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.