Distribution pada Kasus Identifikasi
Perubahan Iklim di Sentra Produksi Padi
Jawa Timur
Dosen Pembimbing :
Dr. Sutikno, S.Si.,M.Si.
Oleh :
Yustika Desi Wulan Sari
Pendahuluan
Tinjauan Pustaka
Metodologi Penelitian
Analisis dan Pembahasan
Kesimpulan
Daftar Pustaka
Latar Belakang
Sektor
pertanian
Jawa
Timur
Kontributor
terhadap
PDRB
15,39%
Berbagai
jenis
komoditas
Produksi
padi
30,74%
(Jawa)
16,09%
(nasional)
Padi
Jagung
10.576.543 ton
1.926.796 ha
(BPS , 2012)
Jember, 813.514 ton
Banyuwangi, 695.962 ton
Bojonegoro, 675.697 ton
2011Latar Belakang
Produksi Padi
Iklim
ekstrim
Extreme
Value
Theory
Distribusi
antar
periode
besar parameter
distribusi EVT
nya
Block Maxima
Peaks Over Threshold
Rahayu (2011)
Identifikasi perubahan iklim dengan mengestimasi parameter GEV
menggunakan MLE dan PWM
Kysely & Beranova (2009)
Simulasi curah hujan Ceko dengan meningkatkan nilai threshold untuk
mengestimasi multi year return level jumlah curah hujan
Rumusan Masalah
Bagaimana mengestimasi parameter Generalized
Pareto Distribution menggunakan Maximum
Likelihood Estimation (MLE) ?
Bagaimana karakteristik curah hujan Kabupaten
Banyuwangi, Bojonegoro, Jember, Lamongan dan
Ngawi?
Bagaimana mengidentifikasi perubahan iklim di
masing-masing kabupaten menggunakan metode
EVT-POT?
Tujuan Penelitian
Mendapatkan estimator parameter Generalized Pareto
Distribution menggunakan MLE.
Mengetahui karakteristik curah hujan di Kabupaten
Banyuwangi, Bojonegoro, Jember, Lamongan, dan
Ngawi.
Mengidentifikasi perubahan iklim di masing-masing
kabupaten menggunakan metode POT.
Manfaat Penelitian
Memberikan informasi kepada masyarakat mengenai perubahan iklim pada
curah hujan ekstrim
Memberikan informasi kepada Badan Litbang pertanian untuk merancang
kalender tanam sebagai upaya meminimalisir kerugian produksi panen
Batasan Penelitian
Data curah hujan harian tahun 1981-2010 untuk Kabupaten Banyuwangi,
Bojonegoro, Lamongan, Jember dan Ngawi
Metode yang digunakan adalah Peaks Over Threshold (POT)
Parameter iklim yang digunakan adalah curah hujan
Extreme Value Theory
Kejadian ekstrim adalah fenomena yang susah diprediksi waktu kejadiannya.
Contohnya banjir, badai, polusi udara, dan korosi (Kotz & Nadrajah, 2000)
Block Maxima(BM) berdistribusi Generalized Extreme Value (GEV)
Peaks Over Threshold (POT) berdistribusi Generalized Pareto
Distribution (GPD)
Block Maxima
Data ekstrim yang diambil menggunakan metode Block Maxima akan mengikuti distribusi
Generalized Extreme Value (Prang, 2006)
Probability Density Function (PDF) dari GEV :
Dimana :
= parameter bentuk = parameter lokasi
= parameter skala
ξ
σ
GEV
Tipe 1 (Distribusi Gumbel) jika
Tipe 2 (Distribusi Frechet) jika
0 =
ξ
0 >ξ
µ
= − − − − ≠ − + − − + = − − − 0 , exp exp exp 1 0 , 1 exp 1 1 ) ( 1 1 1 ξ σ µ σ µ σ ξ σ µ ξ σ µ ξ σ ξ ξ x x x x x fPeaks Over Threshold
Data ekstrim yang diambil menggunakan metode POTakan mengikuti distribusi Generalized
Pareto Distribution.
Probability Density Function (PDF) dari GEV :
Dimana :
= parameter bentuk
= parameter skala
ξ
σ
GPD
Tipe 1 (Distribusi Eksponensial ) jika
Tipe 2 (Distribusi Pareto ) jika
0 =
ξ
0 >ξ
=
−
≠
+
=
− −0
,
exp
1
0
,
1
1
)
(
1 1ξ
σ
σ
ξ
σ
ξ
σ
ξx
x
x
f
Metode Persentase
Metode persentase yaitu metode yang digunakan untuk mendapatkan data ekstrim
melalui 10% data kelebihan
(Chaves-Dermoulin & Embrechts, 2002)
1.
• Mengurutkan data dari yang terbesar hingga ke terkecil
2.
• Menghitung jumlah data ekstrim (k)
• k = 10% x n , n=jumlah sampel data
3.
• Menentukan threshold (u)
• u = k+1
Maximum Likelihood Estimation
MLE merupakan salah satu metode estimasi yang memaksimumkan fungsi
likelihood untuk mendapatkan estimasi parameternya.
persamaan fungsi likelihood sebagai berikut.
(
)
∏
= = = n i i n n f x f x f x f x x x x L 1 2 1 2 1, ,..., ( ) ( )... ( ) ( , , ) | ,σ ξ σ ξdimaksimumkan
persamaan fungsi ln likelihood sebagai berikut.
(
)
∏
= = n i i n f x x x x L 1 2 1, ,..., ln ( , , ) | , lnξ
σ
ξ
σ
Metode Newton Raphson
Salah satu metode yang digunakan untuk menyelesaikan persamaan yang
tidak closed form.
g(
θ) adalah vektor turunan pertama dari fungsi ln likelihood
H(
θ) adalah matriks turunan kedua dari fungsi ln likelihood
Iterasi berhenti jika
( ) ( )
l
l
l
l
θ
g
θ
H
θ
θ
1
1
−
+
=
−
ε
θ
θ
+−
|
<
|
l 1 lConfidence Interval 90%
Parameter bentuk
dimana
)
(
.
)
(
.
/2 2 / ∧ ∧ ∧ ∧+
≤
≤
−
ξ
ξ
ξ
ξ
ξ
Z
αSE
Z
αSE
ξ
( )
ξ
ˆ
=
var
( )
ξ
ˆ
SE
( )
(
)
∂
∂
−
=
−1 2 2;
,
ln
ˆ
var
ξ
σ
ξ
ξ
E
L
x
Uji Kesesuaian Distribusi
Hipotesis
• H
0: F
n(x) = F
0(x) (data telah mengikuti distribusi teoritis F
0(x))
• H
1: F
n(x) ≠ F
0(x) (data tidak mengikuti distribusi teoritis F
0(x))
Statistik Uji
Kesimpulan
• Tolak H
0apabila D
hitung> D
α|
)
(
)
(
|
sup
F
x
F
0
x
D
hitung
=
n
−
Menurut Daniel (1989) , uji Kolmogorov-Smirnov dilakukan untuk menyesuaikan
distribusi empiris F
n(x) dengan distribusi teoritis tertentu F
0(x)
Curah Hujan & Perubahan Iklim
Pola
Hujan
Monsun
Pola
Hujan
Lokal
Curah hujan adalah jumlah air yang jatuh ke permukaan tanah datar selama periode
tertentu.
Pola
Hujan
Equitorial
Iklim adalah bentuk statistika deskriptif dari rata-rata dan varians dari jumlah yang
relevan selama periode tertentu (WMO,2012)
angin
Hujan
Temperatur
Penelitian Terdahulu
Prang
(2006)
Menduga nilai curah hujan ekstrim di Bogor menggunakan
metode Maximum Likelihood dan Least Square
Wahyudi
(2011)
Membandingkan dua pendekatan yaitu BM dan POT untuk
kasus curah hujan di Ngawi.
Metode POT memberikan hasil yang lebih sesuai daripadi BM
Rahayu
(2011)
Mengestimasi parameter GEV pada kasus curah hujan di
Jakarta menggunakan MLE dan PWM.
Penelitian Terdahulu
Tanaka
(2002)
Pemilihan nilai threshold dalam analisis POT untuk kasus banjir
di jepang dengan membandingkan enam indikasi pengaruh yang
menyebabkan perubahan jumlah ekstrim dalam analisis
Fowler &
Kilsby
(2003)
Menentukan kurva pertumbuhan GEV dengan menggunakan
data frekuensi standar regional curah hujan di UK
Begueria &
Vicente-Serrano
(2005)
Menggunakan metode POT dengan regresi spatial untuk
pemetaan bahaya curah hujan ekstrim di Spanyol
Villarini,
Smith,
Ntelekkos,
& Schwarz
Curah hujan di Austria menggunakan Annual Maximum dan POT untuk
menentukan curah hujan ekstrim non stationer, hubungan curah hujan
Sumber Data
Data sekunder dari Badan Meteorologi Klimatologi dan
Geofisika (BMKG)
Tahun 1981-2010
5 Kabupaten
Banyuwangi
Pos Maelang
Bojonegoro
Pos Cawak
Jember
Pos Ajung
Lamongan
Pos Sukodadi
Ngawi
Pos Mantingan
Variabel Penelitian
Musim Hujan
Desember Januari Februari
(DJF)
Musim Transisi
Hujan-Kemarau
Maret April Mei (MAM)
Musim Kemarau
Juni Juli Agustus (JJA)
Musim Transisi
Kemarau-Hujan
September Oktober November
(SON)
Metode Analisis Data
Melakukan estimasi parameter menggunakan MLE
• Mengambil n sampel random
• Membuat fungsi likelihood dari pdf
• Memaksimumkan fungsi likelihood dengan menbuat ln dari
fungsi likelihood
• Mendapatkan persamaan turunan pertama dari fungsi ln
likelihood terhadap parameter-parameternya
• Nilai estimasi didapatkan apabila persamaan turunan pertama
membentuk persamaan closed form
Metode Analisis Data
Melakukan estimasi parameter menggunakan Newton Raphson
• Membuat matriks g(
θ) yang berisi turunan pertama fungsi ln
likelihood
• Mendapatkan turunan kedua dari fungsi ln likelihood
terhadap masing-masing parameternya
• Membuat matriks Hessian dimana diagonal utamanya berisi
turunan kedua dari fungsi ln likelihood
• Melakukan iterasi hingga menemukan
θ
1,
θ
2,... Yang
konvergen
Metode Analisis Data
Mengetahui karakteristik sebaran curah hujan di masing-masing kabupaten
• Membuat pola curah hujan di masing-masing
kabupaten
• Membuat histogram data curah hujan harian
untuk mengetahui adanya indikasi ekor
gemuk
• Membuat heavy tail plot curah hujan
ekstrim untuk mengetahui adanya indikasi
ekor gemuk.
Metode Analisis Data
Mengidentifikasi perubahan iklim di masing-masing kabupaten menggunakan POT
• Data curah hujan dibagi menjadi 4 triwulan yaitu DJF, MAM, JJA, dan SON di masing-masing
kabupaten
• Disetiap triwulan dibagi menjadi 2 periode yaitu periode 1 (1981-1990) dan periode 2
(1991-2000)
• Pengambilan data ekstrim dengan menentukan nilai threshod menggunakan metode persentase
10%
• Menghitung estimasi parameter bentuk dan parameter skala
• Menentukan confidence interval 90% untuk parameter bentuk
• Melakukan uji kesesuaian distribusi menggunakan uji Kolmogorov-Smirnov
Estimasi Parameter
Fungsi likelihood dari probability density function GPD untuk
ξ
≠
0
(
)
+ − = −∏
+
=
1 1 1 2 1,
,...,
1
|
,
ξ
σ
ξ
σ
σ
ξ
n i i n nx
x
x
x
L
(
)
∑
=
+
+
−
−
=
n i i nx
n
x
x
x
L
1 2 11
ln
1
1
ln
,...,
,
|
,
ln
σ
ξ
ξ
σ
σ
ξ
Fungsi ln likelihood
Turunan pertama terhadap parameter
( )
+
+
+
−
=
∂
∂
∑
= − n i i ix
x
n
L
1 1ˆ
ˆ
ˆ
1
ˆ
ln
ξ
σ
ξ
σ
σ
(
)
∑
∑
= =
+
+
−
+
=
∂
∂
n i i i i n ix
x
x
L
1 1 2ˆ
ˆ
1
ˆ
1
ˆ
ˆ
1
ln
ˆ
1
ln
ξ
σ
ξ
σ
ξ
ξ
ξ
Estimasi Parameter
(
)
∑
∑
= =+
+
+
=
=
∂
∂
n i i i i n ix
x
x
L
1 1ˆ
ˆ
)
ˆ
1
(
ˆ
ˆ
1
ln
ˆ
0
ln
ξ
σ
ξ
σ
ξ
ξ
ξ
(
)
2 1ˆ
ˆ
1
ˆ
0
ln
n
x
n
n i i∑
=−
+
=
=
∂
∂
ξ
ξ
σ
σ
Tidak Closed form, karena terdapat parameter di dalam
Persamaan akhirnya.
Newton Raphson
( )
∂
∂
∂
∂
=
σ
L
ξ
L
ln
ln
θ
g
( )
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
∂
=
2 2 2 2 2 2ln
ln
ln
ln
σ
σ
ξ
σ
ξ
ξ
L
L
L
L
θ
H
Berisi turunan pertama fungsi ln likelihood
Berisi turunan kedua fungsi ln likelihood
(
)
+ + + + − + = ∂ ∂∑
∑
∑
= = = − n i i i n i i n i i i x x x x x L 1 2 2 1 1 3 2 2 1 1 1 ln 2 ln ξ σ ξ σ ξ ξ σ ξ ξ ξ(
)
(
)
(
)
+
+
+
−
=
∂
∂
∑
= − n i i i ix
x
x
n
L
1 2 2 2 22
1
ln
ξ
σ
ξ
σ
ξ
σ
σ
(
)
(
)
− + = ∂∑
−∑
− n xi n xi L 1 1 2 1 lnξ
ξ
σ
Newton Raphson
Iterasi pertama
merupakan vektor yang elemennya berisi dan .
didekati dengan standar deviasi data ekstrim.
Berhenti jika
( )
1
( )
0
0
0
1
θ
g
θ
H
θ
θ
=
−
−
0ˆ
ξ
σ
ˆ
0 0ˆ
σ
0θ
∑
∑
∑
= = =−
−
=
n i i n i i n i ix
n
x
x
s
n
1 1 1 2ˆ
0ξ
ε
<
−
+
||
||
θ
l
1
θ
l
Estimasi Parameter
Fungsi likelihood dari probability density function GPD untuk
ξ
=
0
Fungsi ln likelihood
Turunan pertama terhadap parameter
(
)
−∑ =−
=
in i xe
x
x
x
L
σ
|
1
,
2
,...,
n
σ
n
1σ(
)
∑
=−
−
=
n i i nn
x
x
x
x
L
1 2 11
ln
,...,
,
|
ln
σ
σ
σ
∑
=+
−
=
∂
∂
n i ix
n
L
1 21
ln
σ
σ
σ
x
L
n i=
∂
∂
∑
0
ln
σ
Statistika Deskriptif
Kabupaten
Rata-Rata
(mm/hari)
St.Dev
Min
(mm/hari)
Maks
(mm/hari)
Banyuwangi
4,314
12,685
0
213
Bojonegoro
4,320
12,456
0
165
Jember
6,144
14,343
0
157
Lamongan
4,225
11,384
0
140
Ngawi
5,847
14,846
0
221
Pola Curah Hujan
12 9 6 3 0 Dese mber Nove mber Okto ber Sept embe r Agus tus Juli Juni Mei Apri l Mare t Febr uari Janu ari 8 6 4 2 0 Dese mbe r Nove mbe r Okto ber Sept embe r Agus tus Juli Juni Mei Apri l Mare t Febr uari Janu ari 12 9 6 3 0 Dese mber Nove mber Oktob er Septe mber Agus tus Juli Juni Mei April Mare t Febr uari Janu ari 8 6 4 2 0 10,0 7,5 5,0 2,5 0,0 Bany uw angiRa
ta
-R
at
a
Cu
ra
h
Hu
ja
n
Bojonegoro Jember Lamongan N gaw iHistogram Curah Hujan Harian
Heavy Tail Plot Curah Hujan Ekstrim
Kabupaten Jember
100 75 50 165 110 55 1 150 100 50 120 80 40 120 80 40 100 50 0 165 110 55 1 80 40 0 150 100 50 150 100 50 djf 1 djf 2 mam 1mam 2 jja 1 jja 2
Heavy Tail Plot Curah Hujan Ekstrim
Kabupaten Banyuwangi
150 100 50 159 106 53 1 150 100 50 200 100 0 150 100 50 100 50 0 159 106 53 1 100 50 0 80 40 100 50 djf 1 djf 2 mam 1mam 2 jja 1 jja 2
Heavy Tail Plot Curah Hujan Ekstrim
Kabupaten Bojonegoro
100 75 50 312 208 104 1 150 100 50 90 60 30 90 60 30 80 40 0 312 208 104 1 80 40 0 80 40 100 50 djf 1 djf 2 mam 1mam 2 jja 1 jja 2
Heavy Tail Plot Curah Hujan Ekstrim
Kabupaten Lamongan
90 60 30 162 108 54 1 80 60 40 90 60 30 150 100 50 80 40 0 162 108 54 1 100 50 0 100 50 100 50 djf 1 djf 2 mam 1mam 2 jja 1 jja 2
Heavy Tail Plot Curah Hujan Ekstrim
Kabupaten Ngawi
150 100 50 159 106 53 1 150 100 50 200 100 0 200 100 0 160 80 0 159 106 53 1 200 100 0 150 100 50 150 100 50 djf 1 djf 2 mam 1mam 2 jja 1 jja 2
Identifikasi Perubahan Iklim
Penentuan Nilai Threshold
Triwulan
Nilai
Banyuwangi
Bojonegoro
Jember
Lamongan
Ngawi
P
1P
2P
1P
2P
1P
2P
1P
2P
1P
2DJF
N
902
1805
902
1805
902
1805
902
1805
902
1805
n
89
175
84
174
83
172
84
180
88
171
threshold
34
33
37
30
32
38
28
25
32
32
MAM
N
920
1840
920
1840
920
1840
920
1840
920
1840
n
90
178
89
184
92
183
90
174
92
177
threshold
18
20
15
15
23
22
14
18
20
25
JJA
N
920
1840
920
1840
920
1840
920
1840
920
1840
n
42
86
49
113
87
140
86
119
85
113
threshold
0
0
0
0
2
0
0
0
3
0
SON
N
910
1820
910
1820
910
1820
911
1820
910
1820
n
41
108
89
182
90
170
88
183
88
171
threshold
0
0
5
5
16
16
4
7,24
15
17
Identifikasi Perubahan Iklim
Estimasi Parameter dan Confidence Interval 90%
ξ
Tri-wulan Nilai
Banyuwangi Bojonegoro Jember Lamongan Ngawi P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 P1 P2 DJF 17,276 19,073 30,243 21,151 24,694 28,883 17,769 20,919 27,104 27,556 0,081 0,014 -0,489 -0,076 -0,158 -0,153 -0,096 -0,179 0,003 -0,105 CI 90% ξ -0,107 ; 0,268 -0,119 ; 0,147 -0,642; -0,337 -0,154 ; 0,001 -0,336 ; 0,019 -0,248; -0,057 -0,285 ; 0,094 0,305 ; -0,055 -0,175; 0,182 -0,218 ; 0,008 Tipe Distribusi Pareto Pareto Beta Beta Beta Beta Beta Beta Pareto Beta
MAM 15,442 26,584 40,469 30,686 26,671 19,167 21,367 21,076 25,810 24,777 0,249 -0,146 -0,469 -0,346 -0,125 0,011 -0,055 -0,056 -0,002 -0,001 CI 90% ξ 0,044 ; 0,456 -0,250; -0,042 -0,628 ; -0,311 -0,435 ; -0,257 -0,296; 0,045 -0,122 ; 0,145 -0,262; 0,152 -0,164; 0,052 -0,163 ; 0,159 -0,103; 0,102 Tipe Distribusi Pareto Beta Beta Beta Beta Pareto Beta Beta Beta Beta
JJA 20,218 6,379 20,203 14,201 11,117 12,804 5,926 9,904 10,494 17,303 0,125 0,566 -0,027 0,046 0,276 0,081 0,609 0,243 0,494 0,119 CI 90% ξ -0,263 ; 0,513 0,274; 0,857 -0,260 ; 0,207 -0,132; 0,223 0,024 ; 0,528 -0,099 ; 0,261 0,235 ; 0,984 0,056 ; 0,430 0,200 ; 0,789 -0,028; 0,268 Tipe Distribusi Pareto Pareto Beta Pareto Pareto Pareto Pareto Pareto Pareto Pareto 23,238 21,768 21,802 33,010 18,197 20,699 21,129 25,029 15,902 20,582 -0,108 -0,048 -0,227 -0,281 0,073 -0,034 0,031 -0,153 0,153 -0,049 ξˆ
σ
ˆ ξˆσ
ˆ ξˆσ
ˆ ξˆσ
Identifikasi Perubahan Iklim
Uji Kesesuaian Distribusi
Triwulan
Banyuwangi Bojonegoro Jember Lamongan Ngawi
Dhitung Dtabel Dhitung Dtabel Dhitung Dtabel Dhitung Dtabel Dhitung Dtabel
DJF P1 0,061* 0,144 0,139* 0,148 0,085* 0,149 0,073* 0,148 0,045* 0,145 P2 0,047* 0,103 0,08* 0,103 0,05* 0,104 0,057* 0,101 0,029* 0,104 MAM P1 0,069* 0,143 0,125* 0,144 0,042* 0,142 0,06* 0,143 0,044* 0,142 P2 0,042* 0,102 0,07* 0,100 0,036* 0,101 0,043* 0,103 0,036* 0,102 JJA P1 0,138* 0,210 0,12* 0,194 0,099* 0,146 0,108* 0,147 0,081* 0,148 P2 0,061* 0,147 0,103* 0,128 0,098* 0,115 0,055* 0,125 0,061* 0,128 P1 0,124* 0,212 0,066* 0,144 0,054* 0,143 0,1* 0,145 0,054* 0,145
α=5%
H
0: Data curah hujan ekstrim mengikuti distribusi
Pareto ( )
H
1: Data curah hujan mengikuti distribusi eksponensial
( )
0 > ξ 0 = ξH
0: Data curah hujan ekstrim mengikuti distribusi Beta
( )
H
1: Data curah hujan mengikuti distribusi eksponensial
( )
0 < ξ 0 = ξIdentifikasi Perubahan Iklim
Identifikasi Perubahan Iklim
Salah satu asumsi yang harus terpenuhi adalah data yang digunakan adalah data yang
independent atau random. Namun penelitian ini mengasumsikan data telah independet.
Kabupaten
DJF
MAM
JJA
SON
Banyuwangi
-
√
√
-Bojonegoro
√
√
√
-Jember
-
√
√
√
Lamongan
-
-
√
√
Ngawi
√
-
√
√
Kesimpulan
Estimasi parameter Generalized Pareto Distribution dengan
probability density function untuk menggunakan MLE harus
dilanjutkan menggunakan metode Newton Raphson karena
persamaan turunan pertama tidak closed form.
Pola curah hujan di Kabupaten Banyuwangi, Bojonegoro, Jember,
Lamongan , dan Ngawi adalah monsun yang berbentuk seperti
huruf U dengan satu puncak (unimodal). Terdapat indikasi ekor
distribusi gemuk di kelima kabupaten tersebut, baik data curah
hujan harian maupun data curah hujan ekstrim.
Perubahan iklim terjadi di kelima kabupaten tersebut. Triwulan JJA
yang mewakili musim kemarau mengalami perubahan iklim di
kelima kabupaten. Kabupaten yang mengalami perubahan iklim
terbanyak adalah Kabupaten Bojonegoro, Jember, dan Ngawi.
0 ≠ ξ