The efficient simulation of Gaussian random fields with flexible correlation structures is fundamental in spatial statistics, machine learning, and uncertainty quantification. In this work, we revisit the \emph{spectral turning-bands} (STB) method as a versatile and scalable framework for simulating isotropic Gaussian random fields with a broad range of covariance models. Beyond the classical Matérn family, we show that the STB approach can be extended to two recent and flexible correlation classes that generalize the Matérn model: the Bummer-Tricomi model, which allows for polynomially decaying correlations and long-range dependence, and the Gauss-Hypergeometric model, which admits compactly supported correlations, including the Generalized Wendland family as a special case. We derive exact stochastic representations for both families: a Beta-prime mixture formulation for the Kummer-Tricomi model and complementary Beta- and Gasper-mixture representations for the Gauss-Hypergeometric model. These formulations enable exact, numerically stable, and computationally efficient simulation with linear complexity in the number of spectral components. Numerical experiments confirm the accuracy and computational stability of the proposed algorithms across a wide range of parameter configurations, demonstrating their practical viability for large-scale spatial modeling. As an application, we use the proposed STB simulators to perform parametric bootstrap for standard error estimation and model selection under weighted pairwise composite likelihood in the analysis of a large climate dataset.


翻译:高效模拟具有灵活相关结构的高斯随机场是空间统计学、机器学习和不确定性量化的基础。本文重新审视了\emph{谱转向带}(STB)方法,将其作为一种通用且可扩展的框架,用于模拟具有广泛协方差模型的各向同性高斯随机场。除了经典的Matérn族之外,我们证明了STB方法可以扩展到两个近期提出的、推广了Matérn模型的灵活相关类:允许多项式衰减相关性和长程依赖性的Kummer-Tricomi模型,以及允许紧支撑相关性(包括广义Wendland族作为特例)的高斯超几何模型。我们推导了这两个族的精确随机表示:Kummer-Tricomi模型的Beta-prime混合表示,以及高斯超几何模型的互补Beta-和Gasper-混合表示。这些表示使得模拟能够以谱分量数量上的线性复杂度实现精确、数值稳定且计算高效。数值实验证实了所提算法在广泛参数配置下的准确性和计算稳定性,证明了其在大规模空间建模中的实际可行性。作为应用,我们使用所提出的STB模拟器,在一个大型气候数据集的分析中,基于加权成对复合似然,执行参数自助法以进行标准误差估计和模型选择。

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