We construct a Gaussian random field (GRF) that combines fractional smoothness with spatially varying anisotropy. The GRF is defined through a stochastic partial differential equation (SPDE), where the range, marginal variance, and anisotropy vary spatially according to a spectral parametrization of the SPDE coefficients. Priors are constructed to reduce overfitting in this flexible covariance model, and parameter estimation is done with an efficient gradient-based optimization approach that combines automatic differentiation with sparse matrix operations. In a simulation study, we investigate how many observations are required to reliably estimate fractional smoothness and non-stationarity, and find that one realization containing 500 observations or more is needed in the scenario considered. We also find that the proposed penalization prevents overfitting across varying numbers of observation locations. Two case studies demonstrate that the relative importance of fractional smoothness and non-stationarity is application dependent. Non-stationarity improves predictions in an application to ocean salinity, whereas fractional smoothness improves predictions in an application to precipitation. Predictive ability is assessed using mean squared error and the continuous ranked probability score. In addition to prediction, the proposed approach can be used as a tool to explore the presence of fractional smoothness and non-stationarity.


翻译:我们构建了一个结合分数阶光滑性与空间变化各向异性的高斯随机场。该高斯随机场通过一个随机偏微分方程定义,其中相关范围、边缘方差和各向异性根据SPDE系数的谱参数化方式在空间上变化。我们构建了先验分布以降低这一灵活协方差模型中的过拟合风险,并采用一种结合自动微分与稀疏矩阵运算的高效梯度优化方法进行参数估计。在一项模拟研究中,我们探究了需要多少观测数据才能可靠估计分数阶光滑性与非平稳性,发现在所考虑的场景中,需要包含500个或更多观测值的单次实现。我们还发现所提出的惩罚机制能在不同观测点数量情况下有效防止过拟合。两个案例研究表明,分数阶光滑性与非平稳性的相对重要性取决于具体应用场景:在海洋盐度应用中非平稳性改进了预测效果,而在降水应用中分数阶光滑性提升了预测性能。预测能力通过均方误差和连续分级概率评分进行评估。除预测功能外,所提方法还可作为探究分数阶光滑性与非平稳性存在性的分析工具。

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