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1Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

The use of copulas for the description of the spatial variability of environmental variables

András Bárdossy

Universität Stuttgart

2Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial patterns are not necessarily symmetrical

5Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Paul Klee: Copula

6Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence

Goal: dependence between two variables: • To recognize• To quantify

Correlation (Signifikance Normal distribution)

Linear Regression

7Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

4

8

12

16

8Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

4

8

12

16

9Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

-4 -2 0 2 4

-4

-2

0

2

4

10Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

11Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

12Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence changes through a Transformation of the Marginal distribution

Correlations between 0.4 and 0.8

Idea: take the same marginal distribution

Uniform in [0,1]

Transformation using the pdf

13Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Dependence Marginal distributions

15Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Bivariate Distributions and Copulas

Bivariate Copula = bivariate pdf with uniform marginals

))(),((),( 21

211

121 uFuFFuuC

16Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Variable A

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Var

iabl

e B

17Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copulas are a new way of modelling the correlation structure between variables.

They dissociate the correlation structure from the marginal distributions of the individual variables.

18Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Entropy = measure of Information (Shannon)

Differential entropy:

Conditional Differential entropy

Interesting for „extreme“ (v large)

II

c dudvvucvucE ),()),(ln(

I

c dvvucvucuE ),()),(ln()(

19Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Multivariate Distributions and Copulas

Sklar (1959) all F pdf can be written in this form and C is unique if F is continuous

Measures of the dependence • Differential Entropy• Rank correlation (Spearman)• Kendalls tau

))(,),((),,( 111 KKK xFxFCxxF

20Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula density

n

nn

n xx

xxCxxc

...

),...,(),...,(

1

11

21Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Multivariate normal copula

Copula density:

22Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Normal copula

Can copulas be used for the description of spatial variability ?

Do we need this ?

24Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Geostatistics

Z(x) Random function – Realisation z(xi)

Assumption – „uniform continuity“

No differences are known a-priori

Independent of the location – depends only on h

(Semi)Variogramm Covariance function

2

1

2

1

2uZhuZEuZhuZVarh

muZE

25Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Experimental Variogramm EC

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

26Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial copulas

Assumption:• Multivariate copula exists for any

number of points

• The bi-variate marginal copulas corresponding to pairs separated by a vector h are translation invariant

• How to find such copulas ?

vZFuZFPvu zz ))((,))((),,( xhxhCS

27Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Empirical copulas

Set of pdf pairs corresponding to points separated by the vector h

Generalization of the variogram

Empirical density using kernel smoothing

hxxxxh iijnin ZFZFS |))(()),(()(

28Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

29Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

30Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Nitrat und Phosphat

31Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula Nitrate GW 5 km

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0

1.6

3.2

4.8

6.4

8

9.6

11.2

12.8

14.4

16

17.6

19.2

Q uantile Punkt x

Qu

an

tile

Pu

nkt

y

32Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Entropy: Nitrat 3000 m und 30000m

0 5 10 15 20 25

0.22

0.23

0.24

0.25

0.26

33Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Cl Variogramm

34Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

Chloride concentration (mg/l)

0

200

400

600

35Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

36Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula pH groundwater

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

37Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

pH Variogramm

38Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

5.2 5.6 6 6.4 6.8 7.2 7.6 8 8.4 8.8 9.2 9.6

0

400

800

1200

39Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

40Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

n-dimensional Chi-square copula

41Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Chi-Quadrat Copulas

42Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Testing the multivariate copulas

Analytically difficult due to the dependence of the pairs

Simulation and Bootstrap to compare bi-variate marginals to theoretiacal

43Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Summary and conclusions

Copulas offer an interesting alternative

Many natural variables show a non-Gaussian spatial dependence

Thank you !

PS: I have another 253 slides to show – maybe next time !

46Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Indikator Variablen

Indikator variablen

sonst

CuuIC 0

falls1)(

)( falls0

)( falls1)(

uZ

uZuI

Indikator variogram

huu

ji

ji

uIuIhN

h 2* ))()(()(2

1)(

47Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial dependence – 5 kmEvent 70

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cip

itatio

n a

mo

unt l

oca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

48Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial dependence – 5 kmEvent 347

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cipi

tatio

n am

ount

loca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

49Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial dependence – 5 kmEvent 159

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cip

itatio

n a

mo

unt l

oca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

50Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Radarniederschlag29. Dezember 2001 11:20-13:20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

05101520253035404550556065707580859095100105110115120

51Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula Radarniederschlag29. Dezember 2001 11:20-13:20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

52Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Gauss – Chi-square

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-4.5-4.1-3.7-3.3-2.9-2.5-2.1-1.7-1.3-0.9-0.5-0.10.30.71.11.51.92.32.73.13.53.94.3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

-4.5-4.1-3.7-3.3-2.9-2.5-2.1-1.7-1.3-0.9-0.5-0.10.30.71.11.51.92.32.73.13.53.94.3

53Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

54Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Statistische Tests

Problem: Paare sind nicht unabhängig

Deshalb klassische Tests nicht verwendbar

Lösung: Bootstrap

55Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Zusammenfassung

•Zusammenhänge können mit Copulas „einheitlich“ quantifiziert werden

•Viele natürliche Parameter zeigen assymetrische Zusammenhänge

•Diese Eigenschaft kann bei der räumlichen Betrachtung berücksichtigt werden

56Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

57Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Simulation results

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

- 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

- 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5

0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 00

5

1 0

1 5

2 0

2 5

- 101234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 5

58Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Räumlicher Zusammenhang – 5 kmEreignis 71

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

M oisture flux

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1P

reci

pita

tion

am

oun

t

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

59Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Räumlicher Zusammenhang – 5 kmEreignis 117

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

M oisture flux

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cipi

tatio

n am

ount

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

60Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Räumlicher Zusammenhang – 5 kmEreignis 348

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

M oisture flux

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1P

reci

pita

tion

am

ou

nt

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

61Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Asymmetrie des Zusammenhanges

Hohe Werte zeigen einen anderen Zusammenhang wie die niedrigen

u u

u u

dxdxyxc

dxdxyxc

uuC

uuCuA

0 0

1

1

1

1

),(

),(

),(

)1,1(21

62Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Empirische Copuladichten

Nitrat pH

63Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Radarniederschlag29. Dezember 2001 8:20-9:20

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

05101520253035404550556065707580859095100105110115120

64Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

65Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

66Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

67Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

68Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Niederschlag

Geeignete Copulas finden• Bessere Interpolation (HW relevant)• Theoretische

Gebietsabminderungsfunktionen• Simulationsmodelle mit beliebigen

Randverteilungen• Realistische Extreme über räumliche

und zeitliche Skalen ( Fraktale Modelle)

69Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Neckar Einzugsgebiet

70Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

71Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Korrelation – Zusammenhang der Extreme (99,5%)

0.6 0.7 0.8 0.9 1Korrelation

8.4

8.6

8.8

9B

ed

ing

te D

iffe

ren

tia

len

tro

pie

72Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Zusammenfassung

Zusammenhaänge können mit Copulas beschrieben werden

Viele der Zusammenhänge in der Hydrologie sind asymmetrisch

Extreme sind of stärker abhängig als mittlere

Korrelation ist hierfür kein gutes Maß

73Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Introduction - ModellingHydrological modeling is necessary• Design

– Changes– Climate change– Land use change

– Unobserved catchments (PUB)• Forecasts• In combination with

– Quality– Ecology

• For understanding

74Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Introduction - VariabilityVariability due to natural conditions• Weather

– Annual cycle– Random variability

• Catchment reaction– State– Output - discharge

75Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

The Upper Neckar Catchment

76Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence between discharge series

Cross correlations (Pearson)

Cross rank correlations (Spearman)

Copulas

77Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence results

Cross correlations

0.66 – 0.95 for all pairs

>0.89 for the best pair for each site

Cross rank correlations

0.65 – 0.98 for all pairs

>0.88 for the best pair for each site

78Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Variable A

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Var

iabl

e B

79Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Dependence structure

Dependence between Quantiles instead of Variable values

Copula – Dependence separated from the Marginal distributions

),,(),,(

ondistributi m Unifor)1,0(,,

111

1

KKK

K

uUuUPuuC

UU

U

80Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula density of the pair C8 and C9

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

00.81.62.43.244.85.66.47.288.89.610.411.21212.813.614.415.21616.817.618.419.220

81Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial dependence – 5 kmEvent 347

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cipi

tatio

n am

ount

loca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Spatial dependence – 5 kmEvent 159

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Precip ita tion am ount location A

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Pre

cip

itatio

n a

mo

unt l

oca

tion

B

00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.42.62.833.23.43.63.844.24.44.64.85

83Caracas, September 28 2006

Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Simulation models

Multivariate normal copulas

Non Gaussian copulas (non-central chi-square copulas)

Correct marginal distribution

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

Copula density of a bivariate non-central chi-square distribution

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

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n-dimensional Chi-square copula

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Summary

Hydrological modeling is necessary

and difficult

Discharge series are similar

Events are different

Hydrological models small differences

Spatial resolution is not the answer

Spatial variability is partly responsible

Rainfall variability is “asymmetrical”

6100 6150 6200 6250 6300 6350

Tim e (days)

0

100

200

300

400

500

Dis

char

ge (

m3 /

s)

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Interpolation

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Radar Measurement

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Future work

Compare different sets of downscaled discharge extremes (3 versions)• Calculate spatial indices• Find appropriate copulas

Assess scenario dependent extremes

Develop new methodology for spatial extremes

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Variability of discharge

Distribution of discharge for a single site • Depends on the aggregation• Skewed distribution• Few maxima – due to precipitation

(snow melt)

Natural Variability

Discharge series are similar because of the spatial extent of rainfall events.

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Universität StuttgartLehrstuhl für Hydrologie und Geohydrologie

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10

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