In the task of predicting spatio-temporal fields in environmental science using statistical methods, introducing statistical models inspired by the physics of the underlying phenomena that are numerically efficient is of growing interest. Large space-time datasets call for new numerical methods to efficiently process them. The Stochastic Partial Differential Equation (SPDE) approach has proven to be effective for the estimation and the prediction in a spatial context. We present here the advection-diffusion SPDE with first order derivative in time which defines a large class of nonseparable spatio-temporal models. A Gaussian Markov random field approximation of the solution to the SPDE is built by discretizing the temporal derivative with a finite difference method (implicit Euler) and by solving the spatial SPDE with a finite element method (continuous Galerkin) at each time step. The ''Streamline Diffusion'' stabilization technique is introduced when the advection term dominates the diffusion. Computationally efficient methods are proposed to estimate the parameters of the SPDE and to predict the spatio-temporal field by kriging, as well as to perform conditional simulations. The approach is applied to a solar radiation dataset. Its advantages and limitations are discussed.


翻译:时空数据集中流动和扩散的SPDE方法 研究摘要: 在利用统计方法预测环境科学中的时空场时,引入受基础现象物理启发的统计模型并具有数值效率越来越被重视。大型时空数据集需要新的数值方法来高效处理。随机偏微分方程(SPDE)方法在空间上已被证明对于预测和估计是有效的。我们在这里介绍一阶时间导数的流动扩散SPDE,它定义了一类非可分离时空模型。通过使用有限差分方法(隐式欧拉)离散时间导数,并在每个时间步中使用有限元方法(连续 Galerkin)解决空间 SPDE,构建了 SPDE 解的高斯马尔可夫随机场近似。当流动项占主导时,引入了“流线扩散”稳定化技术。提出了计算效率高的方法来估计 SPDE 的参数、通过克里格法进行时空域的预测,以及进行条件模拟。该方法应用于太阳辐射数据集。讨论了其优缺点。

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