TY - GEN A1 - Boers, Niklas A1 - Goswami, Bedartha A1 - Ghil, Michael T1 - A complete representation of uncertainties in layer-counted paleoclimatic archives T2 - Postprints der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Accurate time series representation of paleoclimatic proxy records is challenging because such records involve dating errors in addition to proxy measurement errors. Rigorous attention is rarely given to age uncertainties in paleoclimatic research, although the latter can severely bias the results of proxy record analysis. Here, we introduce a Bayesian approach to represent layer-counted proxy records - such as ice cores, sediments, corals, or tree rings - as sequences of probability distributions on absolute, error-free time axes. The method accounts for both proxy measurement errors and uncertainties arising from layer-counting-based dating of the records. An application to oxygen isotope ratios from the North Greenland Ice Core Project (NGRIP) record reveals that the counting errors, although seemingly small, lead to substantial uncertainties in the final representation of the oxygen isotope ratios. In particular, for the older parts of the NGRIP record, our results show that the total uncertainty originating from dating errors has been seriously underestimated. Our method is next applied to deriving the overall uncertainties of the Suigetsu radiocarbon comparison curve, which was recently obtained from varved sediment cores at Lake Suigetsu, Japan. This curve provides the only terrestrial radiocarbon comparison for the time interval 12.5-52.8 kyr BP. The uncertainties derived here can be readily employed to obtain complete error estimates for arbitrary radiometrically dated proxy records of this recent part of the last glacial interval. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 641 KW - Greenland ice-core KW - late-glacial chronology KW - high-resolution record KW - Lake Suigetsu KW - proxy records KW - age models KW - climate KW - events KW - Japan KW - period Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-418030 SN - 1866-8372 IS - 641 ER - TY - THES A1 - Goswami, Bedartha T1 - Uncertainties in climate data analysis T1 - Unsicherheiten in der Analyse von Klimadaten BT - Perspectives on working with measurement errors and other unknowns BT - Über Möglichkeiten der Arbeit mit Meßfehlern und anderen Unbekannten N2 - Scientific inquiry requires that we formulate not only what we know, but also what we do not know and by how much. In climate data analysis, this involves an accurate specification of measured quantities and a consequent analysis that consciously propagates the measurement errors at each step. The dissertation presents a thorough analytical method to quantify errors of measurement inherent in paleoclimate data. An additional focus are the uncertainties in assessing the coupling between different factors that influence the global mean temperature (GMT). Paleoclimate studies critically rely on `proxy variables' that record climatic signals in natural archives. However, such proxy records inherently involve uncertainties in determining the age of the signal. We present a generic Bayesian approach to analytically determine the proxy record along with its associated uncertainty, resulting in a time-ordered sequence of correlated probability distributions rather than a precise time series. We further develop a recurrence based method to detect dynamical events from the proxy probability distributions. The methods are validated with synthetic examples and demonstrated with real-world proxy records. The proxy estimation step reveals the interrelations between proxy variability and uncertainty. The recurrence analysis of the East Asian Summer Monsoon during the last 9000 years confirms the well-known `dry' events at 8200 and 4400 BP, plus an additional significantly dry event at 6900 BP. We also analyze the network of dependencies surrounding GMT. We find an intricate, directed network with multiple links between the different factors at multiple time delays. We further uncover a significant feedback from the GMT to the El Niño Southern Oscillation at quasi-biennial timescales. The analysis highlights the need of a more nuanced formulation of influences between different climatic factors, as well as the limitations in trying to estimate such dependencies. N2 - Wissenschaftliche Untersuchungen setzen nicht nur eine Formulierung des gegenwärtigen Kenntnisstandes mitsamt ihrer Unsicherheiten voraus, sondern ebenso eine Eingrenzung des Unbekannten. Bezogen auf die Analyse von Klimadaten beinhaltet dies eine präzise Spezifikation gemessener Größen sowie eine durchgängige Berücksichtigung ihrer Messunsicherheiten in allen Schritten der Analyse. Diese Dissertation präsentiert eine analytische Methode zur Quantifizierung der in Paläoklimadaten inhärenten Messunsicherheiten. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung von Unsicherheiten in der Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die globale Durchschnittstemperatur (GMT global mean temperature) beeinflussen. Die Paläoklimaforschung beruht in kritischem Maße auf der Analyse von Proxydaten welche die Klimaentwicklung dokumentieren. Allerdings sind Proxydaten mit inhärenten Datierungsunsicherheiten behaftet. Basierend auf einem generischen Bayes’schen Ansatz wird in dieser Dissertation eine analytische Methode vorgestellt um aus den zeitlich unsicheren Proxydaten zeitlich präzise Folgen korrelierter Wahrscheinlichkeitsverteilungen zu erhalten. Von diesen Verteilungen werden Proxyzeitreihen zusammen mit ihren Unsicherheiten berechnet. Weiterhin wird eine rekurrenzbasierte Methode zur Analyse von Proxydaten entwickelt welche anhand dieser Wahrscheinlichkeitsverteilungen plötzliche Änderungen in der Dynamik des Systems ermittelt. Beide Methoden werden mit Hilfe synthetischer Beispieldaten validiert und mit realen Proxydaten demonstriert. Diese statistische Analyse von Proxydaten deckt unteranderem die Beziehungen zwischen der Variabilität der Daten und zugehöriger Unsicherheiten der Proxyzeitreihen auf. Die Re- kurrenzanalyse des Ostasiatischen Sommermonsuns bestätigt die bekannten Trockenzeiten der letzten 9.000 Jahre um 8.200 bzw. 4.400 Jahre vor unserer Zeit und deckt eine zusätzliche Trockenzeit um etwa 6.900 Jahre vor unserer Zeit auf. Die Kopplungsstruktur zwischen Klimafaktoren die bekanntermaßen die GMT beeinflussen lässt sich als ein verworrenes, gerichtetes Netzwerk mit multiplen Links, welche zu verschiedenen Zeitskalen gehören, darstellen. Speziell ergibt sich eine signifikante Wechselwirkung zwischen der GMT und dem ENSO-Phänomen (El Niño-Southern Oscillation) auf einer quasi-zweijährigen Zeitskala. Einerseits beleuchtet diese Analyse die Notwendigkeit Einflüsse verschiedener Klimafaktoren auf die GMT nuancierter zu formulieren, andererseits werden die Grenzen der Quantifizierung dieser Einflüsse aufgezeigt. KW - data analysis KW - Bayesian estimation KW - Bayessche Schätzer KW - Datenanalyse Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-78312 ER - TY - GEN A1 - Goswami, Bedartha A1 - Boers, Niklas A1 - Rheinwalt, Aljoscha A1 - Marwan, Norbert A1 - Heitzig, Jobst A1 - Breitenbach, Sebastian Franz Martin A1 - Kurths, Jürgen T1 - Abrupt transitions in time series with uncertainties T2 - Postprints der Universität Potsdam Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe N2 - Identifying abrupt transitions is a key question in various disciplines. Existing transition detection methods, however, do not rigorously account for time series uncertainties, often neglecting them altogether or assuming them to be independent and qualitatively similar. Here, we introduce a novel approach suited to handle uncertainties by representing the time series as a time-ordered sequence of probability density functions. We show how to detect abrupt transitions in such a sequence using the community structure of networks representing probabilities of recurrence. Using our approach, we detect transitions in global stock indices related to well-known periods of politico-economic volatility. We further uncover transitions in the El Nino-Southern Oscillation which coincide with periods of phase locking with the Pacific Decadal Oscillation. Finally, we provide for the first time an 'uncertainty-aware' framework which validates the hypothesis that ice-rafting events in the North Atlantic during the Holocene were synchronous with a weakened Asian summer monsoon. T3 - Zweitveröffentlichungen der Universität Potsdam : Mathematisch-Naturwissenschaftliche Reihe - 576 KW - North-Atlantic climate KW - Indian monsoon KW - Holocene KW - teleconnections KW - variability KW - periods KW - records Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-423111 SN - 1866-8372 IS - 576 ER -