Come trovare somiglianze tra le serie storiche?


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Nel seguente esempio ho una cornice di dati che consiste in una serie temporale di misurazioni della temperatura dell'acqua registrate a 5 profondità nell'oceano in cui ciascun valore in Tempcorrisponde alla data in DateTimee alla profondità in Depth.

set.seed(1)
Temp <- rnorm(43800,sd=20)
AirT <- rnorm(8760,sd=20)
Depth <- c(1:5)

DateTime = seq(from=as.POSIXct("2010-01-01 00:00"), 
           to=as.POSIXct("2010-12-31 23:00"), length=8760)
Time <- as.POSIXct(DateTime, format = "%Y-%m-%d %H:%M")

DatT <- data.frame(Temp)

## bind together
FinalDat <- cbind(DatT, Date = rep(Time,5))

FinalDat <- cbind(FinalDat, AirT = rep(AirT, 5),
                  Depth = rep(Depth, each = 8760),
                  Doy = as.numeric(format(Time,format = "%j")),
                  DecTime = rep(seq(1,366, length = 8760),5))

Da questo vorrei trovare la somiglianza tra la temperatura dell'aria ( AirT) e la temperatura dell'acqua a queste diverse profondità. Posso calcolare la correlazione tra la temperatura dell'aria e la temperatura dell'acqua per le diverse profondità, il che dimostra che la correlazione diminuisce con la profondità, tuttavia, sto cercando un metodo più sofisticato (oltre a ricevere un singolo valore per ogni serie temporale). Qualcuno può suggerire un metodo appropriato per raggiungere questo obiettivo?

Ecco una versione ridotta di my data.frame (FinalDat):

       Temp       Date     AirT Depth
1    3.4069 2011-01-01  6.52710   0.5
2    3.2165 2011-01-08  6.77050   0.5
3    3.5630 2011-01-15  6.61410   0.5
4    3.8027 2011-01-22 -2.94440   0.5
5    3.7328 2011-01-29 -2.92900   0.5
6    4.1008 2011-02-05 12.74800   0.5
7    5.1825 2011-02-12  8.91900   0.5
8    5.0460 2011-02-19  4.43910   0.5
9    5.6156 2011-02-26  8.58090   0.5
10   5.5237 2011-03-05  1.56630   0.5
11   5.5110 2011-03-12  7.94470   0.5
12   6.5645 2011-03-19 -0.25485   0.5
13   7.8872 2011-03-26  4.11280   0.5
14   8.9096 2011-04-02 12.88700   0.5
15  10.8740 2011-04-09  6.34800   0.5
16  10.9600 2011-04-16  9.44190   0.5
17  14.6930 2011-04-23 12.37300   0.5
18  15.1330 2011-04-30 11.40200   0.5
19  14.2740 2011-05-07 14.48400   0.5
20  14.5670 2011-05-14  5.68590   0.5
21  14.0330 2011-05-21  8.36570   0.5
22  13.3870 2011-05-28 11.03900   0.5
23  16.5560 2011-06-04 13.10300   0.5
24  16.4140 2011-06-11  7.56720   0.5
25  16.2590 2011-06-18 12.02400   0.5
26  16.5120 2011-06-25 11.43100   0.5
27  17.9290 2011-07-02  8.75940   0.5
28  18.7150 2011-07-09 13.06100   0.5
29  19.4970 2011-07-16 14.96000   0.5
30  17.7090 2011-07-23 10.06100   0.5
31  19.5090 2011-07-30 11.76200   0.5
32  20.4780 2011-08-06 12.56800   0.5
33  17.8850 2011-08-13 16.93200   0.5
34  17.7440 2011-08-20 14.82700   0.5
35  18.1400 2011-08-27 12.14800   0.5
36  17.0460 2011-09-03 17.19700   0.5
37  16.5960 2011-09-10 18.45800   0.5
38  15.6430 2011-09-17 13.07600   0.5
39  14.9960 2011-09-24 13.19300   0.5
40  16.9880 2011-10-01 20.17800   0.5
41  14.5380 2011-10-08 10.92600   0.5
42  14.3770 2011-10-15  9.64180   0.5
43  12.6210 2011-10-22 11.71200   0.5
44  11.7810 2011-10-29  7.32770   0.5
45  11.8270 2011-11-05 11.15600   0.5
46  10.9790 2011-11-12 11.30000   0.5
47  10.3410 2011-11-19 10.77100   0.5
48   9.6291 2011-11-26  6.81090   0.5
49   8.5466 2011-12-03  9.11540   0.5
50   7.1007 2011-12-10  3.52720   0.5
51   6.3081 2011-12-17  0.32245   0.5
52   6.1304 2011-12-24  5.40000   0.5
53   6.1974 2011-12-31 11.93100   0.5
54   3.2471 2011-01-07  0.44508   4.0
55   3.4851 2011-01-14  8.43040   4.0
56   3.8537 2011-01-21 -2.26530   4.0
57   3.8496 2011-01-28  1.33950   4.0
58   3.8461 2011-02-04 10.18700   4.0
59   4.7892 2011-02-11  6.91330   4.0
60   5.1160 2011-02-18  5.30300   4.0
61   5.4236 2011-02-25 10.40700   4.0
62   5.3190 2011-03-04  3.63990   4.0
63   5.5318 2011-03-11  5.49690   4.0
64   6.0956 2011-03-18  2.12060   4.0
65   6.7955 2011-03-25  5.66700   4.0
66   8.5056 2011-04-01 12.13400   4.0
67   9.8450 2011-04-08  6.11440   4.0
68  10.7220 2011-04-15  9.85800   4.0
69  11.3970 2011-04-22 11.39300   4.0
70  12.6660 2011-04-29  9.54510   4.0
71  13.6370 2011-05-06 12.99600   4.0
72  14.7530 2011-05-13  8.83800   4.0
73  13.8210 2011-05-20  8.81900   4.0
74  13.5120 2011-05-27 10.80500   4.0
75  14.2630 2011-06-03 11.08700   4.0
76  15.6330 2011-06-10  7.20970   4.0
77  15.5290 2011-06-17 10.11400   4.0
78  16.6340 2011-06-24 11.29400   4.0
79  17.4820 2011-07-01 11.43900   4.0
80  17.8620 2011-07-08 13.29700   4.0
81  18.8970 2011-07-15 11.61900   4.0
82  17.4720 2011-07-22 12.73800   4.0
83  17.8640 2011-07-29 14.95600   4.0
84  17.6610 2011-08-05 16.48600   4.0
85  17.4880 2011-08-12 16.06000   4.0
86  17.5980 2011-08-19 11.38900   4.0
87  17.8150 2011-08-26 10.69200   4.0
88  16.7470 2011-09-02 14.71100   4.0
89  16.0230 2011-09-09 14.09600   4.0
90  15.5350 2011-09-16 13.03500   4.0
91  15.0200 2011-09-23 11.81800   4.0
92  15.1200 2011-09-30 14.49800   4.0
93  15.0590 2011-10-07 10.76800   4.0
94  14.5790 2011-10-14 13.91800   4.0
95  12.7810 2011-10-21  8.84760   4.0
96  11.9060 2011-10-28  8.37600   4.0
97  11.7150 2011-11-04 12.57400   4.0
98  11.1170 2011-11-11 11.26200   4.0
99  10.3560 2011-11-18 11.11100   4.0
100  9.8484 2011-11-25 12.91700   4.0
101  8.7573 2011-12-02  2.43560   4.0
102  7.2890 2011-12-09  5.87070   4.0
103  6.4547 2011-12-16  2.31850   4.0
104  6.0336 2011-12-23 11.12900   4.0
105  6.2363 2011-12-30  4.78220   4.0
106  3.4241 2011-01-06  2.92880   6.0
107  3.4075 2011-01-13  9.59030   6.0
108  3.9650 2011-01-20 -1.45990   6.0
109  3.9061 2011-01-27  3.49050   6.0
110  3.8072 2011-02-03  6.15450   6.0
111  4.7597 2011-02-10  8.87270   6.0
112  4.9920 2011-02-17  4.61980   6.0
113  5.1485 2011-02-24  7.66730   6.0
114  5.4556 2011-03-03 -0.73976   6.0
115  5.4305 2011-03-10  9.08700   6.0
116  5.9204 2011-03-17  6.57230   6.0
117  6.4393 2011-03-24  4.21580   6.0
118  6.7361 2011-03-31  9.55530   6.0
119  8.9556 2011-04-07 10.24900   6.0
120 10.7240 2011-04-14  8.15550   6.0
121 10.4810 2011-04-21  9.75940   6.0
122 10.6310 2011-04-28  6.43770   6.0
123 13.2840 2011-05-05 10.70900   6.0
124 14.1380 2011-05-12  9.11810   6.0
125 13.7850 2011-05-19  8.26810   6.0
126 13.6800 2011-05-26 11.65000   6.0
127 13.8950 2011-06-02 13.10500   6.0
128 13.8530 2011-06-09 11.09500   6.0
129 14.6830 2011-06-16 12.63000   6.0
130 15.3570 2011-06-23 12.66100   6.0
131 15.5860 2011-06-30  9.57130   6.0
132 16.2190 2011-07-07 13.84300   6.0
133 16.1140 2011-07-14 10.93200   6.0
134 17.1240 2011-07-21 13.44100   6.0
135 17.2110 2011-07-28 13.41700   6.0
136 16.9800 2011-08-04 14.81500   6.0
137 17.4610 2011-08-11 16.33900   6.0
138 17.5690 2011-08-18 10.04300   6.0
139 17.3600 2011-08-25 11.87600   6.0
140 16.6180 2011-09-01 11.71000   6.0
141 16.1330 2011-09-08 11.84600   6.0
142 15.6770 2011-09-15 12.17800   6.0
143 15.1640 2011-09-22 11.90200   6.0
144 14.8160 2011-09-29 17.07200   6.0
145 15.0100 2011-10-06 13.21700   6.0
146 14.4410 2011-10-13 12.01300   6.0
147 13.0510 2011-10-20  3.75340   6.0
148 12.0580 2011-10-27  8.76700   6.0
149 11.6430 2011-11-03 13.96900   6.0
150 11.1400 2011-11-10 13.03200   6.0
151 10.5090 2011-11-17  8.26000   6.0
152  9.8690 2011-11-24 12.02100   6.0
153  8.9167 2011-12-01  9.64050   6.0
154  7.3953 2011-12-08  4.99180   6.0
155  6.5533 2011-12-15  3.73240   6.0
156  5.9886 2011-12-22 12.69300   6.0
157  6.3341 2011-12-29  7.12550   6.0
158  3.4249 2011-01-05  5.66070   8.0
159  3.4232 2011-01-12  4.42930   8.0
160  3.9632 2011-01-19  0.04384   8.0
161  3.9203 2011-01-26  5.33010   8.0
162  3.7569 2011-02-02  4.74030   8.0
163  4.6606 2011-02-09  6.48010   8.0
164  4.9632 2011-02-16  5.92770   8.0
165  4.9742 2011-02-23  7.15490   8.0
166  5.3302 2011-03-02  1.52250   8.0
167  5.3380 2011-03-09  6.46400   8.0
168  5.7341 2011-03-16  6.49500   8.0
169  6.1663 2011-03-23  4.01320   8.0
170  6.1420 2011-03-30 10.23300   8.0
171  7.1226 2011-04-06 12.10300   8.0
172  8.4905 2011-04-13  5.66120   8.0
173  8.7548 2011-04-20  7.94430   8.0
174  8.7160 2011-04-27  9.66080   8.0
175 10.1360 2011-05-04  5.13940   8.0
176  9.6597 2011-05-11 12.00800   8.0
177 12.8610 2011-05-18 13.42900   8.0
178 13.1300 2011-05-25  7.96200   8.0
179 13.6080 2011-06-01  8.94920   8.0
180 13.4880 2011-06-08 10.58700   8.0
181 13.6130 2011-06-15 14.82200   8.0
182 13.4320 2011-06-22 13.28300   8.0
183 13.3850 2011-06-29 10.09900   8.0
184 13.1230 2011-07-06 14.30500   8.0
185 13.2270 2011-07-13 13.44700   8.0
186 13.3370 2011-07-20 13.27900   8.0
187 13.4860 2011-07-27 16.17600   8.0
188 14.1970 2011-08-03 15.40500   8.0
189 14.0740 2011-08-10 11.20800   8.0
190 14.2160 2011-08-17 10.92000   8.0
191 14.7250 2011-08-24 13.57000   8.0
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400  5.8429 2011-08-27 12.14800  16.0
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594  5.5361 2011-05-17 12.02200  24.0
595  5.5549 2011-05-24  9.37830  24.0
596  5.5721 2011-05-31  7.85870  24.0
597  5.5697 2011-06-07  9.30420  24.0
598  5.5709 2011-06-14 10.07000  24.0
599  5.5695 2011-06-21 15.00500  24.0
600  5.5792 2011-06-28 13.74500  24.0
601  5.5783 2011-07-05 17.47700  24.0
602  5.5969 2011-07-12 15.32100  24.0
603  5.6055 2011-07-19 13.27000  24.0
604  5.6135 2011-07-26 11.90700  24.0
605  5.6078 2011-08-02 17.43300  24.0
606  5.6343 2011-08-09 13.26100  24.0
607  5.6386 2011-08-16 13.34400  24.0
608  5.6365 2011-08-23 16.62600  24.0
609  5.6493 2011-08-30 13.30700  24.0
610  5.6607 2011-09-06 14.72500  24.0
611  5.6561 2011-09-13 14.77800  24.0
612  5.6629 2011-09-20 15.70200  24.0
613  5.6921 2011-09-27 11.22700  24.0
614  5.6948 2011-10-04 13.29700  24.0
615  5.6826 2011-10-11 16.68600  24.0
616  5.7206 2011-10-18  7.88400  24.0
617  5.7105 2011-10-25 13.14200  24.0
618  5.6953 2011-11-01 13.24000  24.0
619  5.7325 2011-11-08 10.43400  24.0
620  5.7176 2011-11-15  9.17300  24.0
621  5.7275 2011-11-22  9.06990  24.0
622  5.7293 2011-11-29 12.74600  24.0
623  5.7733 2011-12-06  4.43310  24.0
624  6.7186 2011-12-13  9.05250  24.0
625  5.8346 2011-12-20  7.67070  24.0
626  5.9464 2011-12-27 10.47900  24.0

Risposte:


5

Quello che hai sono K (5) gruppi in cui hai una serie dipendente (temperatura dell'acqua) e una serie indipendente (temperatura dell'aria). Questo problema si chiama Analisi di serie temporali trasversali in pool. Costruire un modello di funzione di trasferimento (ARMAX) separato per ciascuno dei gruppi K. Identificare un modello comune (resistente ai valori anomali) che sarebbe appropriato. Stimare quel modello a livello globale usando tutti i dati e quindi eseguire un test F per testare l'ipotesi di un insieme comune di parametri. Dopo aver trovato un valore F statisticamente significativo, esaminare i coefficienti per determinare quali gruppi (di K) sono simili. La mia attuale ricerca è stata quella di sviluppare un test automatico per questo e lo abbiamo reso operativo in una versione beta corrente di AUTOBOX ( http://www.autobox.com). Sarei felice di dimostrarlo per te, per favore pubblica i tuoi dati. Dopo aver scoperto come AUTOBOX esegue questo test, potresti essere in grado di programmarlo da solo o almeno avere una "destinazione". Spero che sia di aiuto.

OSSERVAZIONI AGGIUNTIVE UTILIZZANDO I DATI DI KATE:

Ho preso i primi 4 gruppi (profondità di .5,4,6 e 8) e ho usato i primi 52 valori per costruire questa analisi di esempio. Di seguito sono riportati 4 grafici che raffigurano la Y (temperatura dell'acqua) e la X (temperatura dell'aria) nel tempo per le 4 profondità; profondità 1; inserisci qui la descrizione dell'immagine; profondità 2; inserisci qui la descrizione dell'immagine; profondità 3; inserisci qui la descrizione dell'immaginee profondità 4; inserisci qui la descrizione dell'immagine. Un'analisi della relazione interna tra Y e X ha prodotto un modello tipico della formainserisci qui la descrizione dell'immagine. Ho scelto di aggiungere un altro termine AR al rumore ai fini di un'espressione più generale. Tutti e quattro gli esempi sono significativamente influenzati da anomalie, quindi si potrebbe argomentare / suggerire che si dovrebbe continuare con una serie aggiustata per difetto o con una serie di lavaggi all'intervento, cioè "serie pulite". A scopo di presentazione qui non è stato fatto. Abbiamo ora proceduto alla stima del "modello tipico" per ciascuno dei 4 set di dati E per il composito. Questo ha ceduto inserisci qui la descrizione dell'immagine. Il test F è semplicemente il Chow Test per parametri costanti http://en.wikipedia.org/wiki/Chow_test che ha prodotto un significativo F. Il test Chow somma semplicemente l'errore sos di ciascuno dei 4 casi (ciascuno con 52 valori) e lo confronta con l'errore sos per il composito (valori 208). Spero che sia di aiuto.


Molte grazie per i suoi commenti. I miei dati sono stati aggiunti alla domanda sopra.
KatyB,

3

La "somiglianza" dipende dal problema. Da quello che scrivi, ho la sensazione che la stima degli spettri incrociati e la coerenza possano essere un buon modo di procedere, almeno se le tue serie sono stazionarie e abbastanza lunghe. Altre referenze che ho trovato utili e che potrebbero o meno essere rilevanti per il tuo problema sono:

Coke, Geoffrey e Tsao, Min (2010). Modelli di miscele ad effetti casuali per il raggruppamento di serie di carichi elettrici . Journal of Time Series Analysis 6: 451-464.

Warren Liao, T (2005). Raggruppamento dei dati delle serie storiche: un sondaggio . Pattern Recognition 11: 1857-1874.


1
Grazie per il montaggio! Non sapevo come formattare i riferimenti. Adesso sembra molto più bello.
F. Tusell,

0

Gli spettri incrociati sono solo la trasformata di Fourier della funzione di correlazione incrociata. La correlazione incrociata dovrebbe essere elevata al ritardo 0 e potrebbe diminuire all'aumentare della differenza temporale tra le serie. Questo dovrebbe essere fatto se entrambe le serie sono fisse. Se ci sono tendenze o variazioni stagionali della temperatura, è possibile adattare le tendenze temporali o le funzioni del coseno alle due serie e cercare somiglianze nei coefficienti del modello. Per le serie fisse lo stesso potrebbe essere fatto per i modelli ARMA montati. Le serie più adatte hanno gli stessi ordini peq? In tal caso, quanto sono vicine le stime dei parametri?


Non è ovvio per me che la correlazione incrociata dovrebbe essere elevata in ritardo 0 in questo caso particolare. Mi aspetto che la temperatura in acque profonde abbia una correlazione contemporanea molto bassa con la temperatura dell'aria, ad esempio, anche se le osservazioni settimanali sono medie. È possibile che le correlazioni con ritardi diversi da zero siano maggiori. Mi aspetto che la temperatura dell'aria conduca la temperatura dell'acqua per profondità relativamente basse alla scala temporale settimanale.
F. Tusell,

Il contenuto di calore dello strato superiore ben miscelato dell'acqua dovrebbe integrare il flusso di calore dall'atmosfera, che include il flusso di calore radiativo dal sole e il flusso di calore sensibile e latente con l'atmosfera. Quindi la relazione tra la temperatura dell'aria e dell'oceano potrebbe essere piuttosto complessa. Ho raccomandato di guardare attentamente le serie temporali per vedere ciò che il tuo occhio raccoglie prima di eseguire qualsiasi analisi statistica, e anche di leggere i flussi di calore aria-mare e lo strato misto dell'oceano. Meglio ancora, parla con qualcuno che ci lavora.
KAE
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