Στοχαστική μεθοδολογία για τη γέννηση χρονοσειρών με αναπαραγωγή της υπερετήσιας ομοιοθετικής συμπεριφοράς

A. Langousis, and D. Koutsoyiannis, A stochastic methodology for generation of seasonal time series reproducing overyear scaling behaviour, Journal of Hydrology, 322, 138–154, 2006.

[Στοχαστική μεθοδολογία για τη γέννηση χρονοσειρών με αναπαραγωγή της υπερετήσιας ομοιοθετικής συμπεριφοράς]

[doc_id=599]

[Αγγλικά]

Κατά την παραγωγή συνθετικών υδρολογικών χρονοσειρών σε εποχιακή κλίμακα, είναι σημαντικό να εξασφαλίζεται η διατήρηση των εποχιακών στατιστικών χαρακτηριστικών και της βραχυπρόθεσμης μνήμης της υπό μελέτη στοχαστικής ανέλιξης. Εξίσου όμως σημαντική είναι η αναπαραγωγή τόσο των στατιστικών χαρακτηριστικών της ετήσιας ιστορικής χρονοσειράς όσο και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς σε χρονικές κλίμακες μεγαλύτερες του έτους. Η ομοιοθετική συμπεριφορά, γνωστή και ως "φαινόμενο Hurst", έχει εντοπιστεί σε μεγάλο αριθμό υδρολογικών και κλιματικών χρονοσειρών και επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τόσο τον προγραμματισμό όσο και τον σχεδιασμό των υδροσυστημάτων. Στην περίπτωση που γίνεται χρήση μοντέλων εποχιακής κλίμακας, η διατήρηση των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς είναι μία ιδιαίτερα επίπονη διαδικασία και τις περισσότερες φορές αγνοείται, εκτός από την περίπτωση που εφαρμόζονται τεχνικές επιμερισμού, οι οποίες όμως παρουσιάζουν ορισμένες δυσκολίες (π.χ. στην εκτίμηση παραμέτρων) και ανακρίβειες. Εναλλακτικά προτείνεται μία νέα μεθοδολογία, βάσει της οποίας η αναπαραγωγή των στατιστικών χαρακτηριστικών γίνεται σε μηνιαία κλίμακα, χωρίς χρήση τεχνικών επιμερισμού, και κατά τρόπο ώστε να εξασφαλίζεται ταυτόχρονη διατήρηση τόσο των ετήσιων στατιστικών χαρακτηριστικών όσο και της ομοιοθετικής συμπεριφοράς της ιστορικής χρονοσειράς. Συγκεκριμένα, προτείνονται δύο στοχαστικά μοντέλα: ένα απλό εποχιακό μοντέλο βραχυπρόθεσμης μνήμης, στο οποίο εισάγεται μακροπρόθεσμη μνήμη μέσω ενός εξωτερικού γραμμικού φίλτρου, και ένας συνδυασμός δύο επί μέρους μοντέλων, ενός στάσιμου με μακροπρόθεσμη μνήμη και ενός κυκλοστάσιμου με βραχυπρόθεσμη μνήμη. Και τα δύο μοντέλα ελέγχονται σε μια πραγματική περίπτωση και αποδεικνύεται ότι αναπαράγουν όλα τα στατιστικά ενδιαφέροντος, ενώ από επιχειρησιακή άποψη μπορούν να θεωρηθούν πρακτικώς ισοδύναμα.

Το πλήρες κείμενο διατίθεται μόνο στο δίκτυο του ΕΜΠ λόγω νομικών περιορισμών

PDF Συμπληρωματικό υλικό:

Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.1016/j.jhydrol.2005.02.037

Εργασίες μας στις οποίες αναφέρεται αυτή η εργασία:

1. D. Koutsoyiannis, and Th. Xanthopoulos, A dynamic model for short-scale rainfall disaggregation, Hydrological Sciences Journal, 35 (3), 303–322, doi:10.1080/02626669009492431, 1990.
2. D. Koutsoyiannis, A nonlinear disaggregation method with a reduced parameter set for simulation of hydrologic series, Water Resources Research, 28 (12), 3175–3191, doi:10.1029/92WR01299, 1992.
3. D. Koutsoyiannis, and A. Manetas, Simple disaggregation by accurate adjusting procedures, Water Resources Research, 32 (7), 2105–2117, doi:10.1029/96WR00488, 1996.
4. D. Koutsoyiannis, Optimal decomposition of covariance matrices for multivariate stochastic models in hydrology, Water Resources Research, 35 (4), 1219–1229, doi:10.1029/1998WR900093, 1999.
5. D. Koutsoyiannis, A generalized mathematical framework for stochastic simulation and forecast of hydrologic time series, Water Resources Research, 36 (6), 1519–1533, doi:10.1029/2000WR900044, 2000.
6. D. Koutsoyiannis, Coupling stochastic models of different time scales, Water Resources Research, 37 (2), 379–391, doi:10.1029/2000WR900200, 2001.
7. D. Koutsoyiannis, The Hurst phenomenon and fractional Gaussian noise made easy, Hydrological Sciences Journal, 47 (4), 573–595, doi:10.1080/02626660209492961, 2002.
8. D. Koutsoyiannis, A. Efstratiadis, and G. Karavokiros, A decision support tool for the management of multi-reservoir systems, Journal of the American Water Resources Association, 38 (4), 945–958, doi:10.1111/j.1752-1688.2002.tb05536.x, 2002.
9. Δ. Κουτσογιάννης, Α. Ευστρατιάδης, Γ. Καραβοκυρός, Α. Κουκουβίνος, Ν. Μαμάσης, Ι. Ναλμπάντης, Ε. Ρόζος, Χ. Καρόπουλος, Α. Νασίκας, Ε. Νεστορίδου, και Δ. Νικολόπουλος, Σχέδιο διαχείρισης του υδροδοτικού συστήματος της Αθήνας — Έτος 2002–2003, Εκσυγχρονισμός της εποπτείας και διαχείρισης του συστήματος των υδατικών πόρων ύδρευσης της Αθήνας, Τεύχος 14, 215 pages, Τομέας Υδατικών Πόρων, Υδραυλικών και Θαλάσσιων Έργων – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, Δεκέμβριος 2002.
10. D. Koutsoyiannis, Climate change, the Hurst phenomenon, and hydrological statistics, Hydrological Sciences Journal, 48 (1), 3–24, doi:10.1623/hysj.48.1.3.43481, 2003.
11. D. Koutsoyiannis, G. Karavokiros, A. Efstratiadis, N. Mamassis, A. Koukouvinos, and A. Christofides, A decision support system for the management of the water resource system of Athens, Physics and Chemistry of the Earth, 28 (14-15), 599–609, doi:10.1016/S1474-7065(03)00106-2, 2003.
12. Α. Λαγγούσης, Ανάπτυξη κυκλοστάσιμων στοχαστικών υδρολογικών μοντέλων με διατήρηση της βραχυπρόθεσμης μνήμης και της μακροπρόθεσμης εμμονής, Διπλωματική εργασία, 327 pages, Τομέας Υδατικών Πόρων, Υδραυλικών και Θαλάσσιων Έργων – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Ιούλιος 2003.
13. D. Koutsoyiannis, Reliability concepts in reservoir design, Water Encyclopedia, Vol. 4, Surface and Agricultural Water, edited by J. H. Lehr and J. Keeley, 259–265, doi:10.1002/047147844X.sw776, Wiley, New York, 2005.
14. D. Koutsoyiannis, Nonstationarity versus scaling in hydrology, Journal of Hydrology, 324, 239–254, 2006.

Εργασίες μας που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία:

1. D. Koutsoyiannis, H. Yao, and A. Georgakakos, Medium-range flow prediction for the Nile: a comparison of stochastic and deterministic methods, Hydrological Sciences Journal, 53 (1), 142–164, doi:10.1623/hysj.53.1.142, 2008.
2. Δ. Κουτσογιάννης, Παλιότερες και σύγχρονες υδρολογικές θεωρήσεις στο σχεδιασμό και τη διαχείριση των ταμιευτήρων, των φραγμάτων και των υδροηλεκτρικών εγκαταστάσεων (Προσκεκλημένη ομιλία), 1ο Πανελλήνιο Συνέδριο Μεγάλων Φραγμάτων, Λάρισα, doi:10.13140/RG.2.1.3213.5922, Ελληνική Επιτροπή Μεγάλων Φραγμάτων, Τεχνικό Επιμελητήριο Ελλάδας, 2008.
3. D. Koutsoyiannis, and A. Langousis, Precipitation, Treatise on Water Science, edited by P. Wilderer and S. Uhlenbrook, 2, 27–78, Academic Press, Oxford, 2011.
4. F. Lombardo, E. Volpi, and D. Koutsoyiannis, Rainfall downscaling in time: Theoretical and empirical comparison between multifractal and Hurst-Kolmogorov discrete random cascades, Hydrological Sciences Journal, 57 (6), 1052–1066, 2012.
5. A. Efstratiadis, Y. Dialynas, S. Kozanis, and D. Koutsoyiannis, A multivariate stochastic model for the generation of synthetic time series at multiple time scales reproducing long-term persistence, Environmental Modelling and Software, 62, 139–152, doi:10.1016/j.envsoft.2014.08.017, 2014.
6. D. Koutsoyiannis, Generic and parsimonious stochastic modelling for hydrology and beyond, Hydrological Sciences Journal, 61 (2), 225–244, doi:10.1080/02626667.2015.1016950, 2016.
7. P. Dimitriadis, and D. Koutsoyiannis, Stochastic synthesis approximating any process dependence and distribution, Stochastic Environmental Research & Risk Assessment, 32 (6), 1493–1515, doi:10.1007/s00477-018-1540-2, 2018.
8. I. Tsoukalas, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Building a puzzle to solve a riddle: A multi-scale disaggregation approach for multivariate stochastic processes with any marginal distribution and correlation structure, Journal of Hydrology, 575, 354–380, doi:10.1016/j.jhydrol.2019.05.017, 2019.

Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία: Δείτε τις στο Google Scholar ή στο ResearchGate

Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

1. Arganis-Juarez, M.L., D. Dominguez Mora Ramon, H.L. Cisneros-Iturbe and G.E. Fuentes-Mariles, Synthetic sample generation of monthly inflows into two dams using the modified Svanidze method, Hydrological Sciences Journal, 53(1), 130-141, 2008.
2. Khaliq, M.N., T.B.M.J. Ouarda, P. Gachon and L. Sushama, Temporal evolution of low-flow regimes in Canadian rivers, Water Resources Research, 44 (8), W08436, 2008.
3. #Coser, M. C., and A. S. F. Mendonça, Modelagem de séries de vazões sazonais apresentando dependência de longo termo, Simpósio Brasileiro de Recursos Hídricos, 19, Anais, Campo Grande: ABRH, 2009.
4. Salas, J. D., and T. Lee, Nonparametric simulation of single-site seasonal streamflows, Journal of Hydrologic Engineering, 15 (4), 284-296, 2010.
5. Srivastav, R. K., K. Srinivasan and K. P. Sudheer, Simulation-optimization framework for multi-season hybrid stochastic models, Journal of Hydrology, 404 (3-4), 209-225, 2011.
6. Langousis, A., and V. Kaleris, Theoretical framework to estimate spatial rainfall averages conditional on river discharges and point rainfall measurements from a single location: an application to western Greece, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 1241-1263, 10.5194/hess-17-1241-2013, 2013.
7. Yusof, F., I. L. Kane and Z. Yusop, Structural break or long memory: an empirical survey on daily rainfall data sets across Malaysia, Hydrol. Earth Syst. Sci., 17, 1311-1318, 2013.
8. #Müller, R., and N. Schütze, Improving the future performance and reliability of multi-reservoir systems by multi-objective optimization, IAHS-AISH Proceedings and Reports, 362, 24-32, 2013.
9. Ilich, N., An effective three-step algorithm for multi-site generation of stochastic weekly hydrological time series, Hydrological Sciences Journal, 59 (1), 85-98, 2014.
10. Panagoulia, D., and E. I. Vlahogianni, Non-linear dynamics and recurrence analysis of extreme precipitation for observed and general circulation model generated climates, Hydrological Processes, 28(4), 2281–2292, 2014.
11. Boudaghpour S., , M. Bagheri and Z. Bagheri, Using stochastic modeling techniques to predict the changes of total suspended solids and sediments in Lighvan Chai catchment area in Iran, Journal of River Engineering, 2 (1), 2014.
12. Srivastav, R., K. Srinivasan, and S. P. Sudheer, Simulation-optimization framework for multi-site multi-season hybrid stochastic streamflow modeling, Journal of Hydrology, doi:10.1016/j.jhydrol.2016.09.025, 2016.

Κατηγορίες: Δυναμική Hurst-Kolmogorov, Ομοιοθεσία, Στοχαστική, Εργασίες φοιτητών σε συνέδρια