Modelo Weibull autorregressivo de médias móveis: um novo modelo para aplicações em séries de vazão e velocidade do vento

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Konrad, Júlia
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Manancial - Repositório Digital da UFSM
dARK ID: ark:/26339/001300001674h
Texto Completo: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/25358
Resumo: Hydroclimatic processes, such as streamflow and wind speed, have a probabilistic nature since they suffer interference from an infinite number of random factors. Most of the time series within the natural sciences also consist in autocorrelated processes. These characteristics make it interesting to use autoregressive moving average (ARMA) models for analysis and prediction of hydroclimatic data. ARMA models absorb the series self-correlation in its structure. The most traditional class of ARMA models has the normality of the data as a premise. However, it is recognized that the Gaussian assumption is too restrictive for many applications. Streamflow and wind speed data, for example, can be modeled more adequately by the Weibull distribution, which presents asymmetry in its histogram and is inferiorly limited by zero. Thus, the goal of this work is to propose a dynamic model for time series with Weibull distribution, as a tool for analyzing autocorrelated hydroclimatic data. In the proposed model, called Wei-ARMA, the mean is modeled by a dynamic structure containing autoregressive and moving averages components, regressors and a link function. The work also proposes a parametric trend test based on the Wei-ARMA model to analyse the presence of trend in autocorrelated data series. The estimation of parameters was performed considering the conditional maximum likelihood method and a Monte Carlo simulation was employed to evaluate the performance of the estimators and the proposed trend test in different scenarios. The estimators were evaluated in terms of relative bias and mean square error, while the trend test was evaluated in terms of size and power, and compared with usual non-parametric trend tests, such as the Mann-Kendall test and Seasonal Mann-Kendall test. The conditional maximum likelihood estimators performed well and the proposed trend test obtained better results than the concurrent tests. Finally, the applicability of the proposed model and trend test was evaluated in streamflow and wind speed monthly series. The Wei-ARMA model was able to absorb the behavior characteristics of the data, obtaining similar or better results compared to the traditional ARMA model, having as main advantage not predicting negative values.
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However, it is recognized that the Gaussian assumption is too restrictive for many applications. Streamflow and wind speed data, for example, can be modeled more adequately by the Weibull distribution, which presents asymmetry in its histogram and is inferiorly limited by zero. Thus, the goal of this work is to propose a dynamic model for time series with Weibull distribution, as a tool for analyzing autocorrelated hydroclimatic data. In the proposed model, called Wei-ARMA, the mean is modeled by a dynamic structure containing autoregressive and moving averages components, regressors and a link function. The work also proposes a parametric trend test based on the Wei-ARMA model to analyse the presence of trend in autocorrelated data series. The estimation of parameters was performed considering the conditional maximum likelihood method and a Monte Carlo simulation was employed to evaluate the performance of the estimators and the proposed trend test in different scenarios. The estimators were evaluated in terms of relative bias and mean square error, while the trend test was evaluated in terms of size and power, and compared with usual non-parametric trend tests, such as the Mann-Kendall test and Seasonal Mann-Kendall test. The conditional maximum likelihood estimators performed well and the proposed trend test obtained better results than the concurrent tests. Finally, the applicability of the proposed model and trend test was evaluated in streamflow and wind speed monthly series. The Wei-ARMA model was able to absorb the behavior characteristics of the data, obtaining similar or better results compared to the traditional ARMA model, having as main advantage not predicting negative values.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESProcessos hidroclimáticos, como vazão e velocidade do vento, têm natureza probabilística, pois sofrem interferência de uma infinidade de fatores aleatórios. Grande parte das séries temporais no âmbito das ciências naturais também consistem em processos autocorrelacionados. Estas características tornam interessante a utilização de modelos autorregressivos de médias móveis (ARMA) para análise e previsão de dados hidroclimáticos. Modelos ARMA absorvem a autocorrelação da série em sua estrutura e sua classe mais tradicional tem como premissa a normalidade dos dados. Entretanto, é reconhecido que a suposição Gaussiana é muito restritiva para diversas aplicações. Dados de vazão e de velocidade do vento, por exemplo, podem ser modelados de forma mais adequada pela distribuição Weibull, que apresenta assimetria e é limitada inferiormente pelo valor zero. Sendo assim, o objetivo deste trabalho é propor um modelo dinâmico para séries temporais com distribuição Weibull, como uma ferramenta para análise de dados hidroclimáticos autocorrelacionados. No modelo proposto, chamado de Wei-ARMA, a média é modelada por uma estrutura dinâmica contendo componentes autorregressivos e de médias móveis, regressores e uma função de ligação. Propõe-se, também, um teste paramétrico baseado no modelo Wei-ARMA para avaliar a presença de tendência em séries de dados autocorrelacionados. A estimação dos parâmetros do modelo baseou-se no método da máxima verossimilhança condicional e um estudo de simulação de Monte Carlo foi realizado para avaliar o desempenho dos estimadores e do teste de tendência proposto em diferentes cenários. Os estimadores foram avaliados em termos de viés relativo e erro quadrático médio, enquanto o teste de tendência foi avaliado em termos de tamanho e poder do teste, comparativamente ao desempenho de testes de tendência não-paramétricos usuais, como os testes de Mann-Kendall e Mann-Kendall sazonal. Os estimadores de máxima verossimilhança condicional apresentaram bom desempenho e o teste de tendência proposto obteve resultados superiores aos testes concorrentes. Por fim, a aplicabilidade do modelo e do teste de tendência derivado foi avaliada em séries mensais de vazão e de velocidade do vento. O modelo Wei-ARMA foi capaz de absorver as características de comportamento das séries de dados, obtendo resultados semelhantes ou melhores em comparação com modelo ARMA tradicional, tendo como principal ganho a não predição de valores negativos.Universidade Federal de Santa MariaBrasilEngenharia CivilUFSMPrograma de Pós-Graduação em Engenharia CivilCentro de TecnologiaBayer, Debora Missiohttp://lattes.cnpq.br/5799733583668443Bayer, Fabio MarianoPalm, Bruna GregoryTassi, RutineiaKonrad, Júlia2022-07-15T15:11:06Z2022-07-15T15:11:06Z2022-02-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/25358ark:/26339/001300001674hporAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2022-07-15T15:11:06Zoai:repositorio.ufsm.br:1/25358Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/ONGhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.comopendoar:2022-07-15T15:11:06Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
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description Hydroclimatic processes, such as streamflow and wind speed, have a probabilistic nature since they suffer interference from an infinite number of random factors. Most of the time series within the natural sciences also consist in autocorrelated processes. These characteristics make it interesting to use autoregressive moving average (ARMA) models for analysis and prediction of hydroclimatic data. ARMA models absorb the series self-correlation in its structure. The most traditional class of ARMA models has the normality of the data as a premise. However, it is recognized that the Gaussian assumption is too restrictive for many applications. Streamflow and wind speed data, for example, can be modeled more adequately by the Weibull distribution, which presents asymmetry in its histogram and is inferiorly limited by zero. Thus, the goal of this work is to propose a dynamic model for time series with Weibull distribution, as a tool for analyzing autocorrelated hydroclimatic data. In the proposed model, called Wei-ARMA, the mean is modeled by a dynamic structure containing autoregressive and moving averages components, regressors and a link function. The work also proposes a parametric trend test based on the Wei-ARMA model to analyse the presence of trend in autocorrelated data series. The estimation of parameters was performed considering the conditional maximum likelihood method and a Monte Carlo simulation was employed to evaluate the performance of the estimators and the proposed trend test in different scenarios. The estimators were evaluated in terms of relative bias and mean square error, while the trend test was evaluated in terms of size and power, and compared with usual non-parametric trend tests, such as the Mann-Kendall test and Seasonal Mann-Kendall test. The conditional maximum likelihood estimators performed well and the proposed trend test obtained better results than the concurrent tests. Finally, the applicability of the proposed model and trend test was evaluated in streamflow and wind speed monthly series. The Wei-ARMA model was able to absorb the behavior characteristics of the data, obtaining similar or better results compared to the traditional ARMA model, having as main advantage not predicting negative values.
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