Published February 15, 2021 | Version v1
Publication Open

Application of Lévy processes in modelling (geodetic) time series with mixed spectra

  • 1. Physikalisch-Meteorologisches Observatorium Davos
  • 2. University of Beira Interior
  • 3. East China Jiaotong University
  • 4. China University of Mining and Technology
  • 5. Chinese Academy of Sciences
  • 6. Institute of Geodesy and Geophysics
  • 7. University of Chinese Academy of Sciences

Description

Abstract. Recently, various models have been developed, including the fractional Brownian motion (fBm), to analyse the stochastic properties of geodetic time series together with the estimated geophysical signals. The noise spectrum of these time series is generally modelled as a mixed spectrum, with a sum of white and coloured noise. Here, we are interested in modelling the residual time series after deterministically subtracting geophysical signals from the observations. This residual time series is then assumed to be a sum of three stochastic processes, including the family of Lévy processes. The introduction of a third stochastic term models the remaining residual signals and other correlated processes. Via simulations and real time series, we identify three classes of Lévy processes, namely Gaussian, fractional and stable. In the first case, residuals are predominantly constituted of short-memory processes. The fractional Lévy process can be an alternative model to the fBm in the presence of long-term correlations and self-similarity properties. The stable process is here restrained to the special case of infinite variance, which can be only satisfied in the case of heavy-tailed distributions in the application to geodetic time series. Therefore, the model implies potential anxiety in the functional model selection, where missing geophysical information can generate such residual time series.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

الملخص. في الآونة الأخيرة، تم تطوير نماذج مختلفة، بما في ذلك الحركة البراونية الجزئية (fBm)، لتحليل الخصائص العشوائية للسلاسل الزمنية الجيوديسية جنبًا إلى جنب مع الإشارات الجيوفيزيائية المقدرة. يتم نمذجة طيف الضوضاء لهذه السلاسل الزمنية بشكل عام على أنه طيف مختلط، مع مجموعة من الضوضاء البيضاء والملونة. هنا، نحن مهتمون بنمذجة السلسلة الزمنية المتبقية بعد طرح الإشارات الجيوفيزيائية بشكل حتمي من الملاحظات. ثم يُفترض أن هذه السلسلة الزمنية المتبقية هي مجموع ثلاث عمليات عشوائية، بما في ذلك عائلة عمليات ليفي. يؤدي إدخال مصطلح عشوائي ثالث إلى نمذجة الإشارات المتبقية والعمليات الأخرى المرتبطة بها. من خلال عمليات المحاكاة وسلسلة الوقت الحقيقي، نحدد ثلاث فئات من عمليات ليفي، وهي جاوسية وكسرية ومستقرة. في الحالة الأولى، تتكون المخلفات في الغالب من عمليات الذاكرة القصيرة. يمكن أن تكون عملية ليفي الجزئية نموذجًا بديلاً لـ fBm في وجود ارتباطات طويلة الأجل وخصائص التشابه الذاتي. العملية المستقرة مقيدة هنا بالحالة الخاصة للتباين اللانهائي، والتي لا يمكن تلبيتها إلا في حالة التوزيعات الثقيلة الذيل في التطبيق على السلاسل الزمنية الجيوديسية. لذلك، يشير النموذج إلى القلق المحتمل في اختيار النموذج الوظيفي، حيث يمكن للمعلومات الجيوفيزيائية المفقودة أن تولد مثل هذه السلسلة الزمنية المتبقية.

Translated Description (French)

Résumé. Récemment, divers modèles ont été développés, y compris le mouvement brownien fractionnaire (fBm), pour analyser les propriétés stochastiques des séries temporelles géodésiques ainsi que les signaux géophysiques estimés. Le spectre de bruit de ces séries temporelles est généralement modélisé comme un spectre mixte, avec une somme de bruit blanc et coloré. Ici, nous nous intéressons à la modélisation de la série temporelle résiduelle après avoir soustrait de manière déterministe les signaux géophysiques des observations. Cette série temporelle résiduelle est alors supposée être une somme de trois processus stochastiques, y compris la famille des processus de Lévy. L'introduction d'un troisième terme stochastique modélise les signaux résiduels restants et d'autres processus corrélés. Grâce à des simulations et des séries temporelles réelles, nous identifions trois classes de processus de Lévy, à savoir gaussien, fractionnaire et stable. Dans le premier cas, les résidus sont principalement constitués de processus à courte durée de vie. Le processus de Lévy fractionnaire peut être un modèle alternatif à la fBm en présence de corrélations à long terme et de propriétés d'auto-similarité. Le processus stable est ici limité au cas particulier de la variance infinie, qui ne peut être satisfaite que dans le cas des distributions à queue lourde dans l'application aux séries temporelles géodésiques. Par conséquent, le modèle implique une anxiété potentielle dans la sélection du modèle fonctionnel, où les informations géophysiques manquantes peuvent générer de telles séries temporelles résiduelles.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Recientemente, se han desarrollado varios modelos, incluido el movimiento browniano fraccional (fBm), para analizar las propiedades estocásticas de las series temporales geodésicas junto con las señales geofísicas estimadas. El espectro de ruido de estas series temporales generalmente se modela como un espectro mixto, con una suma de ruido blanco y de color. Aquí, estamos interesados en modelar las series temporales residuales después de restar determinísticamente las señales geofísicas de los resultados. Esta serie temporal residual se supone que es una suma de tres procesos estocásticos, incluida la familia de procesos de Lévy. La introducción de un tercer término estocástico modela las señales residuales restantes y otros procesos correlacionados. A través de simulaciones y series en tiempo real, identificamos tres clases de procesos de Lévy, a saber, gaussianos, fraccionarios y estables. En el primer caso, los residuos están constituidos predominantemente por procesos de memoria corta. El proceso fraccional de Lévy puede ser un modelo alternativo a la fBm en presencia de correlaciones a largo plazo y propiedades de autosimilitud. El proceso estable se restringe aquí al caso especial de varianza infinita, que solo puede satisfacerse en el caso de distribuciones de cola pesada en la aplicación a series temporales geodésicas. Por lo tanto, el modelo implica una ansiedad potencial en la selección del modelo funcional, donde la falta de información geofísica puede generar tales series de tiempo residuales.

Files

npg-28-121-2021.pdf.pdf

Files (1.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:d80521238da2a3f8591550ad4705ff10
1.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تطبيق عمليات ليفي في نمذجة السلاسل الزمنية (الجيوديسية) بأطياف مختلطة
Translated title (French)
Application des procédés de Lévy à la modélisation de séries temporelles (géodésiques) à spectres mixtes
Translated title (Spanish)
Aplicación de procesos de Lévy en series temporales de modelado (geodésicas) con espectros mixtos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2981468698
DOI
10.5194/npg-28-121-2021

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1614710511
  • https://openalex.org/W1963528266
  • https://openalex.org/W1973429805
  • https://openalex.org/W1974273861
  • https://openalex.org/W1974797828
  • https://openalex.org/W1997722977
  • https://openalex.org/W2019407941
  • https://openalex.org/W2028149684
  • https://openalex.org/W2031753087
  • https://openalex.org/W2032737146
  • https://openalex.org/W2038689382
  • https://openalex.org/W2043313437
  • https://openalex.org/W2053541908
  • https://openalex.org/W2055781590
  • https://openalex.org/W2066577158
  • https://openalex.org/W2069313706
  • https://openalex.org/W2070629067
  • https://openalex.org/W2074699568
  • https://openalex.org/W2081327240
  • https://openalex.org/W2148381347
  • https://openalex.org/W2165704207
  • https://openalex.org/W2293536138
  • https://openalex.org/W2515553151
  • https://openalex.org/W2529276544
  • https://openalex.org/W2533297223
  • https://openalex.org/W2567030586
  • https://openalex.org/W2585151438
  • https://openalex.org/W2612022290
  • https://openalex.org/W2769025865
  • https://openalex.org/W2905161963
  • https://openalex.org/W3096981473
  • https://openalex.org/W3177416308
  • https://openalex.org/W4241217784
  • https://openalex.org/W4248313735
  • https://openalex.org/W623115998