El campo de las redes complejas ha surgido como un área importante de la ciencia para generar nuevos conocimientos sobre la naturaleza de los sistemas complejos [1] La aplicación de la teoría de redes a la ciencia del clima es un campo joven y emergente. [2] [3] [4] Para identificar y analizar patrones en el clima global, los científicos modelan los datos climáticos como redes complejas.
A diferencia de la mayoría de las redes del mundo real, donde los nodos y los bordes están bien definidos, en las redes climáticas, los nodos se identifican como los sitios en una cuadrícula espacial del conjunto de datos climáticos globales subyacentes, que se pueden representar en varias resoluciones. Dos nodos están conectados por un borde dependiendo del grado de similitud estadística (que puede estar relacionado con la dependencia) entre los pares correspondientes de series temporales tomadas de los registros climáticos. [3] [5] El enfoque de la red climática permite obtener nuevos conocimientos sobre la dinámica del sistema climático en diferentes escalas espaciales y temporales. [3]
Dependiendo de la elección de nodos y/o bordes , las redes climáticas pueden adoptar muchas formas, tamaños y complejidades diferentes. Tsonis et al. introdujeron el campo de las redes complejas en el clima. En su modelo, los nodos de la red estaban constituidos por una única variable (500 hPa) de los conjuntos de datos de reanálisis NCEP/NCAR . Para estimar los bordes entre nodos, se estimó el coeficiente de correlación con un desfase temporal cero entre todos los pares posibles de nodos. Se consideró que un par de nodos estaba conectado si su coeficiente de correlación superaba un umbral de 0,5. [1]
Steinhaeuser y su equipo introdujeron la novedosa técnica de redes multivariadas en el clima , mediante la construcción de redes a partir de varias variables climáticas por separado y la captura de su interacción en un modelo predictivo multivariado. En sus estudios se demostró que, en el contexto del clima, la extracción de predictores basados en atributos de grupos produce precursores informativos para mejorar las habilidades predictivas . [5]
Kawale et al. presentaron un enfoque basado en gráficos para encontrar dipolos en datos de presión. Dada la importancia de la teleconexión , esta metodología tiene el potencial de brindar información significativa. [6]
Imme et al. introdujeron un nuevo tipo de construcción de redes en el clima basado en un modelo gráfico probabilístico temporal, que proporciona un punto de vista alternativo al centrarse en el flujo de información dentro de la red a lo largo del tiempo. [7]
Agarwal et al. propusieron métodos avanzados lineales [8] y no lineales [9] para construir e investigar redes climáticas en diferentes escalas temporales. Las redes climáticas construidas utilizando conjuntos de datos de temperatura de la superficie del mar en diferentes escalas temporales afirmaron que el análisis multiescalar de los procesos climáticos promete una mejor comprensión de la dinámica del sistema que puede pasarse por alto cuando los procesos se analizan en una sola escala temporal [10].
Las redes climáticas permiten comprender mejor la dinámica del sistema climático en muchas escalas espaciales. La centralidad de grado local y las medidas relacionadas se han utilizado para identificar supernodos y asociarlos a interrelaciones dinámicas conocidas en la atmósfera, llamadas patrones de teleconexión . Se observó que las redes climáticas poseen propiedades de “mundo pequeño” debido a las conexiones espaciales de largo alcance. [2]
Steinhaeuser et al. aplicaron redes complejas para explorar la dependencia multivariable y multiescalar en los datos climáticos. Los hallazgos del grupo sugirieron una estrecha similitud de los patrones de dependencia observados en múltiples variables a lo largo de múltiples escalas temporales y espaciales. [4]
Tsonis y Roeber investigaron la arquitectura de acoplamiento de la red climática. Se descubrió que la red general surge de subredes entrelazadas. Una subred opera a mayores altitudes y la otra en los trópicos, mientras que la subred ecuatorial actúa como un agente que vincula los dos hemisferios. Aunque ambas redes poseen la propiedad de mundo pequeño , las dos subredes son significativamente diferentes entre sí en términos de propiedades de red como la distribución de grados . [11]
Donges et al. aplicaron redes climáticas a la física y a las interpretaciones dinámicas no lineales del clima. El equipo utilizó la medida de la centralidad de nodos, la centralidad de intermediación (BC) para demostrar las estructuras ondulatorias en los campos BC de las redes climáticas construidas a partir de reanálisis promediados mensuales y datos de temperatura del aire en la superficie (SAT) del modelo de circulación general acoplado atmósfera-océano (AOGCM) . [12]
Las teleconexiones son patrones espaciales en la atmósfera que vinculan las anomalías meteorológicas y climáticas a grandes distancias en todo el mundo. Las teleconexiones tienen la característica de ser persistentes, duran de 1 a 2 semanas, y a menudo mucho más, y son recurrentes, ya que patrones similares tienden a ocurrir repetidamente. La presencia de teleconexiones está asociada con cambios en la temperatura, el viento, la precipitación y las variables atmosféricas de mayor interés social. [13]
Existen numerosos desafíos computacionales que surgen en varias etapas del proceso de construcción y análisis de redes en el campo de las redes climáticas: [14]