Bivariate modelling of precipitation and temperature using a non-homogeneous hidden Markov model

Aiming to generate realistic synthetic times series of the bivariate process of daily mean temperature and precipitations, we introduce a non-homogeneous hidden Markov model. The non-homogeneity lies in periodic transition probabilities between the hidden states, and time-dependent emission distributions. This enables the model to account for the non-stationary behaviour of weather variables. By carefully choosing the emission distributions, it is also possible to model the dependance structure between the two variables. The model is applied to several weather stations in Europe with various climates, and we show that it is able to simulate realistic bivariate time series

Modélisation multivariée de variables météorologiques

Renewable energy production and electricity consumption both depend heavily on weather: temperature, precipitations, wind, solar radiation... Thus, making impact studies on the supply/demand equilibrium may require a weather generator, that is a model capable of quickly simulating long, realistic times series of weather variables, at the daily time step. To this aim, one of the possible approaches is using hidden Markov models : we assume that the evolution of the weather variables are governed by a latent variable that can be interpreted as a weather type. Using this approach, we propose a model able to simulate simultaneously temperature, wind speed and precipitations, accounting for the specific non-stationarities of weather variables. Besides, we study some theoretical properties of cyclo-stationary hidden Markov models : we provide simple conditions of identifiability and we show the strong consistency of the maximum likelihood estimator. We also show this property of the MLE for hidden Markov models including long-term polynomial trends.La production d'énergie renouvelable et la consommation d'électricité dépendent largement des conditions météorologiques : température, précipitations, vent, rayonnement solaire... Ainsi, pour réaliser des études d'impact sur l'équilibre offre-demande, on peut utiliser un générateur de temps, c'est-à-dire un modèle permettant de simuler rapidement de longues séries de variables météorologiques réalistes, au pas de temps journalier. L'une des approches possibles pour atteindre cet objectif utilise les modèles de Markov caché : l'évolution des variables à modéliser est supposée dépendre d'une variable latente que l'on peut interpréter comme un type de temps. En adoptant cette approche, nous proposons dans cette thèse un modèle permettant de simuler simultanément la température, la vitesse du vent et les précipitations, en tenant compte des non-stationnarités qui caractérisent les variables météorologiques. D'autre part, nous nous intéressons à certaines propriétés théoriques des modèles de Markov caché cyclo-stationnaires : nous donnons des conditions simples pour assurer leur identifiabilité et la consistance forte de l'estimateur du maximum de vraisemblance. On montre aussi cette propriété de l'EMV pour des modèles de Markov caché incluant des tendances de long terme sous forme polynomiale

Multivariate modelling of weather variables

La production d'énergie renouvelable et la consommation d'électricité dépendent largement des conditions météorologiques : température, précipitations, vent, rayonnement solaire... Ainsi, pour réaliser des études d'impact sur l'équilibre offre-demande, on peut utiliser un générateur de temps, c'est-à-dire un modèle permettant de simuler rapidement de longues séries de variables météorologiques réalistes, au pas de temps journalier. L'une des approches possibles pour atteindre cet objectif utilise les modèles de Markov caché : l'évolution des variables à modéliser est supposée dépendre d'une variable latente que l'on peut interpréter comme un type de temps. En adoptant cette approche, nous proposons dans cette thèse un modèle permettant de simuler simultanément la température, la vitesse du vent et les précipitations, en tenant compte des non-stationnarités qui caractérisent les variables météorologiques. D'autre part, nous nous intéressons à certaines propriétés théoriques des modèles de Markov caché cyclo-stationnaires : nous donnons des conditions simples pour assurer leur identifiabilité et la consistance forte de l'estimateur du maximum de vraisemblance. On montre aussi cette propriété de l'EMV pour des modèles de Markov caché incluant des tendances de long terme sous forme polynomiale.Renewable energy production and electricity consumption both depend heavily on weather: temperature, precipitations, wind, solar radiation... Thus, making impact studies on the supply/demand equilibrium may require a weather generator, that is a model capable of quickly simulating long, realistic times series of weather variables, at the daily time step. To this aim, one of the possible approaches is using hidden Markov models : we assume that the evolution of the weather variables are governed by a latent variable that can be interpreted as a weather type. Using this approach, we propose a model able to simulate simultaneously temperature, wind speed and precipitations, accounting for the specific non-stationarities of weather variables. Besides, we study some theoretical properties of cyclo-stationary hidden Markov models : we provide simple conditions of identifiability and we show the strong consistency of the maximum likelihood estimator. We also show this property of the MLE for hidden Markov models including long-term polynomial trends

Consistency of the maximum likelihood estimator in seasonal hidden Markov models

In this paper, we introduce a variant of hidden Markov models in which the transition probabilities between the states, as well as the emission distributions, are not constant in time but vary in a periodic manner. This class of models, that we will call seasonal hidden Markov models (SHMM) is particularly useful in practice, as many applications involve a seasonal behaviour. However, up to now, there is no theoretical result regarding this kind of model. We show that under mild assumptions, SHMM are identifiable: we can identify the transition matrices and the emission distributions from the joint distribution of the observations on a period, up to state labelling. We also give sufficient conditions for the strong consistency of the maximum likelihood estimator (MLE). These results are applied to simulated data, using the EM algorithm to compute the MLE. Finally, we show how SHMM can be used in real world applications by applying our model to precipitation data, with mixtures of exponential distributions as emission distributions

Histoire générale de l'Amérique depuis sa découverte : qui comprend l'histoire naturelle, ecclésiastique, militaire, morale & civile des contrées de cette grande partie du monde

Sign.: [ ]\p1\s, A-V\p12\s, X\p1\s.Texto con apostillas marginales.Antep.Viñeta y letra capital orlada

Histoire générale de l'Amérique depuis sa decouuerte : qui comprend l'histoire naturelle, ecclésiastique, militaire, morale & civile des contrées de cette grande partie du monde

Sign.: [ ]\p1\s, A-V\p12\s, X\p1\s.Texto con apostillas marginales.Antep.Viñeta y letra capital orlada

Histoire générale de l'Amérique depuis sa découuerte : qui comprend l'histoire naturelle, ecclésiastique, militaire, morale & civile des contrées de cette grande partie du monde

Sign.: [ ]\p1\s, A-V\p12\s, X\p1\s.Texto con apostillas marginales.Antep.Viñeta y letra capital orlada

Histoire générale de l'Amérique depuis sa découverte : qui comprend l'histoire naturelle, ecclésiastique, militaire, morale & civile des contrées de cette grande partie du monde

Sign.: A-Z\p12\s, 2A\p4\s.Texto con apostillas marginales y notas a pie de pág.Antep.Viñeta y letra capital orlada