創(chuàng)新時(shí)間序列分析研究成果刊登於Science Advances

臺(tái)大海洋所教授謝志豪與漁業(yè)科學(xué)所助理教授張俊偉帶領(lǐng)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)新方法，成功預(yù)測(cè)多種臨界轉(zhuǎn)變 (critical transitions) 事件的發(fā)生和類型。該研究發(fā)展具有量化閾值的早期預(yù)警信號(hào) (early warning signal) ，可以透過(guò)時(shí)間序列資料分析追蹤，並預(yù)測(cè)臨界轉(zhuǎn)變發(fā)生的條件與類型。此預(yù)警信號(hào)也提供一個(gè)有效工具來(lái)追蹤系統(tǒng)韌性的改變，而系統(tǒng)韌性的下降最終很可能導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)難性轉(zhuǎn)變，造成重大社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。

在各種現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)中都存在著一個(gè)臨界閾值 (即臨界點(diǎn)) ，一旦系統(tǒng)達(dá)到或超過(guò)臨界點(diǎn)，系統(tǒng)將迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N截然不同、通常是不受歡迎的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為臨界轉(zhuǎn)變，主要是由非線性動(dòng)力系統(tǒng)中的局部分岐 (bifurcation) 所引發(fā)。臨界轉(zhuǎn)變的發(fā)生，由於快速及低可預(yù)測(cè)性，往往會(huì)造成巨大破壞和損失。因此，對(duì)於各種科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)臨界轉(zhuǎn)變的發(fā)生條件和其造成後果是非常重要的。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展一種新的臨界轉(zhuǎn)變?cè)缙陬A(yù)警信號(hào)，稱為動(dòng)態(tài)特徵值 (DEV) 方法。這個(gè)方法奠基於非線性動(dòng)力系統(tǒng)的分岐理論，可以預(yù)測(cè)臨界轉(zhuǎn)變發(fā)生的量化條件以及由各種分岐現(xiàn)象所引發(fā)的不同轉(zhuǎn)變類型。應(yīng)用這個(gè)方法，研究團(tuán)隊(duì)成功預(yù)測(cè)理論模型和許多真實(shí)系統(tǒng)中發(fā)生的各種臨界轉(zhuǎn)變事件（見圖）。

這項(xiàng)研究所提出的方法學(xué)架構(gòu)，將滿足眾多科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域?qū)额A(yù)測(cè)臨界轉(zhuǎn)變發(fā)生的公眾需求。所提出的DEV 方法具有量化定義的臨界閾值，指示臨界轉(zhuǎn)變的發(fā)生條件。與先前提出的眾多預(yù)警信號(hào)相比，以前的預(yù)警信號(hào)僅通過(guò)該信號(hào)的定性增加趨勢(shì)來(lái)警告可能發(fā)生的臨界轉(zhuǎn)變，而無(wú)法得知增強(qiáng)的信號(hào)具體應(yīng)該要多高才能到達(dá)臨界轉(zhuǎn)變。此外，動(dòng)態(tài)特徵值方法預(yù)測(cè)各樣轉(zhuǎn)變類型的能力也提高研究者應(yīng)對(duì)不同轉(zhuǎn)變類型而採(cǎi)取各種相應(yīng)管理應(yīng)變的能力，期盼能以最大限度減少不同類型的臨界轉(zhuǎn)變所造成的潛在損失。

本研究成果已於2023年1月6日發(fā)表於Science Advances：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq4558