Stationary Eddies and Zonal Variations of the Global Hydrological Cycle in a Changing Climate

This thesis advances our physical understanding of the sensitivity of the hydrological cycle to global warming. Specifically, it focuses on changes in the longitudinal (zonal) variation of precipitation minus evaporation (P - E), which is predominantly controlled by planetary-scale stationary eddies. By studying idealized general circulation model (GCM) experiments with zonally varying boundary conditions, this thesis examines the mechanisms controlling the strength of stationary-eddy circulations and their role in the hydrological cycle. The overarching goal of this research is to understand the cause of changes in regional P - E with global warming. An understanding of such changes can be useful for impact studies focusing on water availability, ecosystem management, and flood risk.

Based on a moisture-budget analysis of ERA-Interim data, we establish an approximation for zonally anomalous P - E in terms of surface moisture content and stationary-eddy vertical motion in the lower troposphere. Part of the success of this approximation comes from our finding that transient-eddy moisture fluxes partially cancel the effect of stationary-eddy moisture advection, allowing divergent circulations to dominate the moisture budget. The lower-tropospheric vertical motion is related to horizontal motion in stationary eddies by Sverdrup and Ekman balance. These moisture- and vorticity-budget balances also hold in idealized and comprehensive GCM simulations across a range of climates.

By examining climate changes in the idealized and comprehensive GCM simulations, we are able to show the utility of the vertical motion P - E approximation for splitting changes in zonally anomalous P - E into thermodynamic and dynamic components. Shifts in divergent stationary-eddy circulations dominate changes in zonally anomalous P - E. This limits the local utility of the "wet gets wetter, dry gets drier” idea, where existing P - E patterns are amplified with warming by the increase in atmospheric moisture content, with atmospheric circulations held fixed. The increase in atmospheric moisture content manifests instead in an increase in the amplitude of the zonally anomalous hydrological cycle as measured by the zonal variance of P - E. However, dynamic changes, particularly the slowdown of divergent stationary-eddy circulations, limit the strengthening of the zonally anomalous hydrological cycle. In certain idealized cases, dynamic changes are even strong enough to reverse the tendency towards "wet gets wetter, dry gets drier” with warming.

Motivated by the importance of stationary-eddy vertical velocities in the moisture budget analysis, we examine controls on the amplitude of stationary eddies across a wide range of climates in an idealized GCM with simple topographic and ocean-heating zonal asymmetries. An analysis of the thermodynamic equation in the vicinity of topographic forcing reveals the importance of on-slope surface winds, the midlatitude isentropic slope, and latent heating in setting the amplitude of stationary waves. The response of stationary eddies to climate change is determined primarily by the strength of zonal surface winds hitting the mountain. The sensitivity of stationary-eddies to this surface forcing increases with climate change as the slope of midlatitude isentropes decreases. However, latent heating also plays an important role in damping the stationary-eddy response, and this damping becomes stronger with warming as the atmospheric moisture content increases. We find that the response of tropical overturning circulations forced by ocean heat-flux convergence is described by changes in the vertical structure of moist static energy and deep convection. This is used to derive simple scalings for the Walker circulation strength that capture the monotonic decrease with warming found in our idealized simulations.

Through the work of this thesis, the advances made in understanding the amplitude of stationary-waves in a changing climate can be directly applied to better understand and predict changes in the zonally anomalous hydrological cycle.

Microscopic Origin of Macroscopic Strength in Granular Media: A Numerical and Analytical Approach

Constitutive modeling in granular materials has historically been based on macroscopic experimental observations that, while being usually effective at predicting the bulk behavior of these type of materials, suffer important limitations when it comes to understanding the physics behind grain-to-grain interactions that induce the material to macroscopically behave in a given way when subjected to certain boundary conditions.

The advent of the discrete element method (DEM) in the late 1970s helped scientists and engineers to gain a deeper insight into some of the most fundamental mechanisms furnishing the grain scale. However, one of the most critical limitations of classical DEM schemes has been their inability to account for complex grain morphologies. Instead, simplified geometries such as discs, spheres, and polyhedra have typically been used. Fortunately, in the last fifteen years, there has been an increasing development of new computational as well as experimental techniques, such as non-uniform rational basis splines (NURBS) and 3D X-ray Computed Tomography (3DXRCT), which are contributing to create new tools that enable the inclusion of complex grain morphologies into DEM schemes.

Yet, as the scientific community is still developing these new tools, there is still a gap in thoroughly understanding the physical relations connecting grain and continuum scales as well as in the development of discrete techniques that can predict the emergent behavior of granular materials without resorting to phenomenology, but rather can directly unravel the micro-mechanical origin of macroscopic behavior.

In order to contribute towards closing the aforementioned gap, we have developed a micro-mechanical analysis of macroscopic peak strength, critical state, and residual strength in two-dimensional non-cohesive granular media, where typical continuum constitutive quantities such as frictional strength and dilation angle are explicitly related to their corresponding grain-scale counterparts (e.g., inter-particle contact forces, fabric, particle displacements, and velocities), providing an across-the-scale basis for better understanding and modeling granular media.

In the same way, we utilize a new DEM scheme (LS-DEM) that takes advantage of a mathematical technique called level set (LS) to enable the inclusion of real grain shapes into a classical discrete element method. After calibrating LS-DEM with respect to real experimental results, we exploit part of its potential to study the dependency of critical state (CS) parameters such as the critical state line (CSL) slope, CSL intercept, and CS friction angle on the grain's morphology, i.e., sphericity, roundness, and regularity.

Finally, we introduce a first computational algorithm to ``clone'' the grain morphologies of a sample of real digital grains. This cloning algorithm allows us to generate an arbitrary number of cloned grains that satisfy the same morphological features (e.g., roundness and aspect ratio) displayed by their real parents and can be included into a DEM simulation of a given mechanical phenomenon. In turn, this will help with the development of discrete techniques that can directly predict the engineering scale behavior of granular media without resorting to phenomenology.

Um método sintético de difusão para aceleração do esquema de fonte de espalhamento em cálculos SN unidimensionais de fonte fixa

O esquema iterativo de fonte de espalhamento (SI) é tradicionalmente aplicado para a convergência da solução numérica de malha fina para problemas de transporte de nêutrons monoenergéticos na formulação de ordenadas discretas com fonte fixa. O esquema SI é muito simples de se implementar sob o ponto de vista computacional; porém, o esquema SI pode apresentar taxa de convergência muito lenta, principalmente para meios difusivos (baixa absorção) com vários livres caminhos médios de extensão. Nesta dissertação descrevemos uma técnica de aceleração baseada na melhoria da estimativa inicial para a distribuição da fonte de espalhamento no interior do domínio de solução. Em outras palavras, usamos como estimativa inicial para o fluxo escalar médio na grade de discretização de malha fina, presentes nos termos da fonte de espalhamento das equações discretizadas SN usadas nas varreduras de transporte, a solução numérica da equação da difusão de nêutrons em grade espacial de malha grossa com condições de contorno especiais, que aproximam as condições de contorno prescritas que são clássicas em cálculos SN, incluindo condições de contorno do tipo vácuo. Para aplicarmos esta solução gerada pela equação da difusão em grade de discretização de malha grossa nas equações discretizadas SN de transporte na grade de discretização de malha fina, primeiro implementamos uma reconstrução espacial dentro de cada nodo de discretização, e então determinamos o fluxo escalar médio em grade de discretização de malha fina para usá-lo nos termos da fonte de espalhamento. Consideramos um número de experimentos numéricos para ilustrar a eficiência oferecida pela presente técnica (DSA) de aceleração sintética de difusão.

Um problema inverso na modelagem da difusão do calor

O presente trabalho aborda um problema inverso associado a difus~ao de calor em uma barra unidimensional. Esse fen^omeno e modelado por meio da equac~ao diferencial par- cial parabolica ut = uxx, conhecida como equac~ao de difus~ao do calor. O problema classico (problema direto) envolve essa equac~ao e um conjunto de restric~oes { as condic~oes inicial e de contorno {, o que permite garantir a exist^encia de uma soluc~ao unica. No problema inverso que estudamos, o valor da temperatura em um dos extremos da barra n~ao esta disponvel. Entretanto, conhecemos o valor da temperatura em um ponto x0 xo no interior da barra. Para aproximar o valor da temperatura no intervalo a direita de x0, propomos e testamos tr^es algoritmos de diferencas nitas: diferencas regressivas, leap-frog e diferencas regressivas maquiadas.

Simulações de problemas inversos com aplicações em engenharia nuclear usando técnicas de transporte de partículas neutras monoenergéticas na formulação unidimensional de ordenadas discretas

Neste trabalho, três técnicas para resolver numericamente problemas inversos de transporte de partículas neutras a uma velocidade para aplicações em engenharia nuclear são desenvolvidas. É fato conhecido que problemas diretos estacionários e monoenergéticos de transporte são caracterizados por estimar o fluxo de partículas como uma função-distribuição das variáveis independentes de espaço e de direção de movimento, quando os parâmetros materiais (seções de choque macroscópicas), a geometria, e o fluxo incidente nos contornos do domínio (condições de contorno), bem como a distribuição de fonte interior são conhecidos. Por outro lado, problemas inversos, neste trabalho, buscam estimativas para o fluxo incidente no contorno, ou a fonte interior, ou frações vazio em barras homogêneas. O modelo matemático usado tanto para os problemas diretos como para os problemas inversos é a equação de transporte independente do tempo, a uma velocidade, em geometria unidimensional e com o espalhamento linearmente anisotrópico na formulação de ordenadas discretas (SN). Nos problemas inversos de valor de contorno, dado o fluxo emergente em um extremo da barra, medido por um detector de nêutrons, por exemplo, buscamos uma estimativa precisa para o fluxo incidente no extremo oposto. Por outro lado, nos problemas inversos SN de fonte interior, buscamos uma estimativa precisa para a fonte armazenada no interior do domínio para fins de blindagem, sendo dado o fluxo emergente no contorno da barra. Além disso, nos problemas inversos SN de fração de vazio, dado o fluxo emergente em uma fronteira da barra devido ao fluxo incidente prescrito no extremo oposto, procuramos por uma estimativa precisa da fração de vazio no interior da barra, no contexto de ensaios não-destrutivos para aplicações na indústria. O código computacional desenvolvido neste trabalho apresenta o método espectronodal de malha grossa spectral Greens function (SGF) para os problemas diretos SN em geometria unidimensional para gerar soluções numéricas precisas para os três problemas inversos SN descritos acima. Para os problemas inversos SN de valor de contorno e de fonte interior, usamos a propriedade da proporcionalidade da fuga de partículas; ademais, para os problemas inversos SN de fração de vazio, oferecemos a técnica a qual nos referimos como o método físico da bissecção. Apresentamos resultados numéricos para ilustrar a precisão das três técnicas, conforme descrito nesta tese.

Condições de contorno albedo para cálculos globais de reatores nucleares térmicos com o modelo de ordenadas discretas a dois grupos de energia

Como eventos de fissão induzida por nêutrons não ocorrem nas regiões nãomultiplicativas de reatores nucleares, e.g., moderador, refletor, e meios estruturais, essas regiões não geram potência e a eficiência computacional dos cálculos globais de reatores nucleares pode portanto ser aumentada eliminando os cálculos numéricos explícitos no interior das regiões não-multiplicativas em torno do núcleo ativo. É discutida nesta dissertação a eficiência computacional de condições de contorno aproximadas tipo albedo na formulação de ordenadas discretas (SN) para problemas de autovalor a dois grupos de energia em geometria bidimensional cartesiana. Albedo, palavra de origem latina para alvura, foi originalmente definido como a fração da luz incidente que é refletida difusamente por uma superfície. Esta palavra latina permaneceu como o termo científico usual em astronomia e nesta dissertação este conceito é estendido para reflexão de nêutrons. Este albedo SN nãoconvencional substitui aproximadamente a região refletora em torno do núcleo ativo do reator, pois os termos de fuga transversal são desprezados no interior do refletor. Se o problema, em particular, não possui termos de fuga transversal, i.e., trata-se de um problema unidimensional, então as condições de contorno albedo, como propostas nesta dissertação, são exatas. Por eficiência computacional entende-se analisar a precisão dos resultados numéricos em comparação com o tempo de execução computacional de cada simulação de um dado problema-modelo. Resultados numéricos para dois problemas-modelo com de simetria são considerados para ilustrar esta análise de eficiência.

Prediction of Multi-Target Networks of Neuroprotective Compounds with Entropy Indices and Synthesis, Assay, and Theoretical Study of New Asymmetric 1,2-Rasagiline Carbamates

In a multi-target complex network, the links (L-ij) represent the interactions between the drug (d(i)) and the target (t(j)), characterized by different experimental measures (K-i, K-m, IC50, etc.) obtained in pharmacological assays under diverse boundary conditions (c(j)). In this work, we handle Shannon entropy measures for developing a model encompassing a multi-target network of neuroprotective/neurotoxic compounds reported in the CHEMBL database. The model predicts correctly >8300 experimental outcomes with Accuracy, Specificity, and Sensitivity above 80%-90% on training and external validation series. Indeed, the model can calculate different outcomes for >30 experimental measures in >400 different experimental protocolsin relation with >150 molecular and cellular targets on 11 different organisms (including human). Hereafter, we reported by the first time the synthesis, characterization, and experimental assays of a new series of chiral 1,2-rasagiline carbamate derivatives not reported in previous works. The experimental tests included: (1) assay in absence of neurotoxic agents; (2) in the presence of glutamate; and (3) in the presence of H2O2. Lastly, we used the new Assessing Links with Moving Averages (ALMA)-entropy model to predict possible outcomes for the new compounds in a high number of pharmacological tests not carried out experimentally.

Transverse mode formation in longitudinally pumped miniature slab lasers

The formation of transverse modes in longitudinally pumped miniature slab lasers is investigated theoretically and experimentally. The longitudinally non-uniform gain-guiding is studied by expanding the electric field into the Hermite-Gaussian functions that satisfy boundary conditions of the resonator. Non-Gaussian transversal beam profiles in the near field are found and the beam diameter is reduced when the pump spot becomes smaller. The experimental observation agrees with the theoretical calculation.

Simulação de escoamentos incompressíveis empregando o método Smoothed Particle Hydrodynamics utilizando algoritmos iterativos na determinação do campo de pressões

Nesse trabalho, foi desenvolvido um simulador numérico (C/C++) para a resolução de escoamentos de fluidos newtonianos incompressíveis, baseado no método de partículas Lagrangiano, livre de malhas, Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). Tradicionalmente, duas estratégias são utilizadas na determinação do campo de pressões de forma a garantir-se a condição de incompressibilidade do fluido. A primeira delas é a formulação chamada Weak Compressible Smoothed Particle Hydrodynamics (WCSPH), onde uma equação de estado para um fluido quase-incompressível é utilizada na determinação do campo de pressões. A segunda, emprega o Método da Projeção e o campo de pressões é obtido mediante a resolução de uma equação de Poisson. No estudo aqui desenvolvido, propõe-se três métodos iterativos, baseados noMétodo da Projeção, para o cálculo do campo de pressões, Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics (ISPH). A fim de validar os métodos iterativos e o código computacional, foram simulados dois problemas unidimensionais: os escoamentos de Couette entre duas placas planas paralelas infinitas e de Poiseuille em um duto infinito e foram usadas condições de contorno do tipo periódicas e partículas fantasmas. Um problema bidimensional, o escoamento no interior de uma cavidade com a parede superior posta em movimento, também foi considerado. Na resolução deste problema foi utilizado o reposicionamento periódico de partículas e partículas fantasmas.

Métodos espectrais aplicados à relatividade numérica: determinação dos dados iniciais

Neste trabalho aplicamos métodos espectrais para a determinação da configuração inicial de três espaços-tempos contendo buracos negros. Para isto apresentamos primeiro a foliação do espaço-tempo em hipersuperfícies tridimensionais espaciais parametrizadas pela função temporal t. Este processo é chamado de decomposição 3+1 [2] [5]. O resultado deste processo são dois conjuntos de equações classificadas em equações de vínculo e evolução [4]. As equações de vínculo podem ser divididas em vínculos Hamiltoniano e dos momentos. Para a obtenção dos dados iniciais dos problemas estudados aqui, apenas a equação de vínculo Hamiltoniano será resolvida numericamente, pois as equações de vínculo dos momentos possuem solução analítica nestes casos. Uma pequena descrição dos métodos espectrais é apresentada, destacando-se os método de Galerkin, método pseudoespectral ou de colocação e método de Tau, que são empregados na resolução das equações de vínculo Hamiltoniano dos problemas estudados. Verificamos que os resultados obtidos neste trabalho superam aqueles produzidos por Kidder e Finn [15], devido a uma escolha diferente das funções de base, que aqui satisfazem uma das condições de contorno.

Matrix analysis of an anisotropic optical thin film

Based on Maxwell's equations, standard boundary conditions are imposed on resultant electric- and magnetic-field vectors at interfaces, and the propagating characteristics of extraordinary waves, such as the forward- and backward-propagating directions of wave vectors, rays and their corresponding refractive indices are determined in a uniaxially birefringent thin film. Furthermore, 2 x 2 characteristic matrices of a birefringent thin film are derived including multiple reflections for the extraordinary wave.

基于Berreman矩阵的双折射薄膜光谱响应特性计算

采用Berreman特征矩阵方法，通过数值计算研究了双折射薄膜的反射、透射等光谱响应特性。依据电磁场理论的电场分量、磁场分量的界面连续条件，推导了光波在各向异性双轴薄膜中的Berreman转移矩阵，用以分析含有各向异性介质层的复杂薄膜系统的光学性质。这些矩阵递推关系包含了界面处的多点反射，适用于一般的各向异性的多层膜系统，包括入射媒质或基底为各向异性的情况。在文中给出了各向同性入射媒质双轴各向异性膜层一各向同性基底薄膜系统的计算结果，验证了该计算方法的可行性，以此作为进一步研究各向异性薄膜和相关光学薄膜器

氧碘激光器相位延迟片的制备与性能研究

多层介质反射镜在非正入射的时候，两个不同的偏振态之间会产生不同的相移。利用矩阵法，根据菲涅耳公式和电磁场边界条件，推导出p，s波的相移。通过优化设计．入射角为54°，在1285～1345nm之间p，s波获得了270°±1°的相移，同时也使反射率在99．5％以上。用离子束溅射技术制备相位延迟膜，用分光光度计测试了光谱特性和用椭偏仪测试了相位特性，在相应波段获得了262．4°±1．8°的相移，同时也使反射率在99．6％以上。误差的主要来源是离子源工作特性会产生不均匀的过渡层和最外层会吸收一些水气、灰尘等也产生

Feedback on the Rate and Depth of Chest Compressions during Cardiopulmonary Resuscitation Using Only Accelerometers

Background Quality of cardiopulmonary resuscitation (CPR) is key to increase survival from cardiac arrest. Providing chest compressions with adequate rate and depth is difficult even for well-trained rescuers. The use of real-time feedback devices is intended to contribute to enhance chest compression quality. These devices are typically based on the double integration of the acceleration to obtain the chest displacement during compressions. The integration process is inherently unstable and leads to important errors unless boundary conditions are applied for each compression cycle. Commercial solutions use additional reference signals to establish these conditions, requiring additional sensors. Our aim was to study the accuracy of three methods based solely on the acceleration signal to provide feedback on the compression rate and depth. Materials and Methods We simulated a CPR scenario with several volunteers grouped in couples providing chest compressions on a resuscitation manikin. Different target rates (80, 100, 120, and 140 compressions per minute) and a target depth of at least 50 mm were indicated. The manikin was equipped with a displacement sensor. The accelerometer was placed between the rescuer's hands and the manikin's chest. We designed three alternatives to direct integration based on different principles (linear filtering, analysis of velocity, and spectral analysis of acceleration). We evaluated their accuracy by comparing the estimated depth and rate with the values obtained from the reference displacement sensor. Results The median (IQR) percent error was 5.9% (2.8-10.3), 6.3% (2.9-11.3), and 2.5% (1.2-4.4) for depth and 1.7% (0.0-2.3), 0.0% (0.0-2.0), and 0.9% (0.4-1.6) for rate, respectively. Depth accuracy depended on the target rate (p < 0.001) and on the rescuer couple (p < 0.001) within each method. Conclusions Accurate feedback on chest compression depth and rate during CPR is possible using exclusively the chest acceleration signal. The algorithm based on spectral analysis showed the best performance. Despite these encouraging results, further research should be conducted to asses the performance of these algorithms with clinical data.

Um metodo numerico com paralelismo no tempo para aproximar solucoes de EDPs

Este trabalho de pesquisa tem por objetivo apresentar e investigar a viabilidade de um método numérico que contempla o paralelismo no tempo. Este método numérico está associado a problemas de condição inicial e de contorno para equações diferenciais parciais (evolutivas). Diferentemente do método proposto neste trabalho, a maioria dos métodos numéricos associados a equações diferencias parciais evolutivas e tradicionalmente encontrados, contemplam apenas o paralelismo no espaço. Daí, a motivação em realizar o presente trabalho de pesquisa, buscando não somente um método com paralelismo no tempo mas, sobretudo, um método viável do ponto de vista computacional. Para isso, a implementação do esquema numérico proposto está por conta de um algoritmo paralelo escrito na linguagem C e que utiliza a biblioteca MPI. A análise dos resultados obtidos com os testes de desempenho revelam um método numérico escalável e que exige pouco nível de comunicação entre processadores.