Our ability to grasp and understand complex phenomena is essentially based on recognizing structures and relating these to each other. For example, any meteorological description of a weather condition and explanation of its evolution recurs to meteorological structures, such as convection and circulation structures, cloud fields and rain fronts. All of these are spatiotemporal structures, defined by time-dependent patterns in the underlying fields. Typically, such a structure is defined by a verbal description that corresponds to the more or less uniform, often somewhat vague mental images of the experts. However, a precise, formal definition of the structures or, more generally, concepts is often desirable, e.g., to enable automated data analysis or the development of phenomenological models. Here, we present a systematic approach and an interactive tool to obtain formal definitions of spatiotemporal structures. The tool enables experts to evaluate and compare different structure definitions on the basis of data sets with time-dependent fields that contain the respective structure. Since structure definitions are typically parameterized, an essential part is to identify parameter ranges that lead to desired structures in all time steps. In addition, it is important to allow a quantitative assessment of the resulting structures simultaneously. We demonstrate the use of the tool by applying it to two meteorological examples: finding structure definitions for vortex cores and center lines of temporarily evolving tropical cyclones. Ideally, structure definitions should be objective and applicable to as many data sets as possible. However, finding such definitions, e.g., for the common atmospheric structures in meteorology, can only be a long-term goal. The proposed procedure, together with the presented tool, is just a first approach to facilitate this long and arduous way.


翻译:我们理解和理解复杂现象的能力基本上是基于认识结构,并将这些结构联系起来。例如,对天气状况的任何气象描述和对其演变的解释,都回溯到气象结构,例如对流和循环结构、云田和雨线。所有这些结构都是时空结构,其定义取决于基础领域的时间型态。通常,这种结构的定义是用一种与专家或多或少一致、往往有些模糊的心理图像相对应的口头描述来界定的。然而,对结构或更一般而言,概念的精确、正式定义往往是可取的,例如,为了能够自动进行数据分析或开发人文学模型。在这里,我们提出了一个系统的方法和一个互动工具,以获得对时空结构的正式定义。这个工具使专家能够根据数据集和包含相应结构的时间型字段来评价和比较不同的结构定义。由于结构定义通常具有参数性,因此,一个必不可少的部分只能确定导致所有时间步骤所需结构的参数范围。此外,重要的是,首先允许对结果的结构进行定量评估或制定人文学模型。我们同时使用两个目标性定义。我们用一个工具来评估不同的数据集。我们用许多可能的模型来查找。

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