Spatial and temporal scales of atmospheric dynamics

Abstract

DOCTORAL THESIS Nikola Jajcay Spatial and temporal scales of atmospheric dynamics Prostorové a časové škály dynamiky atmosféry Abstrakt Klima Země se obecně vyvíjí na mnoha časových a prostorových měřítkách, například pozorované časové řady se často dají popsat oscilacemi nebo kvazi-oscilacemi s různými periodami. Ačkoli tyto oscilace mohou mít slabou amplitudu, jejich efekt na variabilitu s vyšší frekvencí může být značný díky meziškálovým interakcím, které nedávno objevil Paluš[1]. Tato dizertační práce poskytuje úvodní materiál pro studium meziškálových interakcí v naměřených datech, kde se jednotlivé časové řady získají pomocí waveletové transformace, a přenos informace mezi škálami se následně hledá užitím nástrojů z teorie informace. V další části práce jsou tyto meziškálové interakce zkoumány ve dvou klimatických jevech: variabilita přízemní teploty v Evropě, kde studujeme fázově-amplitudový přenos informace z pomalých oscilací s periodou 8 let na rychlejší variabilitu a jeho efekty, a jev El Niño / Jižní Oscilace, kde jsme objevili kauzální řřetěz fázově- fázového a fázově-amplitudového přenosu mezi škálami s různými periodami. [1] M. Paluš. Multiscale atmospheric dynamics: cross-frequency phase-amplitude coupling in the air temperature. Physical Review Letters, 112(7):078702, 2014.

DOCTORAL THESIS Nikola Jajcay Spatial and temporal scales of atmospheric dynamics Abstract Earth climate, in general, varies on many temporal and spatial scales. In particular, climate observables exhibit recurring patterns and quasi- oscillatory phenomena with different periods. Although these oscillations might be weak in amplitude, they might have a non-negligible influence on variability on shorter time-scales due to cross-scale interactions, recently observed by Paluš[1]. This thesis supplies an introductory material for inferring the cross-scale information transfer from observational data, where the time series of interest are obtained using wavelet transform, and possible information transfer is studied using the tools from information theory. Finally, cross- scale interactions are studied in two climate phenomena: air temperature variability in Europe, in which we study phase-amplitude coupling from a slower oscillatory mode with an 8-year period on faster variability and its effects, and El Niño/ Southern Oscillation where we observe a causal chain of phase-phase and phase-amplitude couplings among distinct oscillatory modes. [1] M. Paluš. Multiscale atmospheric dynamics: cross-frequency phase-amplitude coupling in the air temperature. Physical Review Letters, 112(7):078702, 2014.