Deterministic hydrological models with uncertain, but inferred-to-be-time-invariant parameters typically show time-dependent model structural errors. Such errors can occur if a hydrological process is active in certain time periods in nature, but is not resolved by the model. Such missing processes could become visible during calibration as time-dependent best-fit values of model parameters. We propose a formal time-windowed Bayesian analysis to diagnose this type of model error, formalizing the question \In which period of the calibration time-series does the model statistically disqualify itself as quasi-true?" Using Bayesian model evidence (BME) as model performance metric, we determine how much the data in time windows of the calibration time-series support or refute the model. Then, we track BME over sliding time windows to obtain a dynamic, time-windowed BME (tBME) and search for sudden decreases that indicate an onset of model error. tBME also allows us to perform a formal, sliding likelihood-ratio test of the model against the data. Our proposed approach is designed to detect error occurrence on various temporal scales, which is especially useful in hydrological modelling. We illustrate this by applying our proposed method to soil moisture modeling. We test tBME as model error indicator on several synthetic and real-world test cases that we designed to vary in error sources and error time scales. Results prove the usefulness of the framework for detecting structural errors in dynamic models. Moreover, the time sequence of posterior parameter distributions helps to investigate the reasons for model error and provide guidance for model improvement.


翻译:确定性水文模型,具有不确定性,但可推断到时间变异的参数,通常会显示基于时间的模型结构错误。如果水文过程在某个时间段内活跃,但模型无法解决,这种错误就可能发生。在校准过程中,这种缺失的过程可能会作为模型参数中最符合时间的值而显现出来。我们建议进行正式的、时间拖慢的贝叶西亚分析,以诊断这种模型错误,正式确定校准时间序列的哪个时期在统计上使模型本身的误差具有准真实性?使用贝伊西亚模型证据(BME)作为模型性能衡量标准,我们确定在校准时间序列支持的时间窗口中的数据多少,或者拒绝模型。然后,我们在滑动时间窗口中跟踪BME(BME)(tBME)(tBME),并寻找表明模型误差的突然减少值。TBME(tBME)也使我们能够对模型进行正式的、递增概率比值测试。我们提议的模型用于在各种时间尺度范围内探测错误发生错误的模型,我们提出的方法旨在在各种时间尺度上测量错误的模型,特别是模拟测算结果。

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