Paleoiklim Ağları: Oluşturulma ve Analiz

Abstract

Dünya'nın iklimi, farklı ölçeklerde ve doğrusal olmayan etkileşimlerle karakterize edilen, karmaşık bir sistemdir ve küçük değişikliklerin ani rejim değişiklikleri veya dönüm noktaları gibi orantısız ve öngörülemez sonuçlara yol açabilmesi nedeniyle uzun vadeli tahmini zordur. İklimin geçmişindeki kritik geçişleri araştırmak son derece önemlidir çünkü bu tür ani, büyük ölçekli değişiklikler toplumlar ve doğal ekosistemler için derin ve geri döndürülemez sonuçlara sebep olabilir. Bu durum, olası felaket etkilerini hafifletmek için erken uyarı göstergelerinin ve adaptasyon stratejilerin geliştirilmesini gerekli kılar. Paleoiklim çalışmaları, ölçüm olarak düzen- siz aralıklı zaman serileri üreten, çeşitli fiziksel biçimlerde korunan vekil kayıtları kullanmaktadır. Bu tezde, düzensiz seriler için düzenli aralıklı temsilci serilerinden oluşan ve bir baz olarak işlev görecek, genişletilmiş bir analitik araç (Dönüşüm Maliyeti Spektrumu) geliştiril- miştir. Bu yaklaşım, birden fazla vekil ölçümünden gelen bilgiyi değerlendirmek için ortak bir zaman çizelgesinin oluşturulmasına olanak tanır ve verilerde gizli dinamik desenler hakkında spektral bilgi sağlar. Ardından, uzamsal vekil bilgileri aracılığıyla iklim rejimi değişikliklerini araştırmak için yöntem- sel bir çerçeve öneriyorum. İklim sistemindeki uzak-bağlantıları taklit eden veri odaklı kavramsal birimler (İşlevsel Etkileşim Ağları) kullanılarak çevre dinamiklerinin kaba bir tarifi yapılabilir. Bunların çevresel dinamik koşulları için yorumlanabilir ve temsili vekiller olduğunu ve geçiş yapılarının da sistemin davranışını karakterize edebilecek, sistemin yapısal kısıt- larının doğasını ortaya çıkarabilecek olduğunu gösteriyorum. Yöntemlerimi sentetik ve gerçek sistemlerde doğruladıktan sonra, önemli geçişlerin karakteristik özelliklerini ortaya çıkarmak için iklim tarihindeki iki dönemi analiz ediyorum. Bu bulgular, iklim sisteminin durumunu yorumlama ve kritik geçişlerini tahmin etme becerimize katkıda bulunmaktadır.

The Earth's climate, a complex system characterized by intricate, nonlinear interactions across multiple scales, presents an inherent challenge to long-term prediction since small changes can lead to disproportional and often unpredictable outcomes including abrupt regime shifts - or tipping points. Investigating past critical transitions in climate is paramount because such sudden, large-scale changes can have profound and irreversible consequences for human societies and natural ecosystems, necessitating the development of early warning indicators and robust adaptive strategies to mitigate their potentially catastrophic impacts. Paleoclimatology studies utilize proxy records preserved in diverse physical forms that yield irregularly spaced time series as measurements. In this thesis, I develop an extended analytical tool (Transformation Cost Spectrum) to function as a basis of regularly spaced delegate series for the irregular series. This approach allows the construction of a shared timeline to leverage the information from multiple proxy measurements and further provides spectral information about the dynamical patterns hidden in the data. Then, I propose a framework to investigate the climate regime changes via the collected spatial proxy information by encoding a coarse description of the ambient dynamics using functional interaction networks - data driven conceptual units mimicking the tele-connections in the climate system. I demonstrate that these networks are highly interpretable and representative surrogates for the ambient dynamical conditions and, furthermore, that their transition structure can also mimics the multistable behavior of the system, unveiling the nature of the system's structural constraints. After validating my methods on synthetic and real systems, I analyze two periods in the climate history to reveal the characteristic properties of the important transitions. These findings improve our ability to interpret the condition of the climate system, as well as our prospects of predicting its critical transitions.