Network-based analyses of dynamical systems have become increasingly popular in climate science. Here we address network construction from a statistical perspective and highlight the often ignored fact that the calculated correlation values are only empirical estimates. To measure spurious behaviour as deviation from a ground truth network, we simulate time-dependent isotropic random fields on the sphere and apply common network construction techniques. We find several ways in which the uncertainty stemming from the estimation procedure has major impact on network characteristics. When the data has locally coherent correlation structure, spurious link bundle teleconnections and spurious high-degree clusters have to be expected. Anisotropic estimation variance can also induce severe biases into empirical networks. We validate our findings with ERA5 reanalysis data. Moreover we explain why commonly applied resampling procedures are inappropriate for significance evaluation and propose a statistically more meaningful ensemble construction framework. By communicating which difficulties arise in estimation from scarce data and by presenting which design decisions increase robustness, we hope to contribute to more reliable climate network construction in the future.


翻译:在气候科学中,基于网络的动态系统分析越来越受到气候科学的欢迎。这里我们从统计角度处理网络建设问题,并突出经常被忽视的以下事实:计算出的相关性值只是实证估计值。为了测量偏离地面真相网络的虚假行为,我们模拟实地上依赖时间的异向随机字段,并采用共同网络建设技术。我们发现一些方法,使估算程序产生的不确定性对网络特性产生重大影响。当数据具有地方一致性的关联结构时,必须预测有虚假的链接连接远程连接和虚假的高度集群。亚历统计估计差异还可能给经验网络带来严重偏差。我们用ERA5再分析数据来验证我们的调查结果。此外,我们解释了为什么通常应用的重现程序不适合意义评估,并提出一个在统计上更有意义的共同建设框架。我们通过沟通从稀缺的数据中估算产生的困难和提出设计决定增强稳健度的方式,我们希望为未来更可靠的气候网络建设作出贡献。

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