With extreme weather events becoming more common, the risk posed by surface water flooding is ever increasing. In this work we propose a model, and associated Bayesian inference scheme, for generating probabilistic (high-resolution short-term) forecasts of localised precipitation. The parametrisation of our underlying hierarchical dynamic spatio-temporal model is motivated by a forward-time, centred-space finite difference solution to a collection of stochastic partial differential equations, where the main driving forces are advection and diffusion. Observations from both weather radar and ground based rain gauges provide information from which we can learn about the likely values of the (latent) precipitation field in addition to other unknown model parameters. Working in the Bayesian paradigm provides a coherent framework for capturing uncertainty both in the underlying model parameters and also in our forecasts. Further, appealing to simulation based (MCMC) sampling yields a straightforward solution to handling zeros, treated as censored observations, via data augmentation. Both the underlying state and the observations are of moderately large dimension ($\mathcal{O}(10^4)$ and $\mathcal{O}(10^3)$ respectively) and this renders standard inference approaches computationally infeasible. Our solution is to embed the ensemble Kalman smoother within a Gibbs sampling scheme to facilitate approximate Bayesian inference in reasonable time. Both the methodology and the effectiveness of our posterior sampling scheme are demonstrated via simulation studies and also by a case study of real data from the Urban Observatory project based in Newcastle upon Tyne, UK.


翻译:随着极端天气事件的日益普遍,地表水洪水构成的风险正在日益增大。在这项工作中,我们提出了一个模型,以及相关的贝耶斯测谎办法,用以对当地降水量进行概率性(高分辨率短期)预测。我们脚底等级动态阵列-时空模型的对称性,其动因是远时、中空有限差异解决方案,用于收集随机偏差部分方程式,主要驱动力是吸附和扩散。天气雷达和地面雨量计的观测提供了信息,我们可以从中了解(相对)降水场的可能值以及其他未知模型参数。在巴伊西亚模式中的工作为在基本模型参数和我们的预测中捕捉不确定性提供了一个连贯的框架。此外,通过模拟(MC)取样,可以产生处理零的简单解决方案,通过数据增强,作为审查的观察处理。基础状态和观测均具有中等大维(amathcal=O4$和美元等量降水量阵列降水量场的可能值。在IMBIRC(O) 和(BILA) 和(IG) 快速计算方法中,分别显示我们模拟的模型和(10美元)的模拟模型的模拟模型的模拟模型中,也显示了。

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