Forschern am ARC Industrial Transformation Research Hub for Transforming Energy Infrastructure through Digital Engineering (TIDE) der University of Western Australia ist ein bedeutender mathematischer Durchbruch gelungen, der dazu beitragen könnte, die Meeresforschung und -technologie zu revolutionieren.
Der wissenschaftliche Mitarbeiter Dr. Lachlan Astfalck von der Fakultät für Physik, Mathematik und Informatik der UWA und sein Team entwickelten eine neue Methode zur Schätzung der spektralen Dichte, die langjährige Verzerrungen beseitigt und den Weg für genauere ozeanografische Studien ebnet.
Die Studie war veröffentlicht im Journal Biometriebekannt für seine Betonung origineller methodischer und theoretischer Beiträge von direktem oder potenziellem Anwendungswert.
„Das Verständnis des Ozeans ist für zahlreiche Bereiche von entscheidender Bedeutung, darunter Offshore-Ingenieurwesen, Klimabewertung und -modellierung, erneuerbare Technologien, Verteidigung und Transport“, sagte Dr. Astfalck.
„Unsere neue Methode ermöglicht es Forschern und Fachleuten aus der Industrie, Meerestechnologien mit größerer Zuverlässigkeit und Genauigkeit voranzutreiben.“
Die Schätzung der Spektraldichte ist eine mathematische Technik zur Messung des Energiebeitrags oszillierender Signale wie Wellen und Strömungen. Dabei wird ermittelt, welche Frequenzen die meiste Energie tragen.
„Traditionell ist der Welch-Schätzer aufgrund seiner Benutzerfreundlichkeit und der häufigen Zitierung die Methode der Wahl für diese Analyse. Allerdings birgt diese Methode ein inhärentes Risiko der Verzerrung, das die erwarteten Schätzungen auf Grundlage der Modellannahmen verzerren kann. Dieses Problem wird oft übersehen“, sagte Dr. Astfalck.
Das TIDE-Team entwickelte den entzerrten Welch-Schätzer, der nichtparametrisches statistisches Lernen nutzt, um diese Verzerrungen zu beseitigen.
„Unsere Methode verbessert die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Spektralberechnungen, ohne dass spezifische Annahmen über die Form oder Verteilung der Daten erforderlich sind. Das ist besonders nützlich beim Umgang mit komplexen Daten, die keinen bekannten analytischen Mustern folgen, wie etwa Binnengezeiten in ozeanischen Schelfregionen“, sagte Dr. Astfalck.
Die neue Methode wurde kürzlich in einem TIDE-Forschungsprojekt von Dr. Matt Rayson, Dozent an der Oceans Graduate School der UWA und TIDE-Mitarbeiter, angewendet, um komplexe nichtlineare Meeresprozesse zu untersuchen.
„Der Ozean ist schwer zu messen und zu verstehen und bei unserer Arbeit geht es darum, einige dieser Geheimnisse zu lüften“, sagte Dr. Rayson.
„Mithilfe der neuen Methode können wir die Prozesse im Ozean, Klimamodelle, Meeresströmungen und Sedimenttransport besser verstehen und sind damit der Entwicklung der nächsten Generation numerischer Ozeanmodelle einen Schritt näher gekommen.“
Mehr Informationen:
Lachlan C Astfalck et al, Debiasing Welch’s Methode zur Schätzung der spektralen Dichte, Biometrie (2024). DOI: 10.1093/biomet/asae033