implicit scheme of hydrodynamic difference equations (stable for large time steps) used for the calculation of the evolution is described.

For fast evolution the turbulence caused by convective instability does not produce the zero entropy gradient and perfect mixing found for slower evolution. A dynamical model of the convection is derived from the equations of motion and then incorporated into the difference equations.

Simulação biofisicoquímica em reservatório tropical polimítico

O reservatório do Lobo, localizado no estado de São Paulo, é um sistema dinâmico no qual se desenvolve um ciclo diurno de estratificação e mistura, de modo similar ao que tem sido observado em outros lagos tropicais. Utilizou-se simulação 3D computacional com os softwares ELCOM (Estuary and Lake Computer Model) acoplado ao CAEDYM (Computacional Aquatic Ecosystem Dynamics Model), ambos desenvolvidos pelo CWR (Center for Water Research) da Universidade da Austrália. Foram realizadas cinco simulações: Piloto Primavera baseada em dados reais da estação no ano primavera no reservatório para o ano de 2007; Primavera-P em que as concentrações de fósforo total, fosfato inorgânico e fosfato total dissolvido foram aumentadas em 100% no reservatório (coluna de água e sedimento) e nos rios tributários; Primavera-V na qual a intensidade dos ventos foi aumentada em 50%; Primavera-T onde a temperatura da água (reservatório e tributários) e do ar foram aumentadas em 10C e, Primavera-X, onde a temperatura da água (reservatório e tributários) e do ar sofreu aumento em 10C, as concentrações de fósforo total, fosfato inorgânico e fosfato total dissolvido foram aumentadas em 100% e a velocidade do vento aumentada em 50%. A concentração de clorofila a foi representada pelos grupos cianobactérias e clorofíceas. O espaço de tempo das simulações representou 90 dias. As clorofíceas apresentaram maior desenvolvimento populacional do que as cianobactérias em todas as simulações. No reservatório, a mistura vertical é ocasionada diariamente pelo vento ou por processos convectivos causados pela perda de calor no corpo de água. A oxigenação do reservatório é maior com a ocorrência de ventos e de grupos fotossintéticos. As concentrações totais de fósforo e nitrogênio apresentaram aumento em todas as simulações.

千瓦级双包层光纤激光器冷却方案设计理论和实验研究

尽管双包层光纤激光器的散热性能好于传统的固体激光器的散热性能,光纤激光器中的热沉积仍然是限制提高其输出功率的重要因素.以双端抽运的400W双包层光纤激光器为实例,定量分析了光纤内的热沉积分布.根据所建立的散热模型,为了确保千瓦级双包层光纤激光器安全稳定的运行,抽运端附近的对流换热系数应大于2.8×10-2W·cm-2K-1.据此设计出高功率双包层光纤激光器抽运端冷却装置并成功应用在激光系统中,获得了千瓦级的激光输出.

Simulação do processo de transferência de calor não linear condução-radiação por meio de um esquema linear em diferenças finitas.

Neste trabalho o processo não linear de transmissão de calor condução-radiação é abordado num contexto bidimensional plano e simulado com o uso de um esquema linear em diferenças finitas. O problema original é tratado como o limite de uma sequencia de problemas lineares, do tipo condução-convecção. Este limite, cuja existência é comprovada, é facilmente obtido a partir de procedimentos básicos, accessíveis a qualquer estudante de engenharia, permitindo assim o emprego de hipóteses mais realistas, já que não se tem o limitante matemático para a abordagem numérica de uma equação diferencial parcial elíptica. Neste trabalho foi resolvido o problema de condução de calor em regime permanente em uma placa com condições de contorno convectivas e radioativas utilizando-se o software MatLab, vale ressaltar, que a mesma metodologia é aplicável para geometrias mais complexas.

Uma Metodologia de Estudo de Simulação Tridimensional de Escoamento Turbulento Estratificado no Reservatório de Plantas Hidrelétricas.

Uma simulação numérica que leva em conta os efeitos de estratificação e mistura escalar (como a temperatura, salinidade ou substância solúvel em água) é necessária para estudar e prever os impactos ambientais que um reservatório de usina hidrelétrica pode produzir. Este trabalho sugere uma metodologia para o estudo de escoamentos ambientais, principalmente aqueles em que o conhecimento da interação entre a estratificação e mistura pode dar noções importantes dos fenômenos que ocorrem. Por esta razão, ferramentas de simulação numérica 3D de escoamento ambiental são desenvolvidas. Um gerador de malha de tetraedros do reservatório e o modelo de turbulência algébrico baseado no número de Richardson são as principais ferramentas desenvolvidas. A principal dificuldade na geração de uma malha de tetraedros de um reservatório é a distribuição não uniforme dos pontos relacionada com a relação desproporcional entre as escalas horizontais e verticais do reservatório. Neste tipo de distribuição de pontos, o algoritmo convencional de geração de malha de tetraedros pode tornar-se instável. Por esta razão, um gerador de malha não estruturada de tetraedros é desenvolvido e a metodologia utilizada para obter elementos conformes é descrita. A geração de malha superficial de triângulos utilizando a triangulação Delaunay e a construção do tetraedros a partir da malha triangular são os principais passos para o gerador de malha. A simulação hidrodinâmica com o modelo de turbulência fornece uma ferramenta útil e computacionalmente viável para fins de engenharia. Além disso, o modelo de turbulência baseado no número de Richardson leva em conta os efeitos da interação entre turbulência e estratificação. O modelo algébrico é o mais simples entre os diversos modelos de turbulência. Mas, fornece resultados realistas com o ajuste de uma pequena quantidade de parâmetros. São incorporados os modelos de viscosidade/difusividade turbulenta para escoamento estratificado. Na aproximação das equações médias de Reynolds e transporte de escalar é utilizando o Método dos Elementos Finitos. Os termos convectivos são aproximados utilizando o método semi-Lagrangeano, e a aproximação espacial é baseada no método de Galerkin. Os resultados computacionais são comparados com os resultados disponíveis na literatura. E, finalmente, a simulação de escoamento em um braço de reservatório é apresentada.

Elementos finitos em fluidos dominados pelo fenômeno de advecção: um método semi-Lagrangeano.

Os escoamentos altamente convectivos representam um desafio na simulação pelo método de elementos finitos. Com a solução de elementos finitos de Galerkin para escoamentos incompressíveis, a matriz associada ao termo convectivo é não simétrica, e portanto, a propiedade de aproximação ótima é perdida. Na prática as soluções apresentam oscilações espúrias. Muitos métodos foram desenvolvidos com o fim de resolver esse problema. Neste trabalho apresentamos um método semi- Lagrangeano, o qual é implicitamente um método do tipo upwind, que portanto resolve o problema anterior, e comparamos o desempenho do método na solução das equações de convecção-difusão e Navier-Stokes incompressível com o Streamline Upwind Petrov Galerkin (SUPG), um método estabilizador de reconhecido desempenho. No SUPG, as funções de forma e de teste são tomadas em espaços diferentes, criando um efeito tal que as oscilações espúrias são drasticamente atenuadas. O método semi-Lagrangeano é um método de fator de integração, no qual o fator é um operador de convecção que se desloca para um sistema de coordenadas móveis no fluido, mas restabelece o sistema de coordenadas Lagrangeanas depois de cada passo de tempo. Isto prevê estabilidade e a possibilidade de utilizar passos de tempo maiores.Existem muitos trabalhos na literatura analisando métodos estabilizadores, mas não assim com o método semi-Lagrangeano, o que representa a contribuição principal deste trabalho: reconhecer as virtudes e as fraquezas do método semi-Lagrangeano em escoamentos dominados pelo fenômeno de convecção.

Mineração de dados para previsão de eventos extremos de precipitação

No presente trabalho foram desenvolvidos modelos de classificação aplicados à mineração de dados climáticos para a previsão de eventos extremos de precipitação com uma hora de antecedência. Mais especificamente, foram utilizados dados observacionais registrados pela estação meteorológica de superfície localizada no Instituto Politécnico da Universidade do Estado do Rio de Janeiro em Nova Friburgo RJ, durante o período de 2008 a 2012. A partir desses dados foi aplicado o processo de Descoberta de Conhecimento em Banco de Dados (KDD Knowledge Discovery in Databases), composto das etapas de preparação, mineração e pós processamento dos dados. Com base no uso de algoritmos de Redes Neurais Artificiais e Árvores de Decisão para a extração de padrões que indicassem um acúmulo de precipitação maior que 10 mm na hora posterior à medição das variáveis climáticas, pôde-se notar que a utilização da observação meteorológica de micro escala para previsões de curto prazo é suscetível a altas taxas de alarmes falsos (falsos positivos). Para contornar este problema, foram utilizados dados históricos de previsões realizadas pelo Modelo Eta com resolução de 15 km, disponibilizados pelo Centro de Previsão de Tempo e Estudos Climáticos do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais CPTEC/INPE. De posse desses dados, foi possível calcular os índices de instabilidade relacionados à formação de situação convectiva severa na região de Nova Friburgo e então armazená-los de maneira estruturada em um banco de dados, realizando a união entre os registros de micro e meso escala. Os resultados demonstraram que a união entre as bases de dados foi de extrema importância para a redução dos índices de falsos positivos, sendo essa uma importante contribuição aos estudos meteorológicos realizados em estações meteorológicas de superfície. Por fim, o modelo com maior precisão foi utilizado para o desenvolvimento de um sistema de alertas em tempo real, que verifica, para a região estudada, a possibilidade de chuva maior que 10 mm na próxima hora.

The coastal environment and human health: microbial indicators, pathogens, sentinels and reservoirs

Innovative research relating oceans and human health is advancing our understanding of disease-causing organisms in coastal ecosystems. Novel techniques are elucidating the loading, transport and fate of pathogens in coastal ecosystems, and identifying sources of contamination. This research is facilitating improved risk assessments for seafood consumers and those who use the oceans for recreation. A number of challenges still remain and define future directions of research and public policy. Sample processing and molecular detection techniques need to be advanced to allow rapid and specific identification of microbes of public health concern from complex environmental samples. Water quality standards need to be updated to more accurately reflect health risks and to provide managers with improved tools for decision-making. Greater discrimination of virulent versus harmless microbes is needed to identify environmental reservoirs of pathogens and factors leading to human infections. Investigations must include examination of microbial community dynamics that may be important from a human health perspective. Further research is needed to evaluate the ecology of non-enteric water-transmitted diseases. Sentinels should also be established and monitored, providing early warning of dangers to ecosystem health. Taken together, this effort will provide more reliable information about public health risks associated with beaches and seafood consumption, and how human activities can affect their exposure to disease-causing organisms from the oceans.

Rapid teleconnections associated with individual tropical cyclones

Several studies have shown that tropical heating variations at intraseasonal to interannual time scales may be associated with global climate anomalies. During the past decade, relatively high frequency (daily to weekly) variations in tropical convective activity have also been found to produce significant midlatitude responses within days to weeks. In this study, we investigate the processes by which individual tropical cyclones affect midlatitude weather and climate.

Diffusion and chemical reaction in the porous structures of solid oxide fuel cells

The Rolls-Royce Integrated-Planar Solid Oxide Fuel Cell (IP-SOFC) consists of ceramic modules which have electrochemical cells printed on the outer surfaces. The cathodes are the outermost layer of each cell and are supplied with oxygen from air flowing over the outside of the module. The anodes are in direct contact with the ceramic structure and are supplied with fuel from internal gas channels. Natural gas is reformed into hydrogen for use by the fuel cells in a separate reformer module of similar design except that the fuel cells are replaced by a reforming catalyst layer. The performance of the modules is intrinsically linked to the behaviour of the gas flows within their porous structures. Because the porous layers are very thin, a one-dimensional flow model provides a good representation of the flow property variations between fuel channel and fuel cell or reforming catalyst. The multi-component convective-diffusive flows are simulated using a new theory of flow in porous material, the Cylindrical Pore Interpolation Model. The effects of the catalysed methane reforming and water-gas shift chemical reactions are also considered using appropriate kinetic models. It is found that the shift reaction, which is catalysed by the anode material, has certain beneficial effects on the fuel cell module performance. In the reformer module it was found that the flow resistance of the porous support structure makes it difficult to sustain a high methane conversion rate. Although the analysis is based on IP-SOFC geometry, the modelling approach and general conclusions are applicable to other types of SOFC.

The performance of ejectors driven by sinusoidally unsteady jets

The operation of ejectors driven by a low-speed, sinusoidally unsteady jet has been studied. The thrust augmentation is shown to be highly dependent on the non-dimensional frequency of the driver jet, but independent of its Mach Number. Convective rather than acoustically propagated phenomena dominate the ejector flowfield. Unsteady pressure measurements on the internal surfaces of the ejector have enabled convecting ring vortices to be identified. The impingement of a ring vortex on the leading edge of the ejector causes the peak unsteady body force. The non-dimensional diameter of the ejector is shown to be the only geometric variable that affects the optimum non-dimensional frequency for thrust augmentation. An experimentally optimised geometry is presented. An expression relating the mechanical efficiency and thrust augmentation of the ejector is developed, and shown to be crucially dependent on the degree of unsteadiness in the ejector exit plane.