The Mat\'ern covariance function is a popular choice for prediction in spatial statistics and uncertainty quantification literature. A key benefit of the Mat\'ern class is that it is possible to get precise control over the degree of differentiability of the process realizations. However, the Mat\'ern class possesses exponentially decaying tails, and thus may not be suitable for modeling polynomially decaying dependence. This problem can be remedied using polynomial covariances; however one loses control over the degree of mean-square differentiability of corresponding processes, in that the random processes with polynomial covariances are either infinitely mean-square differentiable or nowhere mean-square differentiable at all. We construct a new family of covariance functions called the \emph{Confluent Hypergeometric} (CH) class using a scale mixture representation of the Mat\'ern class where one obtains the benefits of both Mat\'ern and polynomial covariances. The resultant covariance contains two parameters: one controls the degree of mean-square differentiability near the origin and the other controls the tail heaviness, independently of each other. Using a spectral representation, we derive theoretical properties of this new covariance including equivalent measures and asymptotic behavior of the maximum likelihood estimators under infill asymptotics. The improved theoretical properties of the CH class are verified via extensive simulations. Application using NASA's Orbiting Carbon Observatory-2 satellite data confirms the advantage of the CH class over the Mat\'ern class, especially in extrapolative settings.


翻译:Mat\'ern 共变函数是空间统计和不确定性量化文献中预测的流行选择。 Mat\'ern 类的主要好处是, 能够准确控制进程实现的不同程度。 但是, Mat\'ern 类拥有指数衰减的尾巴, 因此可能不适合模拟多球形衰减依赖性。 这个问题可以用多球体共变变量来解决; 但是, 人们会失去对相应进程的平均正方差度差异程度的控制, 因为具有多球体共变的随机进程要么可以无限平均地对等差异程度, 要么根本没有可以平均地控制进程实现的差异程度。 但是, Mat\'ern 类中, 使用数学类混合值的尺度代表性代表性来解决这个问题。 由此得出的共变正数包含两个参数: 使用极值的极值可变数, 使用最接近的轨值的极值的轨变数, 使用最接近的轨数的运算法, 以独立的方式控制了该等值的轨迹的变数。

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