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考虑外源变量的空间copula插值模型的开发及其在降雨和地下水水质插值上的验证
结题报告
批准号:
41101020
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
28.0 万元
负责人:
刘敏
依托单位:
学科分类:
D0702.环境水科学
结题年份:
2014
批准年份:
2011
项目状态:
已结题
项目参与者:
蒋卫国、丁贞玉、任斐鹏、熊兴
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中文摘要
基于Copula的空间统计模型,与传统的空间统计方法(kriging克里金)相比,回避了数据正态分布的假设,已经成为新一代的地理统计方法,但是目前的copula模型只能考虑被插值数据本身的空间相关性,而不能考虑其他变量对被插值变量的影响,例如地形对降雨的影响,土壤和营养物底质对生态分布的影响等。本研究将在现有研究的基础上,开发新的copula模型,使其在进行空间插值和模拟时,考虑外源变量的影响,并且将这种新型模型用于水文变量的插值。本课题将以水文学中降雨(受地形影响)和地下水的水质参数(不同水质指标之间相互的影响)为例,把交叉校验(cross validation)的结果与单纯的不考虑外源变量的copula模型进行纵向比较,并且与传统的External Drift Kriging及multipoint geostatistics方法进行横向比较,来证实该方法的可行性和优越性。
英文摘要
本课题在copula空间插值模型的基础上,参照协克里金法(Co-kriging)对外源变量(drift)的处理方法,建立了co-copula插值模型,并且成功应用到空间降雨的插值中,实现了在copula模型中考虑外源变量(地形)对目标变量(降雨)的影响,从而改进插值结果。此外,课题还考虑了由于风向和地形的交互作用,分析了对地形进行不同的平滑处理(smoothing)是否能够改进降雨插值。由于国内数据条件的限制,课题采用德国南部1040个降雨站点41年的日降雨数据作为验证,采用了包括偏差、决定系数、改进频率等5个不同的标准与传统的kriging和External Drift Kriging(EDK)方法进行了全面的比较,充分验证了co-copula在插值上的优越性。本研究的主要成果包括:(1)分析了不同时段降雨和地形高程的相关性,发现两者的相关性随着时段的增大而增大;(2)对地形进行平滑处理后,能够提高两者的相关性;(3)在传统的只考虑不同站点降雨之间的“降雨-降雨”auto-copula基础上,引入了“降雨-高程”之间的cross-copula,并且假设两者服从同一种copula分布,对Gaussian Copula和V-copula两种copula模型进行了改进,分别建立了对应的Co-copula模型;(4)利用极大似然法(Maximum Likelihood)对co-copula模型参数进行参数估计;(5)相比kriging,两种Co-copula方法在多数情况下都取得了更好的插值结果,并且对插值结果的不确定性评估更为准确;(6)利用Co-copula插值能够给出在目标地点插值变量一个完整的条件分布,相对于只能给出插值的均值和方差(variance)的kriging方法更为完善。
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