Risk management in many environmental settings requires an understanding of the mechanisms that drive extreme events. Useful metrics for quantifying such risk are extreme quantiles of response variables conditioned on predictor variables that describe e.g., climate, biosphere and environmental states. Typically these quantiles lie outside the range of observable data and so, for estimation, require specification of parametric extreme value models within a regression framework. Classical approaches in this context utilise linear or additive relationships between predictor and response variables and suffer in either their predictive capabilities or computational efficiency; moreover, their simplicity is unlikely to capture the truly complex structures that lead to the creation of extreme wildfires. In this paper, we propose a new methodological framework for performing extreme quantile regression using artificial neutral networks, which are able to capture complex non-linear relationships and scale well to high-dimensional data. The "black box" nature of neural networks means that they lack the desirable trait of interpretability often favoured by practitioners; thus, we combine aspects of linear, and additive, models with deep learning to create partially interpretable neural networks that can be used for statistical inference but retain high prediction accuracy. To complement this methodology, we further propose a novel point process model for extreme values which overcomes the finite lower-endpoint problem associated with the generalised extreme value class of distributions. Efficacy of our unified framework is illustrated on U.S. wildfire data with a high-dimensional predictor set and we illustrate vast improvements in predictive performance over linear and spline-based regression techniques.


翻译:在许多环境环境中,风险管理要求理解驱动极端事件的机制。量化此类风险的有用指标是极端的响应变量的量度,这些变量以描述气候、生物圈和环境状态等预测变量为条件。典型的这些量度在可观测数据范围之外,因此,为了估算,需要在回归框架内对参数极端价值模型进行规格说明。在这种情况下,典型的方法在预测和反应变量之间使用线性或添加性关系,并且在其预测能力或计算效率方面受到损害;此外,它们的简单性不大可能捕捉导致产生极端野火的真正复杂结构。在本文中,我们提出了一个新的方法框架,用人为的中性网络进行极端微量回归,这些网络能够捕捉复杂的非线性关系和尺度,因此,在回归框架内,神经网络的“黑箱”性质意味着它们缺乏从业者通常喜欢的可解释性的适当特征;因此,我们结合线性、和添加性模型,深入地学习如何创造可部分解释的精确度结构,从而导致产生极端野火。在本文件中,可以用来进行统计的精确度点进行极端精确度分析,但保留高精确度的精确度分布方法。

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