المناخ كشبكات معقدة

برز مجال الشبكات المعقدة كأحد أهم فروع العلوم لتوليد رؤى جديدة حول طبيعة الأنظمة المعقدة ^{[ 1 ].} ويُعدّ تطبيق نظرية الشبكات على علم المناخ مجالًا حديثًا وناشئًا ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} . ولتحديد وتحليل أنماط المناخ العالمي، يقوم العلماء بنمذجة بيانات المناخ كشبكات معقدة.

على عكس معظم الشبكات الواقعية حيث تكون العقد والحواف محددة بدقة، تُعرَّف العقد في شبكات المناخ على أنها مواقع ضمن شبكة مكانية لمجموعة بيانات المناخ العالمية الأساسية، والتي يمكن تمثيلها بدقة مختلفة. ويرتبط عقدتان بحافة بناءً على درجة التشابه الإحصائي (الذي قد يرتبط بالتبعية) بين أزواج السلاسل الزمنية المتناظرة المأخوذة من سجلات المناخ. ^{[ 3 ] [ 5 ]} يُمكّن نهج شبكة المناخ من الحصول على رؤى جديدة حول ديناميكيات النظام المناخي عبر نطاقات مكانية وزمنية مختلفة. ^{[ 3 ]}

قد تتخذ شبكات المناخ أشكالًا وأحجامًا وتعقيداتٍ متنوعة، وذلك تبعًا لاختيار العقد و/أو الروابط . وقد أدخل تسونيس وزملاؤه مجال الشبكات المعقدة إلى علم المناخ. في نموذجهم، تم تكوين عقد الشبكة من متغير واحد (500 هكتوباسكال) من مجموعات بيانات إعادة تحليل المركز الوطني للتنبؤ البيئي/المركز الوطني لأبحاث الغلاف الجوي . ولتقدير الروابط بين العقد، تم حساب معامل الارتباط عند فاصل زمني صفري بين جميع أزواج العقد الممكنة. واعتُبر زوج العقد متصلًا إذا كان معامل الارتباط بينهما أعلى من عتبة 0.5. ^{[ 1 ]}

قدّم شتاينهاوزر وفريقه تقنية جديدة للشبكات متعددة المتغيرات في مجال المناخ، وذلك من خلال بناء شبكات من عدة متغيرات مناخية بشكل منفصل، ثمّ رصد تفاعلها في نموذج تنبؤي متعدد المتغيرات. وقد أظهرت دراساتهم أنه في سياق المناخ، يُسهم استخلاص المؤشرات التنبؤية بناءً على سمات التجميع في الحصول على معلومات قيّمة لتحسين القدرة التنبؤية . ^{[ 5 ]}

قدم كاوالي وآخرون منهجًا قائمًا على الرسوم البيانية لإيجاد ثنائيات الأقطاب في بيانات الضغط. ونظرًا لأهمية الترابط عن بعد ، فإن هذه المنهجية لديها القدرة على تقديم رؤى مهمة. ^{[ 6 ]}

قدم إيمي وآخرون نوعًا جديدًا من بناء الشبكات في مجال المناخ استنادًا إلى نموذج بياني احتمالي زمني، والذي يوفر وجهة نظر بديلة من خلال التركيز على تدفق المعلومات داخل الشبكة بمرور الوقت. ^{[ 7 ]}

اقترح أغاروال وآخرون أساليب خطية متقدمة ^{[ 8 ]} وغير خطية ^{[ 9 ]} لبناء ودراسة شبكات المناخ على نطاقات زمنية مختلفة. وأكدت شبكات المناخ التي تم بناؤها باستخدام مجموعات بيانات درجة حرارة سطح البحر على نطاقات زمنية مختلفة أن التحليل متعدد النطاقات للعمليات المناخية يبشر بفهم أفضل لديناميكيات النظام التي قد تُغفل عند تحليل العمليات على نطاق زمني واحد فقط ^{[ 10 ].}

تُتيح شبكات المناخ فهمًا أعمق لديناميكيات النظام المناخي عبر نطاقات مكانية متعددة. وقد استُخدمت مركزية الدرجة المحلية والمقاييس ذات الصلة لتحديد العقد الفائقة وربطها بالعلاقات الديناميكية المعروفة في الغلاف الجوي، والتي تُعرف بأنماط الاتصال عن بُعد . ولوحظ أن شبكات المناخ تتمتع بخصائص "العالم الصغير" نظرًا للروابط المكانية بعيدة المدى. ^{[ 2 ]}

استخدم شتاينهاوزر وآخرون الشبكات المعقدة لاستكشاف التبعية متعددة المتغيرات ومتعددة المقاييس في بيانات المناخ. وأشارت نتائج المجموعة إلى تشابه وثيق في أنماط التبعية المرصودة في متغيرات متعددة عبر مقاييس زمنية ومكانية متعددة. ^{[ 4 ]}

درس تسونيس وروبر بنية الترابط في شبكة المناخ. ووجدا أن الشبكة الكلية تنشأ من شبكات فرعية متشابكة. تعمل إحدى الشبكات الفرعية على ارتفاعات أعلى، بينما تعمل الأخرى في المناطق الاستوائية، في حين تعمل الشبكة الفرعية الاستوائية كعامل يربط بين نصفي الكرة الأرضية. وعلى الرغم من أن كلتا الشبكتين تتمتعان بخاصية العالم الصغير ، إلا أن الشبكتين الفرعيتين تختلفان اختلافًا كبيرًا عن بعضهما البعض من حيث خصائص الشبكة، مثل توزيع الدرجات . ^{[ 11 ]}

قام دونغيس وزملاؤه بتطبيق شبكات المناخ لتفسير الفيزياء والديناميكيات غير الخطية في المناخ. استخدم الفريق مقياس مركزية العقدة، مركزية الوساطة (BC)، لإظهار البنى الشبيهة بالموجات في حقول مركزية الوساطة لشبكات المناخ المُنشأة من بيانات إعادة التحليل الشهرية المتوسطة وبيانات درجة حرارة الهواء السطحي (SAT) من نموذج الدوران العام المقترن بين الغلاف الجوي والمحيط (AOGCM) . ^{[ 12 ]}

تُعرف الارتباطات المناخية البعيدة بأنها أنماط مكانية في الغلاف الجوي تربط بين شذوذات الطقس والمناخ عبر مسافات شاسعة في جميع أنحاء العالم. وتتميز هذه الارتباطات باستمراريتها، إذ تدوم من أسبوع إلى أسبوعين، وغالبًا لفترة أطول بكثير، كما أنها متكررة، حيث تميل الأنماط المتشابهة إلى الظهور بشكل متكرر. ويرتبط وجود هذه الارتباطات بتغيرات في درجات الحرارة والرياح والهطول، وهي متغيرات جوية ذات أهمية بالغة للمجتمع. ^{[ 13 ]}

توجد العديد من التحديات الحسابية التي تنشأ في مراحل مختلفة من عملية بناء وتحليل الشبكة في مجال شبكات المناخ: ^{[ 14 ]}

1. إن حساب الارتباطات الثنائية بين جميع نقاط الشبكة مهمة غير تافهة.
2. المتطلبات الحسابية لبناء الشبكة، والتي تعتمد على دقة الشبكة المكانية .
3. ويشكل توليد النماذج التنبؤية من البيانات تحديات إضافية.
4. إن إدراج تأثيرات التأخير والتقدم عبر المكان والزمان مهمة ليست بالهينة.

• بنية المجتمع
• نظرية الشبكات
• علم الشبكات
• الاتصال عن بعد
• علم المناخ