Simulating realistic wet and dry spells is central in weather generators and climate-impact studies. While finite-order Markov chains are standard, they often fail to reproduce persistent dry conditions due to their inherent subexponential decay. We model rainfall occurrence by introducing a duration-augmented binary Markov chain. We establish a link with alternating renewal chains, enabling flexible parametric modelling of wet and dry spell duration distribution. We model those using two regime-adapted specifications from the general class of extended Generalized Pareto Distributions, yielding flexible tail behaviour across various climates. We use estimation methods adapted to each specification. Our model is applied to around 200 stations in the South of Europe spanning diverse Mediterranean and continental climates. We compare this framework to standard Markov models in characterising persistence and high-quantile extrapolation. The approach is generic, extending naturally to multi-state settings or other binary sequence applications in environmental statistics.


翻译:在天气生成器与气候影响研究中,模拟逼真的干湿期至关重要。尽管有限阶马尔可夫链是标准方法,但由于其固有的次指数衰减特性,常难以再现持续干旱条件。我们通过引入持续时间增强的二元马尔可夫链来模拟降雨发生事件。我们建立了该模型与交替更新链之间的联系,从而能够对干湿期持续时间分布进行灵活的参数化建模。基于广义帕累托分布的一般类别,我们采用两种适应不同状态的规格对持续时间建模,从而在不同气候条件下获得灵活的尾部行为。我们针对每种规格采用了相应的估计方法。该模型应用于南欧约200个覆盖地中海与大陆性气候的站点。我们将其与标准马尔可夫模型在持续性描述以及高分位数外推能力方面进行比较。该方法具有普适性,可自然扩展至多状态设定或环境统计中其他二元序列的应用场景。

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马尔可夫链,因安德烈·马尔可夫(A.A.Markov,1856-1922)得名,是指数学中具有马尔可夫性质的离散事件随机过程。该过程中,在给定当前知识或信息的情况下,过去(即当前以前的历史状态)对于预测将来(即当前以后的未来状态)是无关的。 在马尔可夫链的每一步,系统根据概率分布,可以从一个状态变到另一个状态,也可以保持当前状态。状态的改变叫做转移,与不同的状态改变相关的概率叫做转移概率。随机漫步就是马尔可夫链的例子。随机漫步中每一步的状态是在图形中的点,每一步可以移动到任何一个相邻的点,在这里移动到每一个点的概率都是相同的(无论之前漫步路径是如何的)。
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