Hệ thống phi tuyến và hỗn loạn đại diện cho một thể loại cụ thể của hệ thống vật lý trên biên giới giữa các cấu trúc của vật lý Newton cổ điển và quá trình ngẫu nhiên. Không khí, klimatický systém i jejich dílčí komponenty přitom vykazují mnoho rysů deterministicky chaotického chování: Limitovanou deterministickou předpověditelnost (v případě počasí omezenou na několik dnů), citlivost na počáteční podmínky a rychlou (v průměru exponenciální) divergenci podobných stavů. Tyto vlastnosti představují klíčové faktory limitující schopnost prognostických i klimatických simulací realisticky postihovat chování klimatického systému a jeho složek.
V rámci výzkumu prováděného na katedře meteorologie jsou charakteristiky chaotických systémů studovány jak z teoretického hlediska, tak prostřednictvím nízko- a vysokodimenzionálních numerických simulací atmosféry a statistických metod. Pozornost je věnována identifikaci případných atraktorů ve fázovém prostoru studovaných systémů, odhadům charakteristických invariantů popisujících geometrii fázových trajektorií (např. prostřednictvím různých variant fraktální dimenze) i kvantifikaci předpověditelnosti (charakterizované Lyapunovovy exponenty či informační entropií). Získané poznámky jsou využívány při analýze vnitřních struktur a interních vazeb v rámci reálných i simulovaných fyzikálních soustav.
Na pomezí mezi statistickou analýzou a studiem chaotických systémů se pohybují techniky nelineární analýzy časových řad. Příslušné metody, zahrnující pokročilé statistické algoritmy založené na umělých neuronových sítích a rekonstrukci fázového prostoru, jsou využívány k předpovědním účelům i studiu časoprostorových vztahů mezi veličinami v klimatickém systému. Výstupy nelineární analýzy časových řad jsou využívány k postprocessingu výstupů prognostických i klimatických modelů a též k ověřování schopnosti těchto simulací reprodukovat chování reálných fyzikálních systémů.
