Queueing Models with Vacations and Working Vacations

The objective of the study of \Queueing models with vacations and working vacations" was two fold; to minimize the server idle time and improve the e ciency of the service system. Keeping this in mind we considered queueing models in di erent set up in this thesis. Chapter 1 introduced the concepts and techniques used in the thesis and also provided a summary of the work done. In chapter 2 we considered an M=M=2 queueing model, where one of the two heterogeneous servers takes multiple vacations. We studied the performance of the system with the help of busy period analysis and computation of mean waiting time of a customer in the stationary regime. Conditional stochastic decomposition of queue length was derived. To improve the e ciency of this system we came up with a modi ed model in chapter 3. In this model the vacationing server attends the customers, during vacation at a slower service rate. Chapter 4 analyzed a working vacation queueing model in a more general set up. The introduction of N policy makes this MAP=PH=1 model di erent from all working vacation models available in the literature. A detailed analysis of performance of the model was provided with the help of computation of measures such as mean waiting time of a customer who gets service in normal mode and vacation mode.

Characterizations of bivariate models using dynamic Kullback–Leibler discrimination measures

In this paper, the residual Kullback–Leibler discrimination information measure is extended to conditionally specified models. The extension is used to characterize some bivariate distributions. These distributions are also characterized in terms of proportional hazard rate models and weighted distributions. Moreover, we also obtain some bounds for this dynamic discrimination function by using the likelihood ratio order and some preceding results.

Characterizations of Bivariate Models Using Some Dynamic Conditional Information Divergence Measures

In this article, we study some relevant information divergence measures viz. Renyi divergence and Kerridge’s inaccuracy measures. These measures are extended to conditionally specifiedmodels and they are used to characterize some bivariate distributions using the concepts of weighted and proportional hazard rate models. Moreover, some bounds are obtained for these measures using the likelihood ratio order

Inverse Metabolic Engineering of Synechocystis PCC 6803 for Improved Growth Rate and Poly-3-hydroxybutyrate Production

Synechocystis PCC 6803 is a photosynthetic bacterium that has the potential to make bioproducts from carbon dioxide and light. Biochemical production from photosynthetic organisms is attractive because it replaces the typical bioprocessing steps of crop growth, milling, and fermentation, with a one-step photosynthetic process. However, low yields and slow growth rates limit the economic potential of such endeavors. Rational metabolic engineering methods are hindered by limited cellular knowledge and inadequate models of Synechocystis. Instead, inverse metabolic engineering, a scheme based on combinatorial gene searches which does not require detailed cellular models, but can exploit sequence data and existing molecular biological techniques, was used to find genes that (1) improve the production of the biopolymer poly-3-hydroxybutyrate (PHB) and (2) increase the growth rate. A fluorescence activated cell sorting assay was developed to screen for high PHB producing clones. Separately, serial sub-culturing was used to select clones that improve growth rate. Novel gene knock-outs were identified that increase PHB production and others that increase the specific growth rate. These improvements make this system more attractive for industrial use and demonstrate the power of inverse metabolic engineering to identify novel phenotype-associated genes in poorly understood systems.

Option pricing in market models driven by telegraph processes with jumps

Esta tesis está dividida en dos partes: en la primera parte se presentan y estudian los procesos telegráficos, los procesos de Poisson con compensador telegráfico y los procesos telegráficos con saltos. El estudio presentado en esta primera parte incluye el cálculo de las distribuciones de cada proceso, las medias y varianzas, así como las funciones generadoras de momentos entre otras propiedades. Utilizando estas propiedades en la segunda parte se estudian los modelos de valoración de opciones basados en procesos telegráficos con saltos. En esta parte se da una descripción de cómo calcular las medidas neutrales al riesgo, se encuentra la condición de no arbitraje en este tipo de modelos y por último se calcula el precio de las opciones Europeas de compra y venta.

Aprofitament de residus vegetals per a la concentració i separació d'ions metàl·lics de solucions aquoses

La adsorció sobre carbó actiu és un tractament habitual para a l'eliminació de metalls contaminants d'afluents aquosos. Amb la finalitat de reduir el cost dels tractament actuals s'està estudiant la utilització d'adsorbents de baix cost com a substituts dels sorbents convencionals que s'utilitzen usualment en els tractaments d'aigües. En aquesta tesi s'ha avaluat la possibilitat d'aprofitar diversos residus vegetals procedents de processos agrícoles o residus industrials, com a sorbents per a l'eliminació de metalls de solucions aquoses. En concret, el treball s'ha centrat en assolir dos grans objectius, primer de tot, conèixer la possibilitat d'utilitzar el pinyol d'oliva com a adsorbent de metalls divalents de solucions aquoses, com són el Cd(II), Cu(II), Ni(II) i Pb(II), i en segon lloc, avaluar la utilització de quatre residus vegetals (escorça de yohimbe, rapa de raïm, suro i pinyol d'oliva) per a l'extracció de Cr(VI) de solucions aquoses i utilitzar el residu vegetal més apropiat com a base per tal d'obtenir un nou sorbent, amb més bona morfologia per ser utilitzat en sistemes d'eliminació de Cr(VI) en continu. Les dades cinètiques d'adsorció es van tractar amb el model cinètic de pseudo-segon ordre, amb el que es van determinar la velocitat inicial d'adsorció dels metalls. Els models d'isotermes d'equilibri de Langmuir i Freundlich es van utilitzar per descriure els equilibris d'adsorció i calcular els paràmetres de les isotermes. En els assajos amb mescles binàries de metalls, els resultats es van tractar amb el model ampliat de Langmuir. En aquest treball s'ha determinat, primerament, que el pinyol d'oliva és un bon sorbent dels metalls divalents estudiats. S'ha determinat que l'adsorció dels metalls varia amb el pH de la solució i que la presència de sals en la solució provoca una davallada en l'adsorció. També es va determinar la competència en l'adsorció entre els metalls al realitzar assajos en mescles binàries. Amb els estudis d'extracció de Cr(VI) amb els quatre materials s'ha determinat que aquests vegetals poden adsorbir el Cr(VI) en solució, tot i que la rapa i la yohimbe són els materials que presenten unes capacitats d'adsorció més elevades. Les anàlisis amb espectroscòpia electrònica de Raig-X realitzats en la rapa de raïm i la yohimbe en contacte amb Cr(VI) varen demostrar la presència del metall en els dos estats d'oxidació, Cr(VI) i Cr(III), evidenciant la participació del mecanisme de reducció de Cr(VI) en l'adsorció del metall sobre els materials. Amb l'encapsulació de la rapa de raïm es va incrementar significativament la capacitat d'adsorció del metall respecta a la seva utilització en la forma original. Les dades experimentals es van tractar amb un model de difusió i es va determinar el coeficient de difusió en l'adsorció en el sorbent amb diferent percentatge de rapa en l'interior. Finalment s'han realitzat estudis preliminars d'adsorció de crom hexavalent en continu utilitzant columnes de petites dimensions farcides amb el sorbent format per boles de rapa encapsulada en alginat càlcic. En aquests assajos s'ha determinat l'efecte en l'adsorció de metall de diversos paràmetres d'operació, com la concentració inicial de metall, el cabal i l'alçada de llit. El model de transferència de matèria i difusió en columna emprat pel tractament de les dades experimentals va mostrar l'efecte de la concentració inicial i del cabal en els coeficients de difusió i transferència de matèria. El model BDST no va predir correctament el temps de servei en els diferents paràmetres d'operació experimentats a causa de la complexitat del procés d'adsorció. Amb aquests assajos preliminars s'han establert les bases de l'adsorció de Cr(VI) amb el nou sorbent en sistemes en continu amb la finalitat de realitzar estudis posteriors d'eliminació del metall en columnes de majors dimensions.

Avaluació de la toxicitat de metalls pesants i arsènic en diferents models biològics

En aquest estudi, la toxicitat de diversos metalls pesants i l'arsènic va ser analitzada utilitzant diferents models biològics. En la primera part d'aquest treball, el bioassaig de toxicitat Microtox, el qual està basat en la variació de l'emissió lumínica del bacteri luminiscent Vibrio fischeri, va ser utilitzat per establir les corbes dosi-resposta de diferents elements tòxics com el Zn(II), Pb(II), Cu(II), Hg(II), Ag(I), Co(II), Cd(II), Cr(VI), As(V) i As(III) en solucions aquoses. Els experiments es varen portar a terme a pH 6.0 i 7.0 per tal de mostrar que el pH pot influir en la toxicitat final mesurada d'alguns metalls degut als canvis relacionats amb la seva especiació química. Es varen trobar diferents tipus de corbes dosi-resposta depenent del metall analitzat i el pH del medi. En el cas de l'arsènic, l'efecte del pH en la toxicitat de l'arsenat i l'arsenit es va investigar utilitzant l'assaig Microtox en un rang de pHs comprès entre pH 5.0 i 9.0. Els valors d'EC50 determinats per l'As(V) disminueixen, reflectint un augment de la toxicitat, a mesura que el pH de la solució augmenta mentre que, en el cas de l'As(III), els valors d'EC50 quasi bé no varien entre pH 6.0 i 8.0 i només disminueixen a pH 9.0. HAsO42- i H2AsO3- es varen definir com les espècies més tòxiques. Així mateix, una anàlisi estadística va revelar un efecte antagònic entre les espècies químiques d'arsenat que es troben conjuntament a pH 6.0 i 7.0. D'altra banda, els resultats de dos mètodes estadístics per predir la toxicitat i les possibles interaccions entre el Co(II), Cd(II), Cu(II), Zn(II) i Pb(II) en mescles binàries equitòxiques es varen comparar amb la toxicitat observada sobre el bacteri Vibrio fischeri. L'efecte combinat d'aquests metalls va resultar ser antagònic per les mescles de Co(II)-Cd(II), Cd(II)-Zn(II), Cd(II)-Pb(II) i Cu(II)-Pb(II), sinèrgic per Co(II)-Cu(II) i Zn(II)-Pb(II) i additiu en els altres casos, revelant un patró complex de possibles interaccions. L'efecte sinèrgic de la combinació Co(II)-Cu(II) i la forta disminució de la toxicitat del Pb(II) quan es troba en presència de Cd(II) hauria de merèixer més atenció quan s'estableixen les normatives de seguretat ambiental. La sensibilitat de l'assaig Microtox també va ser determinada. Els valors d'EC20, els quals representen la toxicitat llindar mesurable, varen ser determinats per cada element individualment i es va veure que augmenten de la següent manera: Pb(II) < Ag(I) < Hg(II)  Cu(II) < Zn(II) < As(V) < Cd(II)  Co(II) < As(III) < Cr(VI). Aquests valors es varen comparar amb les concentracions permeses en aigues residuals industrials establertes per la normativa oficial de Catalunya (Espanya). L'assaig Microtox va resultar ser suficientment sensible per detectar els elements assajats respecte a les normes oficials referents al control de la contaminació, excepte en el cas del cadmi, mercuri, arsenat, arsenit i cromat. En la segona part d'aquest treball, com a resultats complementaris dels resultats previs obtinguts utilitzant l'assaig de toxicitat aguda Microtox, els efectes crònics del Cd(II), Cr(VI) i As(V) es varen analitzar sobre la taxa de creixement i la viabilitat en el mateix model biològic. Sorprenentment, aquests productes químics nocius varen resultar ser poc tòxics per aquest bacteri quan es mesura el seu efecte després de temps d'exposició llargs. Tot i això, en el cas del Cr(VI), l'assaig d'inhibició de la viabilitat va resultar ser més sensible que l'assaig de toxicitat aguda Microtox. Així mateix, també va ser possible observar un clar fenomen d'hormesis, especialment en el cas del Cd(II), quan s'utilitza l'assaig d'inhibició de la viabilitat. A més a més, diversos experiments es varen portar a terme per intentar explicar la manca de toxicitat de Cr(VI) mostrada pel bacteri Vibrio fischeri. La resistència mostrada per aquest bacteri podria ser atribuïda a la capacitat d'aquest bacteri de convertir el Cr(VI) a la forma menys tòxica de Cr(III). Es va trobar que aquesta capacitat de reducció depèn de la composició del medi de cultiu, de la concentració inicial de Cr(VI), del temps d'incubació i de la presència d'una font de carboni. En la tercera part d'aquest treball, la línia cel·lular humana HT29 i cultius primaris de cèl·lules sanguínies de Sparus sarba es varen utilitzar in vitro per detectar la toxicitat llindar de metalls mesurant la sobreexpressió de proteines d'estrès. Extractes de fangs precedents de diverses plantes de tractament d'aigues residuals i diferents metalls, individualment o en combinació, es varen analitzar sobre cultius cel·lulars humans per avaluar el seu efecte sobre la taxa de creixement i la capacitat d'induir la síntesi de les proteïnes Hsp72 relacionades amb l'estrès cel·lular. No es varen trobar efectes adversos significatius quan els components s'analitzen individualment. Nogensmenys, quan es troben conjuntament, es produeix un afecte advers sobre tan la taxa de creixement com en l'expressió de proteins d'estrès. D'altra banda, cèl·lules sanguínies procedents de Sparus sarba es varen exposar in vitro a diferents concentracions de cadmi, plom i crom. La proteïna d'estrès HSP70 es va sobreexpressar significativament després de l'exposició a concentracions tan febles com 0.1 M. Sota les nostres condicions de treball, no es va evidenciar una sobreexpressió de metal·lotioneïnes. Nogensmenys, les cèl·lules sanguínies de peix varen resultar ser un model biològic interessant per a ser utilitzat en anàlisis de toxicitat. Ambdós models biològics varen resultar ser molt adequats per a detectar acuradament la toxicitat produïda per metalls. En general, l'avaluació de la toxicitat basada en l'anàlisi de la sobreexpressió de proteïnes d'estrès és més sensible que l'avaluació de la toxicitat realitzada a nivell d'organisme. A partir dels resultats obtinguts, podem concloure que una bateria de bioassaigs és realment necessària per avaluar acuradament la toxicitat de metalls ja que existeixen grans variacions entre els valors de toxicitat obtinguts emprant diferents organismes i molts factors ambientals poden influir i modificar els resultats obtinguts.

Monitoring present day changes in water vapour and the radiative energy balance using satellite data, reanalyses and models

A combination of satellite data, reanalysis products and climate models are combined to monitor changes in water vapour, clear-sky radiative cooling of the atmosphere and precipitation over the period 1979-2006. Climate models are able to simulate observed increases in column integrated water vapour (CWV) with surface temperature (Ts) over the ocean. Changes in the observing system lead to spurious variability in water vapour and clear-sky longwave radiation in reanalysis products. Nevertheless all products considered exhibit a robust increase in clear-sky longwave radiative cooling from the atmosphere to the surface; clear-sky longwave radiative cooling of the atmosphere is found to increase with Ts at the rate of ~4 Wm-2 K-1 over tropical ocean regions of mean descending vertical motion. Precipitation (P) is tightly coupled to atmospheric radiative cooling rates and this implies an increase in P with warming at a slower rate than the observed increases in CWV. Since convective precipitation depends on moisture convergence, the above implies enhanced precipitation over convective regions and reduced precipitation over convectively suppressed regimes. To quantify this response, observed and simulated changes in precipitation rate are analysed separately over regions of mean ascending and descending vertical motion over the tropics. The observed response is found to be substantially larger than the model simulations and climate change projections. It is currently not clear whether this is due to deficiencies in model parametrizations or errors in satellite retrievals.

Selection-mutation balance models with epistatic selection

We present an application of birth-and-death processes on configuration spaces to a generalized mutation4 selection balance model. The model describes the aging of population as a process of accumulation of mu5 tations in a genotype. A rigorous treatment demands that mutations correspond to points in abstract spaces. 6 Our model describes an infinite-population, infinite-sites model in continuum. The dynamical equation which 7 describes the system, is of Kimura-Maruyama type. The problem can be posed in terms of evolution of states 8 (differential equation) or, equivalently, represented in terms of Feynman-Kac formula. The questions of interest 9 are the existence of a solution, its asymptotic behavior, and properties of the limiting state. In the non-epistatic 10 case the problem was posed and solved in [Steinsaltz D., Evans S.N., Wachter K.W., Adv. Appl. Math., 2005, 11 35(1)]. In our model we consider a topological space X as the space of positions of mutations and the influence of epistatic potentials

Diagnostic analysis of atmospheric moisture and clear-sky radiative feedback in the Hadley Centre and Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) climate models

The interannual variability of the hydrological cycle is diagnosed from the Hadley Centre and Geophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL) climate models, both of which are forced by observed sea surface temperatures. The models produce a similar sensitivity of clear-sky outgoing longwave radiation to surface temperature of ∼2 W m−2 K−1, indicating a consistent and positive clear-sky radiative feedback. However, differences between changes in the temperature lapse-rate and the height dependence of moisture fluctuations suggest that contrasting mechanisms bring about this result. The GFDL model appears to give a weaker water vapor feedback (i.e., changes in specific humidity). This is counteracted by a smaller upper tropospheric temperature response to surface warming, which implies a compensating positive lapse-rate feedback.

The role of nonhydrostatic dynamics in controlling development of a surface ocean front

Numerical studies of surface ocean fronts forced by inhomogeneous buoyancy loss show nonhydrostatic convective plumes coexisting with baroclinic eddies. The character of the vertical overturning depends sensitively on the treatment of the vertical momentum equation in the model. It is less well known how the frontal evolution over scales of O(10 km) is affected by these dynamics. Here, we compare highly resolved numerical experiments using nonhydrostatic and hydrostatic models and the convective-adjustment parametrization. The impact of nonhydrostatic processes on average cross-frontal transfer is weak compared to the effect of the O(1 km) scale baroclinic motions. For water-mass distribution and formation rate nonhydrostatic dynamics have similar influence to the baroclinic eddies although adequate resolution of the gradients in forcing fluxes is more important. The overall implication is that including nonhydrostatic surface frontal dynamics in ocean general circulation models will have only a minor effect on scales of O(1 km) and greater.

Understanding mixing efficiency in the oceans. Do the nonlinearities of the equation of state matter?

There exist two central measures of turbulent mixing in turbulent stratified fluids that are both caused by molecular diffusion: 1) the dissipation rate D(APE) of available potential energy APE; 2) the turbulent rate of change Wr, turbulent of background gravitational potential energy GPEr. So far, these two quantities have often been regarded as the same energy conversion, namely the irreversible conversion of APE into GPEr, owing to the well known exact equality D(APE)=Wr, turbulent for a Boussinesq fluid with a linear equation of state. Recently, however, Tailleux (2009) pointed out that the above equality no longer holds for a thermally-stratified compressible, with the ratio ξ=Wr, turbulent/D(APE) being generally lower than unity and sometimes even negative for water or seawater, and argued that D(APE) and Wr, turbulent actually represent two distinct types of energy conversion, respectively the dissipation of APE into one particular subcomponent of internal energy called the "dead" internal energy IE0, and the conversion between GPEr and a different subcomponent of internal energy called "exergy" IEexergy. In this paper, the behaviour of the ratio ξ is examined for different stratifications having all the same buoyancy frequency N vertical profile, but different vertical profiles of the parameter Υ=α P/(ρCp), where α is the thermal expansion coefficient, P the hydrostatic pressure, ρ the density, and Cp the specific heat capacity at constant pressure, the equation of state being that for seawater for different particular constant values of salinity. It is found that ξ and Wr, turbulent depend critically on the sign and magnitude of dΥ/dz, in contrast with D(APE), which appears largely unaffected by the latter. These results have important consequences for how the mixing efficiency should be defined and measured in practice, which are discussed.

Prediction leaching of potassium using the convective-dispersive and the convective log-normal transfer function models

There is increasing concern about soil enrichment with K+ and subsequent potential losses following long-term application of poor quality water to agricultural land. Different models are increasingly being used for predicting or analyzing water flow and chemical transport in soils and groundwater. The convective-dispersive equation (CDE) and the convective log-normal transfer function (CLT) models were fitted to the potassium (K+) leaching data. The CDE and CLT models produced equivalent goodness of fit. Simulated breakthrough curves for a range of CaCl2 concentration based on parameters of 15 mmol l(-1) CaCl2 were characterised by an early peak position associated with higher K+ concentration as the CaCl2 concentration used in leaching experiments decreased. In another method, the parameters estimated from 15 mmol l(-1) CaCl2 solution were used for all other CaCl2 concentrations, and the best value of retardation factor (R) was optimised for each data set. A better prediction was found. With decreasing CaCl2 concentration the value of R is required to be more than that measured (except for 10 mmol l(-1) CaCl2), if the estimated parameters of 15 mmol l(-1) CaCl2 are used. The two models suffer from the fact that they need to be calibrated against a data set, and some of their parameters are not measurable and cannot be determined independently.

Mesozoic climates: General circulation models and the rock record

General circulation models (GCMs) use the laws of physics and an understanding of past geography to simulate climatic responses. They are objective in character. However, they tend to require powerful computers to handle vast numbers of calculations. Nevertheless, it is now possible to compare results from different GCMs for a range of times and over a wide range of parameterisations for the past, present and future (e.g. in terms of predictions of surface air temperature, surface moisture, precipitation, etc.). GCMs are currently producing simulated climate predictions for the Mesozoic, which compare favourably with the distributions of climatically sensitive facies (e.g. coals, evaporites and palaeosols). They can be used effectively in the prediction of oceanic upwelling sites and the distribution of petroleum source rocks and phosphorites. Models also produce evaluations of other parameters that do not leave a geological record (e.g. cloud cover, snow cover) and equivocal phenomena such as storminess. Parameterisation of sub-grid scale processes is the main weakness in GCMs (e.g. land surfaces, convection, cloud behaviour) and model output for continental interiors is still too cold in winter by comparison with palaeontological data. The sedimentary and palaeontological record provides an important way that GCMs may themselves be evaluated and this is important because the same GCMs are being used currently to predict possible changes in future climate. The Mesozoic Earth was, by comparison with the present, an alien world, as we illustrate here by reference to late Triassic, late Jurassic and late Cretaceous simulations. Dense forests grew close to both poles but experienced months-long daylight in warm summers and months-long darkness in cold snowy winters. Ocean depths were warm (8 degrees C or more to the ocean floor) and reefs, with corals, grew 10 degrees of latitude further north and south than at the present time. The whole Earth was warmer than now by 6 degrees C or more, giving more atmospheric humidity and a greatly enhanced hydrological cycle. Much of the rainfall was predominantly convective in character, often focused over the oceans and leaving major desert expanses on the continental areas. Polar ice sheets are unlikely to have been present because of the high summer temperatures achieved. The model indicates extensive sea ice in the nearly enclosed Arctic seaway through a large portion of the year during the late Cretaceous, and the possibility of sea ice in adjacent parts of the Midwest Seaway over North America. The Triassic world was a predominantly warm world, the model output for evaporation and precipitation conforming well with the known distributions of evaporites, calcretes and other climatically sensitive facies for that time. The message from the geological record is clear. Through the Phanerozoic, Earth's climate has changed significantly, both on a variety of time scales and over a range of climatic states, usually baldly referred to as "greenhouse" and "icehouse", although these terms disguise more subtle states between these extremes. Any notion that the climate can remain constant for the convenience of one species of anthropoid is a delusion (although the recent rate of climatic change is exceptional). (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.