NEMACS

Nonlinear Empirical Mode Analysis of Complex Systems: Development of General Approach and Applications in Climate
 

Eine große Anzahl von Rückkopplungen, u. a. nichtlineare Wechselwirkungen zwischen vielen Einzelkomponenten eines Systems auf verschiedenen Skalen, ist verantwortlich für die hochkomplexe und diverse Dynamik des Erdklimas. Durch Kombination und Anwendung verschiedener neuer Verfahren aus statistischer Mechanik und der Theorie dynamischer Systeme, wie komplexe Netzwerke und empirische Modellierung, werden unsere Möglichkeiten, das Verhalten solcher natürlichen Systeme zu analysiere, modellieren und vorherzusagen, deutlich verbessert. Diese Verfahren werden auf wichtige Fragestellungen aus den Klimawissenschaften angewendet und überbrücken so eine Lücke zwischen Physik und Geowissenschaften die sich somit gegenseitig bereichern. Die Basis unserer Forschung ist eine neuartige Methode der principal empirical mode Suche, welche die Evolution des beobachteten Systems geeignet beschreibt. Ein principal manifold Zugang wird für die Konstruktion komplexer Klimanetzwerke sowie für die Untersuchung von Teleconnections im Klimasystem herangezogen. Desweiteren liefert es eine Phasenraumrekonstruktion für die nachfolgende multidimensionale Wiederkehranalyse. Wiederkehr- und komplexe Netzwerkanalyse werden ebenfalls weiterentwickelt, vor allem um multivariate Wechselwirkungen auf verschiedenen Zeitskalen aufzuspüren. Dazu sollen Ideen wie multilayer Netzwerke, Netzwerke von Netzwerken, Wiederkehrwahrscheinlichkeiten und Wavelettransformationen genutzt werden. Entsprechend diesem neuartigen Zugang, werden optimale Prädiktoren (Variablen) für die stochastische Modellierung mittels komplexer Netzwerke und empirical mode Analyse bestimmt. Dieses zu entwickelnde Framework wird an prototypischen Systemen getestet und schließlich (1) zur Untersuchung raumzeitlicher Muster und kritischer Übergänge im Paläoklima der letzten 10000 bis 20000 Jahre (Fokus auf Dynamik asiatischer Monsun, Paläoklimadaten mit Lücken) sowie (2) zur saisonalen und interannuellen Vorhersage von Klimaphänomenen mittlerer geographischer Breite, vor allem hinsichtlich dem verstärkten Auftreten von extremen Wetterereignissen (Hitzewellen, Starkregen) verwendet. Der Erfolg dieses Projektes basiert auf der Zusammenarbeit der russischen und deutschen Forschergruppen durch ihre verschiedenen Expertisen in den numerischen Verfahren und wissenschaftlichen Disziplinen.

Duration

Sep 01, 2019 until Aug 31, 2022

Budget

179.207 €

Funding Agency

DFG - Deutsche Forschungsgemeinschaft

Contact

Norbert Marwan