A broad range of natural and social systems from human microbiome to financial markets can go through critical transitions, where the system suddenly collapses to another stable configuration. Critical transitions can be unexpected, with potentially catastrophic consequences. Anticipating them early and accurately can facilitate controlled system manipulation and mitigation of undesired outcomes. Obtaining reliable predictions have been difficult, however, as often only a small fraction of the relevant variables can be monitored, and even minor perturbations can induce drastic changes in fragile states of a complex system. Data-driven indicators have been proposed as an alternative to prediction and signal an increasing risk of forthcoming transitions. Autocorrelation and variance are examples of generic indicators that tend to increase at the vicinity of an approaching tipping point across a range of systems. An important shortcoming in these and other widely studied indicators is that they deal with simplified one-dimensional representations of complex systems. Here, we demonstrate that a probabilistic data aggregation strategy can provide new ways to improve early warning detection by more efficiently utilizing the available information from multivariate time series. In particular, we consider a probabilistic variant of a vector autoregression model as a novel early warning indicator and argue that it has theoretical advantages related to model regularization, treatment of uncertainties, and parameter interpretation. We evaluate the performance against alternatives in a simulation benchmark and show improved sensitivity in EWS detection in a common ecological model encompassing multiple interacting species.


翻译:从人类微生物到金融市场的一系列广泛的自然和社会系统可以经历关键的过渡,在这种过渡中,系统突然崩溃到另一个稳定的配置。关键的过渡可能是出乎意料的,可能产生灾难性的后果。预期它们早期和准确可以促进系统的控制操纵和减轻不理想的结果。然而,很难获得可靠的预测,因为往往只能对相关变数的一小部分进行监测,甚至轻微的扰动也会在一个复杂的系统脆弱状态中引起剧烈的变化。数据驱动指标已被提议为预测和信号即将到来的转变风险增加的替代物。自动通缩和差异是通用指标的例子,往往在接近一系列系统的临界点附近增加。这些和其他广泛研究指标的一个重要缺点是,它们涉及复杂的系统简化的一维分布。在这里,我们证明,一个比较稳定的数据汇总战略可以提供新的模式,通过更有效地利用多种变异时间序列中的现有信息来改进预警的探测。我们特别认为,在矢量的反复变化中,一种比较模型的模型是比矢量性模型,在接近一系列系统接近临界点的临界度点时,一种共同的变异性反应性反应,一种反应模型是,一种新式的变异性模型,我们认为,一种用于对生态系统的模型的变异性分析的变的变的模型,一种新指标的变数的变数的变数的变数的变数的变数。

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