Dynamic Factor Models and Forecasting Finnish Macroeconomic Variables

In recent years, thanks to developments in information technology, large-dimensional datasets have been increasingly available. Researchers now have access to thousands of economic series and the information contained in them can be used to create accurate forecasts and to test economic theories. To exploit this large amount of information, researchers and policymakers need an appropriate econometric model.Usual time series models, vector autoregression for example, cannot incorporate more than a few variables. There are two ways to solve this problem: use variable selection procedures or gather the information contained in the series to create an index model. This thesis focuses on one of the most widespread index model, the dynamic factor model (the theory behind this model, based on previous literature, is the core of the first part of this study), and its use in forecasting Finnish macroeconomic indicators (which is the focus of the second part of the thesis). In particular, I forecast economic activity indicators (e.g. GDP) and price indicators (e.g. consumer price index), from 3 large Finnish datasets. The first dataset contains a large series of aggregated data obtained from the Statistics Finland database. The second dataset is composed by economic indicators from Bank of Finland. The last dataset is formed by disaggregated data from Statistic Finland, which I call micro dataset. The forecasts are computed following a two steps procedure: in the first step I estimate a set of common factors from the original dataset. The second step consists in formulating forecasting equations including the factors extracted previously. The predictions are evaluated using relative mean squared forecast error, where the benchmark model is a univariate autoregressive model. The results are dataset-dependent. The forecasts based on factor models are very accurate for the first dataset (the Statistics Finland one), while they are considerably worse for the Bank of Finland dataset. The forecasts derived from the micro dataset are still good, but less accurate than the ones obtained in the first case. This work leads to multiple research developments. The results here obtained can be replicated for longer datasets. The non-aggregated data can be represented in an even more disaggregated form (firm level). Finally, the use of the micro data, one of the major contributions of this thesis, can be useful in the imputation of missing values and the creation of flash estimates of macroeconomic indicator (nowcasting).

A Dynamic Factor Approach to Mortality Modelling

Longevity risk has become one of the major risks facing the insurance and pensions markets globally. The trade in longevity risk is underpinned by accurate forecasting of mortality rates. Using techniques from macroeconomic forecasting, we propose a dynamic factor model of mortality that fits and forecasts mortality rates parsimoniously.We compare the forecasting quality of this model and of existing models and find that the dynamic factor model generally provides superior forecasts when applied to international mortality data. We also show that existing multifactorial models have superior fit but their forecasting performance worsens as more factors are added. The dynamic factor approach used here can potentially be further improved upon by applying an appropriate stopping rule for the number of static and dynamic factors. 

Dynamic fator Models for bivariate Count Data: an application to fire activity

The study of forest re activity, in its several aspects, is essencial to understand the phenomenon and to prevent environmental public catastrophes. In this context the analysis of monthly number of res along several years is one aspect to have into account in order to better comprehend this tematic. The goal of this work is to analyze the monthly number of forest res in the neighboring districts of Aveiro and Coimbra, Portugal, through dynamic factor models for bivariate count series. We use a bayesian approach, through MCMC methods, to estimate the model parameters as well as to estimate the common latent factor to both series.

Factor models, VARMA processes and parameter instability with applications in macroeconomics

Avec les avancements de la technologie de l'information, les données temporelles économiques et financières sont de plus en plus disponibles. Par contre, si les techniques standard de l'analyse des séries temporelles sont utilisées, une grande quantité d'information est accompagnée du problème de dimensionnalité. Puisque la majorité des séries d'intérêt sont hautement corrélées, leur dimension peut être réduite en utilisant l'analyse factorielle. Cette technique est de plus en plus populaire en sciences économiques depuis les années 90. Étant donnée la disponibilité des données et des avancements computationnels, plusieurs nouvelles questions se posent. Quels sont les effets et la transmission des chocs structurels dans un environnement riche en données? Est-ce que l'information contenue dans un grand ensemble d'indicateurs économiques peut aider à mieux identifier les chocs de politique monétaire, à l'égard des problèmes rencontrés dans les applications utilisant des modèles standards? Peut-on identifier les chocs financiers et mesurer leurs effets sur l'économie réelle? Peut-on améliorer la méthode factorielle existante et y incorporer une autre technique de réduction de dimension comme l'analyse VARMA? Est-ce que cela produit de meilleures prévisions des grands agrégats macroéconomiques et aide au niveau de l'analyse par fonctions de réponse impulsionnelles? Finalement, est-ce qu'on peut appliquer l'analyse factorielle au niveau des paramètres aléatoires? Par exemple, est-ce qu'il existe seulement un petit nombre de sources de l'instabilité temporelle des coefficients dans les modèles macroéconomiques empiriques? Ma thèse, en utilisant l'analyse factorielle structurelle et la modélisation VARMA, répond à ces questions à travers cinq articles. Les deux premiers chapitres étudient les effets des chocs monétaire et financier dans un environnement riche en données. Le troisième article propose une nouvelle méthode en combinant les modèles à facteurs et VARMA. Cette approche est appliquée dans le quatrième article pour mesurer les effets des chocs de crédit au Canada. La contribution du dernier chapitre est d'imposer la structure à facteurs sur les paramètres variant dans le temps et de montrer qu'il existe un petit nombre de sources de cette instabilité. Le premier article analyse la transmission de la politique monétaire au Canada en utilisant le modèle vectoriel autorégressif augmenté par facteurs (FAVAR). Les études antérieures basées sur les modèles VAR ont trouvé plusieurs anomalies empiriques suite à un choc de la politique monétaire. Nous estimons le modèle FAVAR en utilisant un grand nombre de séries macroéconomiques mensuelles et trimestrielles. Nous trouvons que l'information contenue dans les facteurs est importante pour bien identifier la transmission de la politique monétaire et elle aide à corriger les anomalies empiriques standards. Finalement, le cadre d'analyse FAVAR permet d'obtenir les fonctions de réponse impulsionnelles pour tous les indicateurs dans l'ensemble de données, produisant ainsi l'analyse la plus complète à ce jour des effets de la politique monétaire au Canada. Motivée par la dernière crise économique, la recherche sur le rôle du secteur financier a repris de l'importance. Dans le deuxième article nous examinons les effets et la propagation des chocs de crédit sur l'économie réelle en utilisant un grand ensemble d'indicateurs économiques et financiers dans le cadre d'un modèle à facteurs structurel. Nous trouvons qu'un choc de crédit augmente immédiatement les diffusions de crédit (credit spreads), diminue la valeur des bons de Trésor et cause une récession. Ces chocs ont un effet important sur des mesures d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et financiers. Contrairement aux autres études, notre procédure d'identification du choc structurel ne requiert pas de restrictions temporelles entre facteurs financiers et macroéconomiques. De plus, elle donne une interprétation des facteurs sans restreindre l'estimation de ceux-ci. Dans le troisième article nous étudions la relation entre les représentations VARMA et factorielle des processus vectoriels stochastiques, et proposons une nouvelle classe de modèles VARMA augmentés par facteurs (FAVARMA). Notre point de départ est de constater qu'en général les séries multivariées et facteurs associés ne peuvent simultanément suivre un processus VAR d'ordre fini. Nous montrons que le processus dynamique des facteurs, extraits comme combinaison linéaire des variables observées, est en général un VARMA et non pas un VAR comme c'est supposé ailleurs dans la littérature. Deuxièmement, nous montrons que même si les facteurs suivent un VAR d'ordre fini, cela implique une représentation VARMA pour les séries observées. Alors, nous proposons le cadre d'analyse FAVARMA combinant ces deux méthodes de réduction du nombre de paramètres. Le modèle est appliqué dans deux exercices de prévision en utilisant des données américaines et canadiennes de Boivin, Giannoni et Stevanovic (2010, 2009) respectivement. Les résultats montrent que la partie VARMA aide à mieux prévoir les importants agrégats macroéconomiques relativement aux modèles standards. Finalement, nous estimons les effets de choc monétaire en utilisant les données et le schéma d'identification de Bernanke, Boivin et Eliasz (2005). Notre modèle FAVARMA(2,1) avec six facteurs donne les résultats cohérents et précis des effets et de la transmission monétaire aux États-Unis. Contrairement au modèle FAVAR employé dans l'étude ultérieure où 510 coefficients VAR devaient être estimés, nous produisons les résultats semblables avec seulement 84 paramètres du processus dynamique des facteurs. L'objectif du quatrième article est d'identifier et mesurer les effets des chocs de crédit au Canada dans un environnement riche en données et en utilisant le modèle FAVARMA structurel. Dans le cadre théorique de l'accélérateur financier développé par Bernanke, Gertler et Gilchrist (1999), nous approximons la prime de financement extérieur par les credit spreads. D'un côté, nous trouvons qu'une augmentation non-anticipée de la prime de financement extérieur aux États-Unis génère une récession significative et persistante au Canada, accompagnée d'une hausse immédiate des credit spreads et taux d'intérêt canadiens. La composante commune semble capturer les dimensions importantes des fluctuations cycliques de l'économie canadienne. L'analyse par décomposition de la variance révèle que ce choc de crédit a un effet important sur différents secteurs d'activité réelle, indices de prix, indicateurs avancés et credit spreads. De l'autre côté, une hausse inattendue de la prime canadienne de financement extérieur ne cause pas d'effet significatif au Canada. Nous montrons que les effets des chocs de crédit au Canada sont essentiellement causés par les conditions globales, approximées ici par le marché américain. Finalement, étant donnée la procédure d'identification des chocs structurels, nous trouvons des facteurs interprétables économiquement. Le comportement des agents et de l'environnement économiques peut varier à travers le temps (ex. changements de stratégies de la politique monétaire, volatilité de chocs) induisant de l'instabilité des paramètres dans les modèles en forme réduite. Les modèles à paramètres variant dans le temps (TVP) standards supposent traditionnellement les processus stochastiques indépendants pour tous les TVPs. Dans cet article nous montrons que le nombre de sources de variabilité temporelle des coefficients est probablement très petit, et nous produisons la première évidence empirique connue dans les modèles macroéconomiques empiriques. L'approche Factor-TVP, proposée dans Stevanovic (2010), est appliquée dans le cadre d'un modèle VAR standard avec coefficients aléatoires (TVP-VAR). Nous trouvons qu'un seul facteur explique la majorité de la variabilité des coefficients VAR, tandis que les paramètres de la volatilité des chocs varient d'une façon indépendante. Le facteur commun est positivement corrélé avec le taux de chômage. La même analyse est faite avec les données incluant la récente crise financière. La procédure suggère maintenant deux facteurs et le comportement des coefficients présente un changement important depuis 2007. Finalement, la méthode est appliquée à un modèle TVP-FAVAR. Nous trouvons que seulement 5 facteurs dynamiques gouvernent l'instabilité temporelle dans presque 700 coefficients.

A dynamic factor model for mid-term forecasting of wind power generation

The main objective of this paper is the development and application of multivariate time series models for forecasting aggregated wind power production in a country or region. Nowadays, in Spain, Denmark or Germany there is an increasing penetration of this kind of renewable energy, somehow to reduce energy dependence on the exterior, but always linked with the increaseand uncertainty affecting the prices of fossil fuels. The disposal of accurate predictions of wind power generation is a crucial task both for the System Operator as well as for all the agents of the Market. However, the vast majority of works rarely onsider forecasting horizons longer than 48 hours, although they are of interest for the system planning and operation. In this paper we use Dynamic Factor Analysis, adapting and modifying it conveniently, to reach our aim: the computation of accurate forecasts for the aggregated wind power production in a country for a forecasting horizon as long as possible, particularly up to 60 days (2 months). We illustrate this methodology and the results obtained for real data in the leading country in wind power production: Denmark

Human seat modelling using inverse dynamic musculoskeletal models

In this work a biomechanical model is used for simulation of muscle forces necessary to maintain the posture in a car seat under different support conditions.

Mechanism based emulation of dynamic simulation models : concept and application in hydrology

Many model-based investigation techniques, such as sensitivity analysis, optimization, and statistical inference, require a large number of model evaluations to be performed at different input and/or parameter values. This limits the application of these techniques to models that can be implemented in computationally efficient computer codes. Emulators, by providing efficient interpolation between outputs of deterministic simulation models, can considerably extend the field of applicability of such computationally demanding techniques. So far, the dominant techniques for developing emulators have been priors in the form of Gaussian stochastic processes (GASP) that were conditioned with a design data set of inputs and corresponding model outputs. In the context of dynamic models, this approach has two essential disadvantages: (i) these emulators do not consider our knowledge of the structure of the model, and (ii) they run into numerical difficulties if there are a large number of closely spaced input points as is often the case in the time dimension of dynamic models. To address both of these problems, a new concept of developing emulators for dynamic models is proposed. This concept is based on a prior that combines a simplified linear state space model of the temporal evolution of the dynamic model with Gaussian stochastic processes for the innovation terms as functions of model parameters and/or inputs. These innovation terms are intended to correct the error of the linear model at each output step. Conditioning this prior to the design data set is done by Kalman smoothing. This leads to an efficient emulator that, due to the consideration of our knowledge about dominant mechanisms built into the simulation model, can be expected to outperform purely statistical emulators at least in cases in which the design data set is small. The feasibility and potential difficulties of the proposed approach are demonstrated by the application to a simple hydrological model.

Non-exponentiality in electron transfer kinetics: Static versus dynamic disorder models

Non-exponential electron transfer kinetics in complex systems are often analyzed in terms of a quenched, static disorder model. In this work we present an alternative analysis in terms of a simple dynamic disorder model where the solvent is characterized by highly non-exponential dynamics. We consider both low and high barrier reactions. For the former, the main result is a simple analytical expression for the survival probability of the reactant. In this case, electron transfer, in the long time, is controlled by the solvent polarization relaxation-in agreement with the analyses of Rips and Jortner and of Nadler and Marcus. The short time dynamics is also non-exponential, but for different reasons. The high barrier reactions, on the other hand, show an interesting dynamic dependence on the electronic coupling element, V-el.

Equilibrium in dynamic economic models

The main theme running through these three chapters is that economic agents are often forced to respond to events that are not a direct result of their actions or other agents actions. The optimal response to these shocks will necessarily depend on agents' understanding of how these shocks arise. The economic environment in the first two chapters is analogous to the classic chain store game. In this setting, the addition of unintended trembles by the agents creates an environment better suited to reputation building. The third chapter considers the competitive equilibrium price dynamics in an overlapping generations environment when there are supply and demand shocks.

The first chapter is a game theoretic investigation of a reputation building game. A sequential equilibrium model, called the "error prone agents" model, is developed. In this model, agents believe that all actions are potentially subjected to an error process. Inclusion of this belief into the equilibrium calculation provides for a richer class of reputation building possibilities than when perfect implementation is assumed.

In the second chapter, maximum likelihood estimation is employed to test the consistency of this new model and other models with data from experiments run by other researchers that served as the basis for prominent papers in this field. The alternate models considered are essentially modifications to the standard sequential equilibrium. While some models perform quite well in that the nature of the modification seems to explain deviations from the sequential equilibrium quite well, the degree to which these modifications must be applied shows no consistency across different experimental designs.

The third chapter is a study of price dynamics in an overlapping generations model. It establishes the existence of a unique perfect-foresight competitive equilibrium price path in a pure exchange economy with a finite time horizon when there are arbitrarily many shocks to supply or demand. One main reason for the interest in this equilibrium is that overlapping generations environments are very fruitful for the study of price dynamics, especially in experimental settings. The perfect foresight assumption is an important place to start when examining these environments because it will produce the ex post socially efficient allocation of goods. This characteristic makes this a natural baseline to which other models of price dynamics could be compared.

Structural dynamic eutrophication models

This article discusses problems of modelling the seasonal succession of algal species in lakes and reservoirs, and the adaptive selection of certain groups of algae in response to changes in the inputs and relative concentrations of nutrients and other environmental variables. A new generation of quantitative models is being developed which attempts to translate some important biological properties of species (survival, variation, inheritance, reproductive rates and population growth) into predictions about the survival of the fittest, where ”fitness” is measured or estimated in thermodynamic terms. The concept of ”exergy” and its calculation is explored to examine maximal exergy as a measure of fitness in ecosystems, and its use for calculating changes in species composition by means of structural dynamic models. These models accomodate short-term changes in parameters that affect the adaptive responses (species selection) of algae.

Nonparametric Bayesian sparse factor models with application to gene expression modeling

A nonparametric Bayesian extension of Factor Analysis (FA) is proposed where observed data $\mathbf{Y}$ is modeled as a linear superposition, $\mathbf{G}$, of a potentially infinite number of hidden factors, $\mathbf{X}$. The Indian Buffet Process (IBP) is used as a prior on $\mathbf{G}$ to incorporate sparsity and to allow the number of latent features to be inferred. The model's utility for modeling gene expression data is investigated using randomly generated data sets based on a known sparse connectivity matrix for E. Coli, and on three biological data sets of increasing complexity.

Dynamic Covariance Models for Multivariate Financial Time Series

The accurate prediction of time-changing covariances is an important problem in the modeling of multivariate financial data. However, some of the most popular models suffer from a) overfitting problems and multiple local optima, b) failure to capture shifts in market conditions and c) large computational costs. To address these problems we introduce a novel dynamic model for time-changing covariances. Over-fitting and local optima are avoided by following a Bayesian approach instead of computing point estimates. Changes in market conditions are captured by assuming a diffusion process in parameter values, and finally computationally efficient and scalable inference is performed using particle filters. Experiments with financial data show excellent performance of the proposed method with respect to current standard models.