[论文解读] Adjacent-category models for ordinal time series and their application to climate-dependent spruce budworm defoliation dynamics

Olaloudé Judicaël Franck Osse, Zinsou Max Debaly+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2023

Fire effects on ecosystemsEnvironmental Science被引用 3

一句话总结

本文提出了一种相邻类别自回归（ACAR）模型，用于分析东部加拿大气候驱动的云杉芽虫脱叶现象，基于树木年轮数据研究有序时间序列。模型显示，夏季气温范围低于22.7–21.8°C时脱叶减少，而春季气温范围高于32.5°C时脱叶增加，且不同地点的自回归动态显著不同。

ABSTRACT

This work proposes an adjacent-category autoregressive model for time series of ordinal variables. We apply this model to dendrochronological records to study the effect of climate on the intensity of spruce budworm defoliation during outbreaks in two sites in eastern Canada. The model's parameters are estimated using the maximum likelihood approach. We show that this estimator is consistent and asymptotically Gaussian distributed. We also propose a Portemanteau test for goodness-of-fit. Our study shows that the seasonal ranges of maximum daily temperatures in the spring and summer have a significant quadratic effect on defoliation. The study reveals that for both regions, a greater range of summer daily maximum temperatures is associated with lower levels of defoliation up to a threshold estimated at 22.7C (CI of 0-39.7C at 95%) in Témiscamingue and 21.8C (CI of 0-54.2C at 95%) for Matawinie. For Matawinie, a greater range in spring daily maximum temperatures increased defoliation, up to a threshold of 32.5C (CI of 0-80.0C). We also present a statistical test to compare the autoregressive parameter values between different fits of the model, which allows us to detect changes in the defoliation dynamics between the study sites in terms of their respective autoregression structures.

研究动机与目标

• 开发一种新型观测驱动的自回归模型，用于有序分类时间序列，填补此类数据统计方法的空白。
• 利用树木年轮记录，分析气候变量（特别是季节性气温范围）对云杉芽虫脱叶强度的影响。
• 通过自回归参数的统计检验，比较东部加拿大两个北方森林地点的脱叶动态。
• 提供拟合优度检验以及ACAR模型参数在不同地点间相等性的检验。
• 通过模型中的二次效应，实现对影响脱叶水平气候阈值的推断。

提出的方法

• 提出一种相邻类别自回归（ACAR）模型，将有序结果的累积优势比与包含过去响应值和协变量的线性预测器相联系。
• 使用相邻类别之间的对数优势比作为链接函数，通过条件最大似然法估计参数。
• 应用Truquet（2020）提出的扰动与耦合方法，建立估计量的渐近性质：一致性和渐近正态性。
• 基于残差自相关性，提出一种类似Portemanteau的模型适配性检验，其在原假设下具有缩放卡方渐近分布。
• 引入一种统计检验方法，用于比较两个拟合ACAR模型之间的自回归参数结构，实现地点间的动态比较。
• 在线性预测器中引入外生气候变量（如季节性最高气温范围）作为协变量，并加入二次项，以检测阈值效应。

Figure 1 : Location of study sites in southern Québec and overview of the boreal ecoregions.

实验结果

研究问题

• RQ1 春季和夏季日最高气温的季节性范围如何影响云杉芽虫脱叶的强度？
• RQ2 气温范围超过何种阈值水平时，脱叶水平会发生显著变化？
• RQ3 东部加拿大两个北方森林地点的脱叶自回归动态有何不同？
• RQ4 ACAR模型是否能有效且适切地表征具有气候协变量的有序脱叶时间序列？
• RQ5 统计检验能否检测到不同地点间自回归结构的显著差异，从而表明爆发动态的分化？

主要发现

• 在蒂米斯卡明格，夏季日最高气温范围越大，脱叶水平越低，阈值为22.7 °C（95%置信区间：0–39.7 °C）。
• 在马托瓦尼，夏季日最高气温范围越大，脱叶水平也越低，阈值为21.8 °C（95%置信区间：0–54.2 °C）。
• 在马托瓦尼，春季日最高气温范围越大，脱叶水平越高，阈值为32.5 °C（95%置信区间：0–80.0 °C）。
• 春季气温对脱叶的负面影响可能源于温度对寄生蜂的抑制作用，其在高于20 °C时有效性降低。
• ACAR模型在两个地点间显示出显著不同的自回归参数结构，表明脱叶动态存在差异。
• 模型的拟合优度检验和参数比较检验在真实生态数据中有效检测到结构差异和模型适配性。

Figure 2 : The life cycle of spruce budworm