Dissertation
submitted 28.2.2006
german




Studies of Correlations, Trends, and
synchronous behaviour in climatological records


Abstract:

In this work the statistical properties of real and simulated climate recordings (time series) are studied with methods from Statistical Physics. One focus is on the quantitative determination of long-term correlations (i.e., persistent behaviour) found in many natural time series including temperature records. The applied tools, in particular the Detrended Fluctuation Analysis (DFA), allow distinguishing trends and long-term correlations, even though numerical results as well as theoretical considerations indicate that long-term correlated data often look similar to data with trends. The reason behind this similarity is the pronounced mountain-valley-structure in correlated data, e.g. the occurrence of rather monotonous increases or decreases over extended periods.
Two different strategies are presented to overcome the problem of trend detection. The first one is based on a special application of the DFA technique and the second one on moving averages and comparisons with reconstructed data. The results confirm that the temperature increase of the Northern Hemisphere since the nineteenth century cannot be explained with the natural fluctuations caused by the long-term correlated nature of the recordings.

Furthermore, simulated temperature recordings from a computational grid-based 1000-year climate model are shown to exhibit long-term correlated temperature fluctuations very similar to those observed in instrumental records if historical conditions (greenhouse gas, solar, and volcanic forcings) are used. In the corresponding long control-run (with constant external forcings), however, the long-term correlations turn out to be too weak in particular for sites with large distance from the oceans. These findings support the relevance of the forcings in climate modelling.

A second focus of this work is the analysis of precipitation records. The methods from Statistical Physics show that the complex temporal properties of precipitation cannot be fully explained with only one scaling exponent. Due to this so-called multifractality the fluctuations are different from white noise, although the second moment of the precipitation records asymptotically exhibits weak or no long-term correlations.

In the last part of this work a method for the analysis of phase synchronisation is adapted from the area of non-linear dynamics to climate problems. In the case of noisy climate records a counterintuitive delay of single days is found in phase synchronisation. Moreover, it is pointed out, that in contrast to the cross-correlation function, statistical dependencies are also found in the presence of dominating oscillations, like the annual trend.




Untersuchungen von Korrelationen, Trends und
synchronem Verhalten in Klimazeitreihen


Zusammenfassung:

In dieser Arbeit werden die statistischen Eigenschaften von echten und simulierten Klimazeitreihen mit Methoden der Statistischen Physik untersucht. Ein Schwerpunkt liegt auf der quantitativen Bestimmung von Langzeitkorrelationen (Persistenz), wie sie in vielen natürlichen Zeitreihen, Temperaturreihen eingenommen, auftreten. Die angewandten Verfahren, insbesondere die Trendbereinigende Fluktuationsanalyse (DFA), erlauben es, Trends und Langzeitkorrelationen zu trennen, obwohl numerische Ergebnisse und theoretische Betrachtungen zeigen, daß langzeitkorrelierte Daten trendähnlich wirken können. Der Grund für diese Ähnlichkeit ist die ausgeprägte Berg und Tal Struktur korrelierter Daten, also das Aufteten von Perioden eher monotonen Anstieges oder Abfallens.
Zwei unterschiedliche Strategien zur Überwindung des Problems der Trenderkennung werden vorgestellt. Die erste basiert auf einer speziellen Anwendung der DFA-Methode und die zweite auf gleitenden Mitteln und dem Vergleich mit rekonstruierten Daten. Die Ergebnisse bestätigen, daß der Temperaturanstieg der Nördlichen Hemisphäre seit dem neunjehnten Jahrhundert nicht mit den natürlichen Fluktuationen, verursacht durch den langzeit-persistenten Charakter der Reihen, erklärt werden kann.

Darüberhinaus zeigen simulierte Temperaturreihen eines 1000-jährigen Klimamodells Langzeitkorrelationen sehr ähnlich denen wie sie in instrumenteller Reihen beobachtet werden, wenn historische Bedingungen (Treibhausgase, Sonneneinstrahlung und Vulkanaktivität) auf den Modellauf einwirken. In dem enstprechenden langen Kontrollauf (mit konstanten Antrieben), erweisen sich die Langzeitkorrelationen jedoch als zu schwach, insbesondere an Orten, die weit von Ozeanen entfernt liegen. Dies bekräftigt die Rolle der äußeren Antriebe bei Klimamodellen.

Einen zweiten Themenschwerpunkt bildet die Untersuchung von Niederschlagszeitreihen. Die Methoden aus der Statistischen Physik ergeben, daß die komplexen zeitlichen Eigenschaften des Niederschlags mit nur einem Fluktuationsexponenten nicht ausreichend beschrieben werden. Aufgrund dieser sogenannten Multifraktalität könnn die Fluktuationen nicht mit weißem Rauschen gleichgesetzt werden, auch wenn das zweite Moment der Niederschlagsreihen asymptotisch nur schwach oder gar nicht langzeitkorreliert ist.

Im letzten Teil dieser Arbeit wird eine Methode zur Untersuchung von Phasensynchronisation aus dem Bereich der nicht-linearen Dynamik auf klimatologische Fragestellungen übertragen. Bei den verrauschten Klimazeitreihen zeigt sich in der Phasensynchronisation eine kontraintuitive Verzögerung um einzelne Tage. Ferner wird deutlich, daß sich mit dem Verfahren zur Analyse von Phasensynchronisation im Gegensatz zur Kreuzkorrelationsfunktion statistische Abhängigkeiten auch beim Vorliegen dominanter Oszillationen, wie dem Jahresgang, ermitteln lassen.




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