Elements of modern cloud modelling

Modelowanie chmur dotyczy opisu procesów zachodzących w atmosferze i prowadzących do powstawania chmur i opadu. Wyzwanie w modelowaniu chmur stanowi mnogość sprzężeń łączących wielkoskalową termo- i hydrodynamikę z fizykochemicznymi własnościami pojedynczych drobin aerozolu, kropelek chmurowych, czy kropel deszczu. Dodatkowo, modelowanie chmur musi stawić czoła wyzwaniu skutecznego wykorzystania nowoczesnych technik obliczeniowych. Rozprawa podzielona jest na cztery rozdziały wprowadzające oraz załącznik, w którym umieszczone są trzy artykuły naukowe, których współautorem jest doktorant. Rozdziały wprowadzające pomyślane są jako przewodnik po załączonych artykułach, traktują one zwięźle o czterech aspektach modelowania chmur, t.j. o modelowanych zjawiskach, sformułowaniu modeli, ich implementacji i weryfikacji. Każdy z przedstawionych artykułów, które stanowią sedno rozprawy, skupia się na innym z tych aspektów. Wszystkie trzy jednak ukazują zastosowanie lagranżowskiego podejścia do reprezentacji ewolucji widma rozmiarów cząstek. Podejście to jest szczególnie trafnym wyborem w kontekście badań nad oddziaływaniami aerozolu z chmurami. Oddziaływania te są przedmiotem szczególnego zainteresowania w ostatnich latach, ze względu na ich nadal niejasną rolę w kształtowaniu klimatu Ziemi. Pierwszy z artykułów, zatytułowany ''Adaptive method of lines for multi-component aerosol condensational growth and CCN activation'' (Arabas i Pawlowska, 2011, Geosci. Model. Dev. 4), skupia się na procesie aktywacji drobin aerozolu (zalążków kondensacji chmurowej, ang. CCN) do postaci kropel chmurowych. Artykuł zawiera opis autorskiego sformułowania i implementacji zerowymiarowego modelu chmury (tzw. modelu cząstki). Drugi artykuł, zatytułowany ''Large-Eddy Simulations of Trade Wind Cumuli Using Particle-Based Microphysics with Monte Carlo Coalescence'' (Arabas i Shima, 2013, J. Atmos. Sci. 70), poświęcony jest weryfikacji sformułowania modelu oraz wyników symulacji względem danych obserwacyjnych. Artykuł opisuje nowatorskie zastosowanie techniki śledzenia cząstek w zastosowaniu do symulacji chmur. Zaprezentowane symulacje obejmują reprezentację procesu zderzeń kropel przy użyciu metody typu Monte-Carlo. Symulacje wykonane są w trzech wymiarach, przy użyciu metody dużych wirów (ang. Large Eddy Simulation, LES). Trzeci artykuł, zatytułowany ''libcloudph++ 0.1: single-moment bulk, double-moment bulk, and particle-based warm-rain microphysics library in C++'' (Arabas, Jaruga, Pawlowska, Grabowski 2013, arXiv e-print 1310.1905), skupia się na implementacji modeli. Artykuł opisuje autorskie implementacje trzech algorytmów służących do reprezentacji procesów prowadzących do powstania deszczu pod nieobecność lodu. Jeden z zaimplementowanych algorytmów oparty jest o technikę śledzenia cząstek i wykorzystuje schemat typu Monte-Carlo do rozwiązania zderzeń cząstek. Sformułowanie schematu zawiera elementy autorskie i jest w całości ujęte w artykule. Algorytmy zaimplementowane są w postaci biblioteki C++ i udostępniane są jako bezpłatne i otwarte oprogramowanie. Struktura biblioteki oraz jej interfejs (API) opisane są w artykule. Zaprezentowane przykładowe symulacje wykonane są przy pomocy dwuwymiarowego modelu o zadanym przepływie powietrza. Każdy z artykułów opatrzony jest opisem wkładu doktoranta w prace nad badaniami i nad treścią publikacji.

Cloud modelling deals with description of processes occurring in the atmosphere that lead to formation of clouds and precipitation. The challenges in cloud modelling stem from the myriad of couplings that link large-scale atmospheric thermo- and hydrodynamics with physicochemical properties of individual aerosol particles, cloud droplets and rain drops. Furthermore, cloud modelling faces the challenge of effectively leveraging modern computing technologies. The thesis is structured into four introductory chapters and an appendix containing three research papers co-authored by the candidate. The introduction is aimed at guiding the reader through the three papers which constitute the substance of the thesis. Four aspects of cloud modelling are briefly discussed in the introductory chapters, namely: modelled phenomena, model formulation, model implementation and model validation. Each of the papers is focused on a different one of these aspects. All three papers, however, feature application of the Lagrangian-in-size representation of particle size spectrum. This approach is of particular applicability to studies on aerosol-cloud interactions which have been the focus of active research in last years due to their still uncertain role in shaping the Earth's climate. The first paper entitled ''Adaptive method of lines for multi-component aerosol condensational growth and CCN activation'' (Arabas and Pawlowska, 2011, Geosci. Model. Dev. 4) is focused on the activation of cloud condensation nuclei (CCN) to form cloud droplets. The paper describes original formulation and implementation of a zero-dimensional cloud model (so-called parcel model). The second paper entitled ''Large-Eddy Simulations of Trade Wind Cumuli Using Particle-Based Microphysics with Monte Carlo Coalescence'' (Arabas and Shima, 2013, J. Atmos. Sci. 70) is focused on validation of model formulation and simulation results against observational data. The paper describes a novel application of the particle-based simulation technique for cloud modelling. Presented simulations involve a Monte-Carlo type representation of particle collision process. The simulations are carried out using a three-dimensional Large-Eddy-Simulation (LES) modelling framework. The third presented paper entitled ''libcloudph++ 0.1: single-moment bulk, double-moment bulk, and particle-based warm-rain microphysics library in C++'' (Arabas, Jaruga, Pawlowska, Grabowski 2013, arXiv e-print 1310.1905) is focused on model implementation. The paper describes original implementations of three algorithms for representing processes leading to formation of rain under absence of ice. One of the implemented algorithms is based on the particle-based technique and uses the Monte-Carlo type scheme for solving particle collisions. The formulation of the particle-based scheme includes original elements and is presented in the paper. The algorithms are implemented in a form of a C++ library released as free and open-source software. The library design and programming interface (API) are described within the paper. Simulation examples presented in the paper are carried out using a two-dimensional prescribed-flow modelling framework. Each paper is accompanied by a description of authors' contributions to the presented research and the paper content.