<link rel="stylesheet" href="styles.f3b1fba60ec7970c.css">

Метод бустингу гетероскедастичних моделей для прогнозування концентрацій пилу Сахари в атмосферному повітрі України

Анотація

У статті представлено новий метод бустингу гетероскедастичних моделей та його прикладне застосування на прикладі прогнозування концентрацій пилу Сахари в атмосферному повітрі України. Останнім часом спостерігається підвищена частота переносу дрібнодисперсного пилу з пустелі Сахара через Середземне море на територію Європи, зокрема –в Україну. Це явище ускладнює прогнозування якості атмосферного повітря через руйнування усталених закономірностей забруднення, оскільки додаються нові чинники, які потребують спеціальних моделей для адекватного опису. Особливий метеорологічний режим поширення пилу Сахари дозволяє припустити, що дисперсія залишків моделі ARIMA може бути випадковим процесом і для її опису доцільно використовувати гетероскедастичні моделі, такі як GARCH. Проте, традиційні GARCH-моделі є ефективними лише за наявності одного домінуючого випадкового процесу. У разі додаваннядекількох таких процесів, традиційні моделі втрачають ефективність.У цій роботі запропоновано застосування бустингового підходу для побудови ансамблевих моделей, що, на відміну від наявного,включають кооперацію дерев рішень та гетероскедастичних моделей, для моделювання складних гетероскедастичних процесів. Запропонований метод, як це прийнято для бустингових моделей,ґрунтується на ітеративному процесі підбору моделей, де кожна наступна модель враховує похибки попередньої. Для перевірки ефективності методу використано дані громадського моніторингу атмосферного повітря EcoCity, зокрема дані по Вінницькійобласті за показником PM1, які вказують на періоди, коли концентрація дрібнодисперсного пилу Сахарив атмосферному повітрі області досягала особливо аномальних значень.Доведено, що процес поширення пилу Сахари уВінницькій областіє гетероскедастичним. Побудовано моделі SARIMAX та типові GARCH-моделі з використанням Python-бібліотек statsmodels та arch. Виявлено, що модель ARIMA демонструє, на диво кращі результати у порівнянні з класичними GARCH-моделями з різними параметрами, що свідчить про недостатню ефективність цих GARCH-моделей. Запропонований метод бустингових гетероскедастичних моделей дозволяє досягти значно більшої точності за усі ці моделі на усьому діапазоні значень, окрім значення найбільшої аномалії, яке передбачити неможливо. А отже, розроблений у статті метод прогнозування є ефективним підходом для розв`язання складних задач прогнозування, прикладом яких є прогнозування якості атмосферного повітря під час поширення пилу Сахари в Україні

Опис

Ключові слова

Мова

Бібліографічний опис

Копняк В. Є., Мокін В. Б., Жуков С. О., Варчук І. В., Скринник Т. В. Метод бустингу гетероскедастичних моделей для прогнозування концентрацій пилу Сахари в атмосферному повітрі України. Наукові праці ВНТУ. Електрон. текст. дані. 2024. Вип. 2. URI: https://praci.vntu.edu.ua/index.php/praci/article/view/733.

Схвалення

Рецензія

Доповнено

Цитується в

Список використаної літератури (12)

  1. The Copernicus Atmosphere Monitoring Service [Electronic resource]. Access mode : https://atmosphere.copernicus.eu/climate-atmosphere-podcast-understanding-impact-saharan-dust-storms.
  2. WorldView [Electronic resource]. Access mode : https://worldview.earthdata.nasa.gov
  3. The Saharan dust plume : Current knowledge on the impact on health, human activities, and the ecosystem, with comments on research gaps [Electronic resource] / Olaoluwa Omoniyi Olarewaju, Olufunke Omowumi Fajinmi, Theophilus Clavell Davies // Authorea Preprints. – 2023. – Access mode : https://d197for5662m48.cloudfront.net/documents/publicationstatus/131361/preprint_pdf/058d51d7471809a08d290dcf 8a5e0950.pdf. DOI:10.22541/essoar.167979167.72582095/v1
  4. Wang Q. The impact of Sahara dust on air quality and public health in European countries / Q. Wang, J. Gu, X. Wang // Atmospheric Environment. – November 2020. – Volume 241. – P. 117771. DOI : https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2020.117771.
  5. Knight J. Dust from the Central Sahara : Environmental and Cultural Impacts / J. Knight, S. Merlo, A. Zerboni // Landscapes and Landforms of the Central Sahara. World Geomorphological Landscapes. Springer, Cham, 2024. – P. 131 – 141. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-031-47160-5_14.
  6. How to Model Volatility with ARCH and GARCH for Time Series Forecasting in Python [Electronic resource] / Jason Brownlee // Machine Learning Mastery. Time Series. – 24 August 2018. – Access mode : https://machinelearningmastery.com/develop-arch-and-garch-models-for-time-series-forecasting-in-python
  7. Volatility Clustering and GARCH / Nicholas Holloway // Kaggle notebook. – 18 March 2019. – Access mode : https://www.kaggle.com/code/nholloway/volatility-clustering-and-garch
  8. Boosting GARCH and neural networks for the prediction of heteroskedastic time series / J. M. Matías, M. Febrero-Bande, W. González-Manteiga [et al.] // Mathematical and Computer Modelling. – 2010. – Volume 51, Issues 3 – 4. – P. 256 – 271. – DOI : https://doi.org/10.1016/j.mcm.2009.08.013
  9. Satellite images: Dust from the Sahara reached Ukraine [Electronic resource] / Access mode : https://universemagazine.com/en/satellite-images-dust-from-the-sahara-reached-ukraine/
  10. Why is Sahara dust blowing into Europe? [Electronic resource] / Access mode : https://www.dw.com/en/why-issahara-dust-blowing-into-europe/a-68927274.