Warning signs for tipping points (or critical transitions) have been very actively studied. Although the theory has been applied successfully in models and in experiments for many complex systems such as for tipping in climate systems, there are ongoing debates, when warning signs can be extracted from data. In this work, we shed light on this debate by considering different types of underlying noise. Thereby, we significantly advance the general theory of warning signs for nonlinear stochastic dynamics. A key scenario deals with stochastic systems approaching a bifurcation point dynamically upon slow parameter variation. The stochastic fluctuations are generically able to probe the dynamics near a deterministic attractor to reveal critical slowing down. Using scaling laws near bifurcations, one can then anticipate the distance to a bifurcation. Previous warning signs results assume that the noise is Markovian, most often even white. Here, we study warning signs for non-Markovian systems including colored noise and $\alpha$-regular Volterra processes (of which fractional Brownian motion and the Rosenblatt process are special cases). We prove that early-warning scaling laws can disappear completely or drastically change their exponent based upon the parameters controlling the noise process. This provides a clear explanation, why applying standard warning signs results to reduced models of complex systems may not agree with data-driven studies. We demonstrate our results numerically in the context of a box model of the Atlantic Meridional Overturning Circulation (AMOC).


翻译:对临界点(或关键过渡)的警告信号进行了非常积极的研究。 尽管理论在模型和许多复杂系统的实验(如气候系统倾斜)中已经成功地应用了理论, 但仍有持续的辩论, 当可以从数据中提取警告信号时, 我们通过考虑不同类型的潜在噪音来解释这一辩论。 因此, 我们大大推进非线性随机动态的警告信号一般理论。 一个关键情景涉及随机系统, 动态地接近一个双向点, 动态的参数变异。 随机波动一般都能在确定性吸引器附近探究动态, 以显示临界减速。 使用在两层附近的缩放法, 然后可以预测离分层的距离。 先前的警告信号结果假定噪音是Markovian, 通常甚至白色。 我们在这里研究非马尔科维亚系统( 包括彩色噪音和 $alpha$) 常规伏尔特拉进程( 其中分数的布朗运动和罗森拉特进程是特殊案例) 。 我们证明预警缩放结果的缩缩缩缩缩缩图可以彻底地显示以甚高压方式分析结果。

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