基於複雜網路方法的氣候時間序列分析

《基於複雜網路方法的氣候時間序列分析》是依託華東師範大學，由鄒勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於複雜網路方法的氣候時間序列分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄒勇
• 依託單位：華東師範大學

項目摘要

氣候變暖將給人類社會和經濟的可持續發展帶來巨大的影響和嚴峻的挑戰。氣候系統中的大氣圈、水圈、陸地表面、冰雪圈和生物圈等各自都是複雜的子系統，這些子系統之間通過物質和能量的交換而產生不同層次上的相互作用，從而形成網路中有網路的多層次複雜結構，並且整個網路還受到太陽活動的擾動。以往研究氣候動力學通常採用線性方法或者僅分析單個子系統的特徵。不同於以往的研究途徑，本課題將從複雜網路和非線性動力學的角度研究氣候系統的複雜動力學行為。內容包括：（1）網路化分析太陽黑子的活動；（2）研究厄爾尼諾-印度夏季季風氣候-北大西洋濤動三者之間的非對稱耦合關係；（3）揭示土壤濕度對大氣降水的反饋作用。本研究力圖從實際觀測數據出發，藉助於複雜網路方法，探討子系統之間在不同的時間和空間尺度上的非線性關聯作用，揭示子系統之間的耦合方向與信息傳遞方式。這項研究將有助於從複雜網路的角度對氣候系統變暖的複雜物理過程提供深層次認識。

結題摘要

本項目基於複雜網路方法，深入研究了非線性氣候系統的複雜性現象，並且在網路同步動力學的研究方面取得了突破性進展。獲得的主要成果包括：（1）基於太陽黑子的觀測資料，運用可視圖分析得到了太陽黑子的演化趨勢，進一步刻畫了時間序列極大值和極小值在網路分析中的重要作用，並且刻畫了太陽黑子在南北兩個半球的分布非對稱性。指出時間序列的平穩性是回歸網路方法能否運用的基本條件。（2）以亞馬遜流域的氣候子系統為例，揭示了相互耦合子網路之間的非對稱信息傳遞關係，討論了區域網路在極端乾旱事件下的穩定性問題。通過分析亞馬遜流域、大西洋流域和厄爾尼諾區域之間的網路遙相關作用，得出2005年的乾旱是由於受到大西洋濤動的異常變化引起的，但是2010年的乾旱卻是由於太平洋厄爾尼諾區域的異常而導致的。（3）深入系統地研究了複雜網路上產生爆炸式同步的原因及其微觀機制。提出了系統的同步鎖相流形，根據流形的存在性和穩定性條件，解析求解了向前同步化和向後同步褪去化兩個過程中的相變點數值。從理論上揭示了磁滯回線的產生是由於系統的吸引域發生了變化。在同步過程中，發現了非平穩的、呈團簇形式的高階協同態。基於負責人和所在課題組在這一研究領域的貢獻，應邀完成整理複雜網路上爆炸式同步和爆炸式滲流的重要階段性成果，旨在為這一領域的未來發展指明方向。 在氣候系統複雜性探索方面所獲得的成果，尤其是關於區域子網路之間的遙相關現象的研究成果，可以為構建大腦網路等方面的研究提供很好的借鑑，為今後的科研發展奠定了基礎。關於揭示的複雜網路系統中產生爆炸式同步動力學的深層次物理機制，可以為控制實際系統中出現的諸如級聯失效和癲癇突發等爆炸式動力學行為提供理論基礎。 本項目已發表22篇學術論文，其中Phys Rev Lett有2篇、Phys Rep有1篇、Phys Rev E有6篇、Sci Rep有3篇、New J. Phys有1篇，在氣候學專業權威期刊Climate Dynamics有1篇。培養碩士生4名，其中2名已經取得碩士學位，2名在讀，1名博士生在讀。