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Tipo: Tese
Título: Bayesian networks and network science applied to water resources: streamflow analysis and forecast incorporating the non-stationarity
Autor(es): Rocha, Renan Vieira
Orientador: Souza Filho, Francisco de Assis de
Palavras-chave: Previsão de vazões;Detecção de ponto de mudança;Redes gaussianas;Redes bayesianas dinâmicas;Redes complexas;Ciência de redes;Baixa frequência
Data do documento: 2021
Citação: ROCHA, Renan Vieira. Bayesian Networks and network science applied to water resources: streamflow analysis andforecasting incorporating the non-stationarity. 2021. 174 f. Tese (Doutorado em Engenharia Civil: Recursos Hídricos) – Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Civil: Recursos Hídricos, Fortaleza, 2021.
Resumo: A violação da premissa de estacionariedade em séries temporais de vazão impõe o desenvolvimento de metodologias para (1) identificar a existência de mudanças nas séries e sua localização, (2) incorporar esse aspecto na modelagem e previsão de vazões e (3) analisar a extensão do impacto da não-estacionariedade. Esses aspectos foram analisados utilizando como estudo de caso as vazões naturalizados do setor elétrico brasileiro. O problema de detecção de mudanças nas propriedades estatísticas das séries de vazão é uma lacuna da literatura atual com preocupações acerca da confiabilidade dos resultados das diferentes metodologias disponíveis. Três metodologias foram utilizadas para detectar mudanças na média, utilizando a convergência das metodologias para analisar a confiabilidade dos resultados. Essa abordagem demonstrou um grande potencial, visto que as diferentes metodologias apresentaram uma alta taxa de convergência para o ponto de mudança correto e uma taxa menor para os pontos incorretos. As mudanças detectadas coincidiram com mudanças de fase de oscilações de baixa frequência dos oceanos Atlântico e Pacífico, podendo ser associadas a seus impactos na Zona de Convergência do Atlântico Sul. Uma primeira tentativa de incorporar essa não-estacionariedade foi realizada utilizando Redes Bayesianas Gaussianas (GBN), incluindo nas redes variáveis discretas representando as diferentes fases de oscilações de baixa frequência, permitindo diferentes parâmetros de rede de acordo com as fases. O foco em Redes Bayesianas derivou de artigos recentes que apontaram as Redes Bayesianas como uma ferramenta promissora em estudos hidroclimáticos, simultaneamente fornecendo bons resultados para modelagem e possibilitando uma descoberta causal através da análise da estrutura da rede. Os resultados demonstraram um grande potencial da GBN para prever vazões com um a oito meses de antecedência. Os resultados também revelaram uma boa performance da previsão de vazão via Inferência Bayesiana (Likelihood Weighting simulations). O uso das fases resultou na melhoria da performance para algumas estações, porém, não resultou em uma melhora para as estações que apresentaram mudança nas séries, indicando modificações significativas entre as estruturas de rede de cada período homogêneo. Esse aspecto foi analisado obtendo uma estrutura de rede para cada período homogêneo via diferentes metodologias. Os resultados corroboraram a suposição inicial, indicando profundas diferenças entre as estruturas de rede de cada período homogêneo, com alterações nas relações entre as variáveis e nas suas funções de autocorrelação. Portanto, a utilização do mesmo conjunto de parents para a série completa pode não compreender a extensão das alterações observadas. Finalmente, o impacto da nãoestacionariedade na relação entre as séries de vazão foi analisado, este aspecto é importante na geração de previsões espacialmente correlacionadas. Uma metodologia para obtenção de redes complexas ponderadas entre as estações foi proposta, utilizando a teoria da ciência de redes para detectar e analisar mudanças nos resultados de agrupamento. Foram observadas mudanças nos agrupamentos ao longo do tempo demonstrando a necessidade de uma abordagem mais complexa para correlacionar corretamente as previsões. A utilização de uma matriz de correlação para cada fase homogênea pode ser uma solução viável visto que foram encontradas semelhanças entre as mudanças no valor médio e na relação entre as séries.
Abstract: The violation of the stationarity assumption in streamflow timeseries requires the development of methodologies to (1) identify the existence of changes in the series and its location, (2) incorporate this aspect in the streamflow modelling and forecasting framework and (3) analyze the full extension regarding its impact. Naturalized streamflow of the Brazilian electricity sector was used as a case study to analyze these aspects. The problem of detecting changes in the statistical properties of streamflow series is currently an open question with concerns regarding the reliability of the results of the different methodologies available. Three methodologies were used to detect changes in the mean value and the change point reliability was assessed evaluating the convergence among them. This approach showed great potential since the different methodologies presented a high convergence rate for the correct change point and a lower convergence rate for the incorrect points. The changes detected coincided to phase shift of low frequency oscillations of the Atlantic and Pacific oceans and its impact in the South Atlantic Convergence Zone. A first attempt to incorporate this non-stationarity was made using Gaussian Bayesian Networks (GBN). Discrete variables representing the different phases of low frequency oscillations were included in the networks, allowing different network parameters according to the phases. The focus on Bayesian Networks relies in recent articles that indicated Bayesian Networks as a promising tool in hydroclimate studies, simultaneously providing good modelling results and allowing causal discovery through the analysis of the network structure. The results demonstrated a great potential of the GBN to forecast streamflow with lead times from one to eight months. The results also unveiled a good streamflow forecasting potential via Bayesian Inference based on Likelihood Weighting simulations. The use of the phases resulted in the performance improvement for some stations, however, it did not improve the results of the stations that presented changes in the timeseries, suggesting significant changes between the network structures of each homogeneous periods. Network structures were obtained through different methodologies for each homogeneous period to analyze this aspect. The results confirmed the initial hypothesis, showing significant differences between the network structures of each homogeneous periods, with alterations in the relationship between the variables and in its autocorrelation function. Therefore, the use of the same set of parents for the complete series may not comprise the extension of the changes observed. Finally, an analysis was made to evaluate the non-stationarity impact in the relationship between the streamflow series, this aspect is important in the generation of spatially coherent streamflow forecasts. A framework was proposed to obtain weighted complex networks between the stations, using network science theory to detect and analyze changes in the clustering results. The results showed significant changes in the clustering results across time, demonstrating the necessity of a more complex approach to correct correlate the streamflow forecasts. The use of a correlation matrix for each homogeneous phase could be a viable solution since similarities were found between the changes in the mean value and in the relationship between the stations.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/59102
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