Fast and Scalable Inference for Spatial Extreme Value Models
The generalized extreme value (GEV) distribution is a popular model for analyzing and forecasting extreme weather data. To increase prediction accuracy, spatial information is often pooled via a latent Gaussian process (GP) on the GEV parameters. Inference for GEV-GP models is typically carried out using Markov chain Monte Carlo (MCMC), or approximately via methods such as the integrated nested Laplace approximation (INLA). However, MCMC becomes prohibitively slow as the number of spatial locations increases, whereas INLA is only applicable in practice to a limited subset of GEV-GP models. Here we revisit the original Laplace approximation GEV-GP models. In combination with a sparsity-inducing basis expansion, we show through simulations that our approach accurately estimates the Bayesian predictive distribution of extreme weather events, is scalable to thousands of spatial locations, and is orders of magnitude faster than MCMC. A case study on extreme snowfall in Canada is presented.
Inférence rapide et évolutive pour les modèles de valeurs extrêmes spatiales
La distribution des valeurs extrêmes généralisées (GEV) est un modèle couramment utilisé pour analyser et prévoir les données météorologiques extrêmes. Afin d'améliorer la précision des prévisions, les informations spatiales sont souvent regroupées à l'aide d'un processus gaussien latent (GP) appliqué aux paramètres GEV. L'inférence pour les modèles GEV-GP s'effectue généralement via la méthode de Monte Carlo par chaînes de Markov (MCMC), ou de manière approximative via des méthodes telles que l'approximation de Laplace intégrée et imbriquée (INLA). Cependant, la méthode MCMC ralentit de manière prohibitive à mesure que le nombre de localisations spatiales augmente, tandis que l'INLA n'est applicable en pratique qu'à un sous-ensemble limité de modèles GEV-GP. Nous revisitons ici les modèles GEV-GP d'approximation de Laplace originaux. En combinaison avec une expansion en bases induisant la parcimonie, nous montrons par des simulations que notre approche estime avec précision la distribution prédictive bayésienne des événements météorologiques extrêmes, qu'elle est évolutive sur des milliers d'emplacements spatiaux et qu'elle est d'un ordre de grandeur plus rapide que la méthode MCMC. Nous concluons par une étude de cas sur les chutes de neige extrêmes au Canada.
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