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Enregistrement W3109762351 · doi:10.5194/npg-29-93-2022

Fractional relaxation noises, motions and the fractional energy balance equation

2022· article· en· W3109762351 sur OpenAlexaff
S. Lovejoy

Notice bibliographique

RevueNonlinear processes in geophysics · 2022
Typearticle
Langueen
DomaineEconomics, Econometrics and Finance
ThématiqueComplex Systems and Time Series Analysis
Établissements canadiensMcGill University
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésFractional Brownian motionFractional calculusMathematicsRelaxation (psychology)Laplace transformContext (archaeology)ScalingGaussianStatistical physicsMathematical analysisBrownian motionPhysics

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract. We consider the statistical properties of solutions of the stochastic fractional relaxation equation and its fractionally integrated extensions that are models for the Earth's energy balance. In these equations, the highest-order derivative term is fractional, and it models the energy storage processes that are scaling over a wide range. When driven stochastically, the system is a fractional Langevin equation (FLE) that has been considered in the context of random walks where it yields highly nonstationary behaviour. An important difference with the usual applications is that we instead consider the stationary solutions of the Weyl fractional relaxation equations whose domain is −∞ to t rather than 0 to t. An additional key difference is that, unlike the (usual) FLEs – where the highest-order term is of integer order and the fractional term represents a scaling damping – in the fractional relaxation equation, the fractional term is of the highest order. When its order is less than 1/2 (this is the main empirically relevant range), the solutions are noises (generalized functions) whose high-frequency limits are fractional Gaussian noises (fGn). In order to yield physical processes, they must be smoothed, and this is conveniently done by considering their integrals. Whereas the basic processes are (stationary) fractional relaxation noises (fRn), their integrals are (nonstationary) fractional relaxation motions (fRm) that generalize both fractional Brownian motion (fBm) as well as Ornstein–Uhlenbeck processes. Since these processes are Gaussian, their properties are determined by their second-order statistics; using Fourier and Laplace techniques, we analytically develop corresponding power series expansions for fRn and fRm and their fractionally integrated extensions needed to model energy storage processes. We show extensive analytic and numerical results on the autocorrelation functions, Haar fluctuations and spectra. We display sample realizations. Finally, we discuss the predictability of these processes which – due to long memories – is a past value problem, not an initial value problem (that is used for example in highly skillful monthly and seasonal temperature forecasts). We develop an analytic formula for the fRn forecast skills and compare it to fGn skill. The large-scale white noise and fGn limits are attained in a slow power law manner so that when the temporal resolution of the series is small compared to the relaxation time (of the order of a few years on the Earth), fRn and its extensions can mimic a long memory process with a range of exponents wider than possible with fGn or fBm. We discuss the implications for monthly, seasonal, and annual forecasts of the Earth's temperature as well as for projecting the temperature to 2050 and 2100.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,005
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: aucune
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: aucune
Score de désaccord entre enseignants0,004
Score d'incertitude au seuil0,008

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,005
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,002
Communication savante0,0010,002
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0010,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0020,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,020
Tête enseignante GPT0,211
Écart entre enseignants0,191 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations9
Publié2022
Routes d'admission1
Résumé présentoui

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