Ein wichtiger Aspekt der Analyse von dynamischen Systemen ist die Transiente einer Trajektorie.
Im Kontext der Nachhaltigkeitsforschung bearbeite ich diesbezüglich zwei Fragen: (i) ”Wie kann
man die Zeit zum Erreichen des Attraktors quantifizieren?“ und (ii) ”Kann man es verhindern,
bestimmte Grenzen zu überschreiben und somit sicher zu bleiben?“
Bzgl. (i) analysiere ich mehrere Probleme, welche bei der Quantifizierung solcher transienter
Zeiten auftreten, und definiere vier Bedingungen, die eine Antwort auf Frage (i) erfüllen soll.
Weiterhin führe ich zwei Metriken, Area under Distance Curve und Regularized Reaching Time,
ein, die verschiedene Aspekte der transienten Dynamik einfangen.
Frage (ii) bezieht sich auf Systeme mit sowohl erwünschten und unerwünschten Zuständen
als auch Möglichkeiten zur Beeinflussung. Ich stelle ”Topology of Sustainable Management“
als ein Werkzeug zur Analyse solcher Modelle vor. Diese baut auf ”Viabilitätstheorie“ auf, um
den dazugehörigen Saint-Pierre Algorithmus (SPA) verwenden zu können. Ich erweitere den
Algorithmus zur Schätzung von ”implicitly-defined Capure Basins“ und löse zwei substanzielle
Probleme, welche häufig bei der Anwendung von SPA vorkommen. Zur Demonstration verwende
ich ein Beispielmodell, das auf Klimawandel, Wirtschaftsleistung und die Transformation des
Energiesystems fokussiert.
Danach nutze ich funktionale Klimanetzwerke, um zu analysieren, wie sich die transien-
te Phase nach großen Klimastörungen – die El Niño- und La Niña-Phasen von ENSO und
die drei größten Vulkaneruptionen seit 1950 – die Telekonnektionsstruktur der globalen Oberflächentemperatur auswirkt. Die Resultate bestätigen den globalen Einfluss von ENSO durch
das Zusammenbrechen der modularen Struktur des global SAT-Feldes. Dies zeigt die Emergenz
starker Telekonnektionen. Weiterhin habe ich deutlich, qualitative Unterschiede zwischen diesen
global Klimaextremsituationen identifizieren können. / An important feature of dynamical systems is the transient phase of a trajectory that I approach
with two question: (i) “How can we properly quantify the time to reach a system’s attractor?”
and (ii) “Can we avoid transgressing certain boundaries and stay safe (& just)?” In particular,
I consider these questions in the context of sustainability science.
Concerning (i), I analyze several problems that come up when quantifying such transient
times and define four conditions that a metric answering question (i) should fulfill. Further, I
introduce two metrics, Area under Distance Curve and Regularized Reaching Time, capturing
two complementary aspects of the transient dynamics.
Question (ii) concerns with systems having distinctions of the state space in desirable and
undesirable, e.g. defined by “planetary boundaries”, and some sort of influencing/managing it.
I present Topology of Sustainable Management as a tool to analyze such models. It is built
on concepts from viability theory (VT) in order to use the Saint-Pierre algorithm (SPA). I
extend the SPA to compute so-called implicitly defined capture basins and solve two substantial
problems repeatedly occuring when using the SPA. For Demonstration, I use a three-dimensional
model focusing on climate change, economic output and energy transformation.
Finally, I use functional climate networks to analyze how the transient phase after major
climate perturbations – the El Niño and La Niña phases of ENSO and three largest recent
volcanic eruptions – influence the teleconnectivity structure of the surface area temperature
field (SAT). The results confirm the existence of global effects of ENSO by breaking down the
modular structure of the global SAT field, and I have identified distinct qualitative differences
between theses two global climate extreme situation.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/19660 |
| Date | 14 March 2018 |
| Creators | Kittel, Tim |
| Contributors | Kurths, Jürgen, Rodrigues, Francisco Aparecido, Cornell, Sarah |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | (CC BY-NC 3.0 DE) Namensnennung - Nicht kommerziell 3.0 Deutschland, http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/de/ |
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