用算子理论技术揭示非自治系统的趋势与持久循环：在过去与当前气候动力学中的应用
动力系统
2023-08-10 v1 大气与海洋物理
摘要
现代应用科学中的一个重要问题是刻画具有复杂内部动力学并受环境外部强迫的系统的行为。尽管已发展出多种技术分析此类非自治系统，许多方法依赖于实验或模拟的集合以获取充足信息来囊括外部强迫，这使其不适用于如气候动力学等仅能观测到单一实现的重要自然系统类别。在此，我们表明，先前为识别自治动力系统慢衰减可观测量而开发的算子理论技术，提供了一种利用系统单条轨迹数据识别非自治系统趋势与持久循环的有力手段。通过系统的数学分析与原型示例，我们证明 Koopman 与转移算子的特征函数提供了同时捕捉非线性趋势与内部变率相干模态的坐标。此外，我们将框架应用于来自当前与过去气候动力学的两个真实案例：工业时代海表温度 (SST) 变率与第四纪冰期循环的更新世中期转型 (MPT)。我们的结果给出了工业时代 SST 与地表气温 (SAT) 趋势的非参数表示，同时捕捉了季节降水循环对这些趋势的响应。另外，我们的古气候分析以高粒度揭示了过去三百万年主导冰期循环与 MPT。
引用
@article{arxiv.2308.04045,
title = {Revealing trends and persistent cycles of non-autonomous systems with operator-theoretic techniques: Applications to past and present climate dynamics},
author = {Gary Froyland and Dimitrios Giannakis and Edoardo Luna and Joanna Slawinska},
journal= {arXiv preprint arXiv:2308.04045},
year = {2023}
}