基于复杂网络方法的气候时间序列分析

The global warming of the Earth brings a huge impact and serious challenges on the sustainable development of the human society. The climate system consists of several complex subsystems, for instance, the atmosphere, hydrosphere, land surface, cryosphere and biosphere. They form a hierarchical complex network structure via the exchange of matter and energy between them, with solar activity as an external perturbation. Most existing studies on climate dynamics either use linear analysis or make analysis for a single isolated subsystem. In contrast, from the viewpoint of complex networks and nonlinear dynamics, we will study the complex dynamical behavior of the climate system, including (1) network analysis for sunspot activity; (2) uncovering the asymmetric couplings between El Nino, India Summer Monsoon and Northern Atlantic Oscillation; and (3) disclosing the slow feedback of soil moisture on precipitation. Based on observational climate data, we will study the nonlinear interaction patterns in both temporal and spatial domain by network approaches, uncovering the coupling directions and information transfer between subsystems. This project will provide a deep understanding on the complex physical processes of the warming of climate system by means of complex networks methods.

气候变暖将给人类社会和经济的可持续发展带来巨大的影响和严峻的挑战。气候系统中的大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈等各自都是复杂的子系统，这些子系统之间通过物质和能量的交换而产生不同层次上的相互作用，从而形成网络中有网络的多层次复杂结构，并且整个网络还受到太阳活动的扰动。以往研究气候动力学通常采用线性方法或者仅分析单个子系统的特征。不同于以往的研究途径，本课题将从复杂网络和非线性动力学的角度研究气候系统的复杂动力学行为。内容包括：1）网络化分析太阳黑子的活动；2）研究厄尔尼诺-印度夏季季风气候-北大西洋涛动三者之间的非对称耦合关系；3）揭示土壤湿度对大气降水的反馈作用。本研究力图从实际观测数据出发，借助于复杂网络方法，探讨子系统之间在不同的时间和空间尺度上的非线性关联作用，揭示子系统之间的耦合方向与信息传递方式。这项研究将有助于从复杂网络的角度对气候系统变暖的复杂物理过程提供深层次认识。

本项目基于复杂网络方法，深入研究了非线性气候系统的复杂性现象，并且在网络同步动力学的研究方面取得了突破性进展。获得的主要成果包括：（1）基于太阳黑子的观测资料，运用可视图分析得到了太阳黑子的演化趋势，进一步刻画了时间序列极大值和极小值在网络分析中的重要作用，并且刻画了太阳黑子在南北两个半球的分布非对称性。指出时间序列的平稳性是回归网络方法能否运用的基本条件。（2）以亚马逊流域的气候子系统为例，揭示了相互耦合子网络之间的非对称信息传递关系，讨论了区域网络在极端干旱事件下的稳定性问题。通过分析亚马逊流域、大西洋流域和厄尔尼诺区域之间的网络遥相关作用，得出2005年的干旱是由于受到大西洋涛动的异常变化引起的，但是2010年的干旱却是由于太平洋厄尔尼诺区域的异常而导致的。（3）深入系统地研究了复杂网络上产生爆炸式同步的原因及其微观机制。提出了系统的同步锁相流形，根据流形的存在性和稳定性条件，解析求解了向前同步化和向后同步褪去化两个过程中的相变点数值。从理论上揭示了磁滞回线的产生是由于系统的吸引域发生了变化。在同步过程中，发现了非平稳的、呈团簇形式的高阶协同态。基于负责人和所在课题组在这一研究领域的贡献，应邀完成整理复杂网络上爆炸式同步和爆炸式渗流的重要阶段性成果，旨在为这一领域的未来发展指明方向。..在气候系统复杂性探索方面所获得的成果，尤其是关于区域子网络之间的遥相关现象的研究成果，可以为构建大脑网络等方面的研究提供很好的借鉴，为今后的科研发展奠定了基础。关于揭示的复杂网络系统中产生爆炸式同步动力学的深层次物理机制，可以为控制实际系统中出现的诸如级联失效和癫痫突发等爆炸式动力学行为提供理论基础。..本项目已发表22篇学术论文，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，在气候学专业权威期刊Climate Dynamics有1篇。培养硕士生4名，其中2名已经取得硕士学位，2名在读，1名博士生在读。