Κρίσιμες μεταβολές βασικών θερμοδυναμικών παραμέτρων του κλιματικού συστήματος

Abstract

This doctoral thesis aimed on studying the changes in the fundamental thermodynamic parameters of the climate system and their contributions to climate change, which is considered as a change in critical parameters and states of its non-linearly interacting subsystems (atmosphere, cryosphere, hydrosphere, lithosphere, and biosphere). Information on key parameters of the Earth's climate was derived from ground and satellite data, as well as from global databases. The analysis of these data was implemented using modern linear and nonlinear dynamicsmethods. This thesis mainly focused on the study of the spatiotemporal variation of various thermodynamic parameters using tools for analyzing the entropy of the climate system (according to Boltzmann-Gibbs and Tsallis) but also linear and non-linear analysis methods, such as the DFA method (Detrended Fluctuation Analysis) and "Natural Time Analysis". The thesis provides information on the dynamic evolution of the climate system and describes the spatio-temporal changes that makeup its complexity. More specifically, in the first Chapter, the non-linear behavior of the atmospheric temperature, considered as a basic component of the climate system, is investigated. For this reason, a detailed description of the Detrended Fluctuation Analysis (DFA) and Natural Time Analysis (NTA) methods is first carried out. The DFA method is then applied to global satellite data of tropopause temperature deviations, which are available from the University of Alabama in Huntsville -UAH, and the obtained results are checked using the Maraun criteria. The tropopause temperature time series are then transformed into absolute - values time series or else amplitude time series and expressed in the “natural time” domain to re-apply the DFAmethod followed by the Maraun criteria. The final results reveal the DFA exponent to be between 0.8 and 1, which is confirmed by the analysis of the amplitude time series, natural time, with values ranging from 0.6 to 0.8. These findings indicate the finding of a persistent scaling behavior of the thermal tropopause at different latitudes and indeed in the form of 1/f. In the second Chapter, peat scaling behavior during theHolocene period is investigated aiming on a better understanding of past climate conditions in order to enhance the understanding of future dynamic behaviors of the climate system. In this Chapter, the dynamic characteristics of peat humification, water table depth and air temperature are investigated by analyzing paleoclimate data from the Valdai Uplands region of Russia. The study is carried out through the use of DFA followed by the Maraun criteria and Ensemble Empirical Mode Decomposition (EEMD) analysis. The results of the study show that peat exhibits a persistent scaling behavior, and more specifically in the form of 1/f, which may allow the use of peat as an indicator of climate change in future research. The time series are then converted to "natural time" time series and the DFA method followed by the Maraun criteria is reapplied. The Natural Time DFA results and the Maraun criteria confirm the 1/f type scaling behavior for the peat moisture and air temperature parameters but not for the WTD parameter. The third Chapter explores the complexity and its quantificationfor long time series of climate parameters through the application of Tsallis entropy to the data. For this reason, an overview of the different types of entropy is first provided, and then the Tsallis entropy is applied to global satellite data of tropopause temperature deviations, which are available from the University of Alabama in Huntsville -UAH. The resulting entropy values, calculated for multiple non-extensivity parameters q , provide additional insight into the scaling behavior of the tropopause while the findings highlight the potential utility of Tsallis entropy as a tool for climate time series analysis. In the fourth Chapter, a comprehensive summary of the results from the multi-methodological analyzes carried out in theprevious Chapters is presented, and the conclusions of the thesis are expressed. More specifically, the DFA and NTA methods were applied to global satellite data of tropopause temperature changes, revealing the 1/ f -type scaling behaviorof the thermal tropopause. The study of peat through DFA, NTA EEMD and Hurst analyzes revealed that it is also subject to longrange correlations characterized by a persistent 1/f-type scaling behavior, while highlighting it as a useful climate indicator for studying changes in climate patterns. Tsallis entropy analysis demonstrated the complexity of the time series with different q values revealing distinct entropy patterns.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε με στόχο την μελέτη των μεταβολών των θεμελιωδών θερμοδυναμικών παραμέτρων του κλιματικού συστήματος και των συνεισφορών τους στην κλιματική αλλαγή, η οποία θεωρείται ως αλλαγή κρίσιμων παραμέτρων και καταστάσεων των μη-γραμμικά αλληλεπιδρώντων υποσυστημάτων του (ατμόσφαιρα, κρυόσφαιρα, υδρόσφαιρα, λιθόσφαιρα και βιόσφαιρα). Οι πληροφορίες για τις βασικές παραμέτρους του κλίματος της Γης αντλήθηκαν από επίγεια και δορυφορικά δεδομένα, καθώς και από παγκόσμιες βάσεις δεδομένων. Η ανάλυση των δεδομένων αυτών υλοποιήθηκε με την χρήση σύγχρονων μεθόδων γραμμικής και μη γραμμικής δυναμικής. Η διατριβή αυτή εστίασε κυρίως στη μελέτη της χωρο-χρονικής μεταβολής διαφόρων θερμοδυναμικών παραμέτρων με τη χρήση βασικών εργαλείων ανάλυσης της εντροπίας του κλιματικού συστήματος(κατά Boltzmann-Gibbs και Tsallis) αλλά και μεθόδων γραμμικής αλλά και μη γραμμικής ανάλυσης, όπως είναι η μέθοδος DFA (Detrended Fluctuation Analysis) και «Φυσικού Χρόνου» (Natural Time). Μέσω της διατριβής δίδονται πληροφορίες για την δυναμική εξέλιξη του κλιματικού συστήματος και περιγράφονται οι χωρο-χρονικές μεταβολές που συνθέτουν την πολυπλοκότητά του. Πιο συγκεκριμένα, στο πρώτο Κεφάλαιο ερευνάται η μη γραμμική συμπεριφορά της ατμοσφαιρικής θερμοκρασίας θεωρουμένης ως βασικής συνιστώσας του κλιματικού συστήματος. Για το λόγο αυτό πραγματοποιείται αρχικά λεπτομερής περιγραφή των μεθόδων Detrended Fluctuation Analysis (DFA) και Natural Time Analysis (NTA). Στη συνέχεια εφαρμόζεται η μέθοδος DFA στα παγκόσμια δορυφορικά δεδομένα μεταβολών θερμοκρασίας τροπόπαυσης, τα οποία είναι διαθέσιμα από το University of Alabama in Huntsville - UAH, και τα ληφθέντα αποτελέσματα ελέγχονται χρησιμοποιώντας τα κριτήρια Maraun. Έπειτα, οι χρονοσειρές της θερμοκρασίας τροπόπαυσης μετατρέπονται σε χρονοσειρές απόλυτων τιμών ή αλλιώς χρονοσειρές πλάτους και εκφράζονται στο πεδίο του «φυσικού χρόνου» ώστε να εφαρμοστεί εκ νέου η μέθοδος DFA ακολουθούμενη από τα κριτήρια Maraun. Τα τελικά αποτελέσματα αποκαλύπτουν τον εκθέτη DFA να κυμαίνεται μεταξύ 0.8 και 1. Τα ευρήματα αυτά υποδηλώνουν την διαπίστωση επίμονης συμπεριφοράς κλιμάκωσης της θερμικής τροπόπαυσης σε διάφορα γεωγραφικά πλάτη και μάλιστα με τη μορφή 1/f. Στο δεύτερο κεφάλαιο ερευνάται η συμπεριφορά κλιμάκωσης της τύρφης κατά την περίοδο του Ολόκαινου με στόχο την καλύτερη κατανόηση των παρελθουσών κλιματικών καταστάσεων ώστε να ενισχυθεί η κατανόηση των μελλοντικώνδυναμικών συμπεριφορών του κλιματικού συστήματος. Στο κεφάλαιο αυτό διερευνώνται τα δυναμικά χαρακτηριστικά της ύγρανσης της τύρφης, του επιπέδου κάτω από το οποίο το έδαφος είναι πλήρως κορεσμένο σε νερό (Water Table DepthWTD) αλλά και της θερμοκρασίας του αέρα αναλύοντας παλαιοκλιματικά δεδομένα από την περιοχή Valdai Uplands της Ρωσίας. Η μελέτη πραγματοποιείται μέσω της χρήσης της DFA ακολουθούμενης από τα κριτήρια Maraun αλλά και τηςανάλυσης Εnsemble Empirical Mode Decomposition (EEMD). Τα αποτελέσματα της μελέτης δείχνουν ότι η τύρφη παρουσιάζει επίμονη συμπεριφορά κλιμάκωσης, και πιο συγκεκριμένα με τη μορφή 1/f, γεγονός που δύναται να επιτρέψει την χρήση της τύρφης ως δείκτη της κλιματικής αλλαγής σε μελλοντικές έρευνες. Έπειτα, οι χρονοσειρές μετατρέπονται σε χρονοσειρές «φυσικού χρόνου» και εφαρμόζεται εκ νέου η μέθοδος DFA ακολουθούμενη από τα κριτήρια Maraun. Τα αποτελέσματα της DFA στον Φυσικό Χρόνο αλλά και των κριτηρίων Maraun επιβεβαιώνουν την συμπεριφορά κλιμάκωσης τύπου 1/f για τις παραμέτρους της ύγρανσης της τύρφης και της θερμοκρασίας του αέρα αλλά όχι και της παραμέτρου WTD. Στο τρίτο κεφάλαιο διερευνάται η πολυπλοκότητα και η ποσοτικοποίηση αυτής για μεγάλες χρονοσειρές κλιματικών παραμέτρων μέσω της εφαρμογής της εντροπίας Tsallis στα δεδομένα. Για τον λόγο αυτό αρχικά παρέχεται μια επισκόπηση των διαφορετικών τύπων εντροπίας, και στην συνέχεια η εντροπία Tsallis εφαρμόζεται στα παγκόσμια δορυφορικά δεδομένα μεταβολών θερμοκρασίας τροπόπαυσης, τα οποία είναι διαθέσιμα από το University of Alabama in Huntsville - UAH. Οι προκύπτουσες τιμές εντροπίας Τσάλλη, υπολογισμένες για πολλές τιμές της παραμέτρου μη εκτατικότητας q, παρέχουν επιπλέον πληροφορίες για τη συμπεριφορά κλιμάκωσης της τροπόπαυσης ενώ τα ευρήματα υπογραμμίζουν τη δυνητική χρησιμότητα της εντροπίας Tsallis ως εργαλείο για την ανάλυση κλιματικών χρονοσειρών.Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μια περιεκτική περίληψη των αποτελεσμάτων από τις πολύ-μεθοδολογικές αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια και εκφράζονται τα συμπεράσματα της διατριβής. Πιο συγκεκριμένα, οι μέθοδοι DFA και NTA εφαρμόστηκαν σε παγκόσμια δορυφορικά δεδομένα μεταβολών θερμοκρασίας τροπόπαυσης, αποκαλύπτοντας τη συμπεριφορά κλιμάκωσης τύπου 1/f της θερμικής τροπόπαυσης. Η μελέτη της τύρφης μέσω των αναλύσεων DFA, NTA, EEMD και Hurst αποκάλυψε ότι υπόκειται και αυτή σε συσχετίσεις μακράς εμβέλειας χαρακτηριζόμενη από επίμονη συμπεριφορά κλιμάκωσης τύπου 1/f, ενώ την ανέδειξε ως χρήσιμο κλιματικό δείκτη για τηνμελέτη των μεταβολών των κλιματικών προτύπων. Η ανάλυση εντροπίας Tsallis κατέδειξε την πολυπλοκότητα των χρονοσειρών με τις διαφορετικές τιμές q να αποκαλύπτουν διακριτά μοτίβα εντροπίας.