ATD: Collaborative Research: A Geostatistical Framework for Spatiotemporal Extremes

ATD:协作研究:时空极值的地统计框架

基本信息

  • 批准号:
    2220529
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 15万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2023-07-01 至 2026-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Extreme weather events such as heat waves, drought, and intense precipitation can cause drastic losses and disruptions to the U.S. economy and natural systems. There is abundant evidence that the frequency and magnitude of such extremes are increasing, making it critical to better understand the spatiotemporal distributions of the extreme events and to develop efficient statistical tools to model the spatiotemporal trends and the associated uncertainties. In this research the investigators will develop a systematic, statistical approach to study certain new and challenging directions in extremes of random fields with applications in statistics, geography, geographic information science (GIScience) and climate sciences. Random fields are playing increasingly important roles in statistics and geosciences, due to their extensive applications as spatiotemporal models, where many problems involve dependent data at spatial and temporal locations.The project will also provide research training to students. Specifically, the investigators will develop methods to obtain the exact probability distributions of peak heights for smooth Gaussian and related non-Gaussian random fields such as chi-squared, t and F fields. For the nonstationary case, since the peak height distribution varies at different locations, a new concept on regional peak height distribution will be investigated. The investigators will also study the spatial distribution of peaks, which characterizes the probability to observe peaks in certain domains. This will provide valuable methods to estimate and predict the chances of extreme events in specific regions. The developed peak height distributions will be employed in multiple testing of local maxima (particularly in computing p-values) for detecting peaks for signals embedding in nonstationary Gaussian noises or non-Gaussian noises. Moreover, the investigators will extend the proposed methods for structural change detections of linear models by investigating the links between change points and peaks. The project developments will be evaluated in domain applications with national priority: characterizing and modeling of extreme heat events and land surface changes. This proposed research will integrate interdisciplinary tools from probability, statistics, geometry and GIScience to develop desired theoretical results and statistical methods, and will create synergy with related disciplines such as climate sciences, environmental sciences and social sciences.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
热浪、干旱和强降水等极端天气事件可能会给美国经济和自然系统造成巨大损失和破坏。有大量证据表明,此类极端事件的频率和强度正在增加,因此更好地了解极端事件的时空分布并开发有效的统计工具来模拟时空趋势和相关的不确定性至关重要。在这项研究中,研究人员将开发一种系统的统计方法来研究极端随机场中某些新的和具有挑战性的方向,并应用于统计、地理学、地理信息科学(GIScience)和气候科学。随机场在统计和地球科学中发挥着越来越重要的作用,因为它们作为时空模型的广泛应用,其中许多问题涉及空间和时间位置的相关数据。该项目还将为学生提供研究培训。具体来说,研究人员将开发方法来获得平滑高斯和相关非高斯随机场(例如卡方、t 和 F 场)峰值高度的精确概率分布。对于非平稳情况,由于不同位置的峰高分布不同,因此将研究区域峰高分布的新概念。研究人员还将研究峰值的空间分布,它表征了在某些域中观察到峰值的概率。这将为估计和预测特定地区极端事件的可能性提供有价值的方法。开发的峰值高度分布将用于局部最大值的多次测试(特别是计算 p 值),以检测嵌入非平稳高斯噪声或非高斯噪声中的信号的峰值。此外,研究人员将通过研究变化点和峰值之间的联系来扩展线性模型结构变化检测的提议方法。该项目的开发将在国家优先事项的领域应用中进行评估:极端高温事件和地表变化的特征和建模。这项拟议的研究将整合概率、统计学、几何和地理信息科学的跨学科工具,以开发所需的理论结果和统计方法,并将与气候科学、环境科学和社会科学等相关学科产生协同作用。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并具有通过使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准进行评估,被认为值得支持。

项目成果

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