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社保基金是社會保障制度的物質(zhì)基礎(chǔ),其安全和保值增值是社會保障事業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵。社保基金進入資本市場,其最終目的是在保證安全性的前提下實現(xiàn)收益的最大化。自2001年中國成立全國社會保障基金理事會后,社保基金開始試水資本市場,據(jù)《全國社會保障基金理事會基金年度報告》(2009),自全國社會保障基金成立至2009年末,累計投資收益額2448.59億元,年均投資收益率為9.75%,遠遠高于銀行年存款利率。但是社保基金在獲得相對較高收益的同時,又承擔(dān)著怎樣的風(fēng)險?社保基金投資的首要原則是安全性,準確地測度社?;鹜顿Y風(fēng)險是控制風(fēng)險的前提,對保證社?;鹜顿Y的安全性具有重要的意義。測度投資組合風(fēng)險,關(guān)鍵問題之一是準確測度組合中資產(chǎn)間的相關(guān)結(jié)構(gòu)。自從Embrechts將Copula引入到金融領(lǐng)域[1]后,Copula在風(fēng)險測度領(lǐng)域取得了一系列的成果[2-4]。從理論上講,Copula方法可以簡單推廣到高維情形,但現(xiàn)有文獻中的Copula函數(shù)絕大多數(shù)為二元Copula,對高維Copu-la函數(shù)的構(gòu)造研究尚處于初始階段。得益于Bed-ford和Cooke、Kurowicka和Cooke等人的工作,高維數(shù)據(jù)建模可以采用pair-copula(也稱為Vinecopula,藤copula)方法[5-7]。Bedford和Cooke在簡單構(gòu)造模塊pair-copula的基礎(chǔ)上引入了一種構(gòu)造復(fù)雜多元相關(guān)結(jié)構(gòu)模型的新方法,它將多元聯(lián)合密度函數(shù)分解成一系列pair-copula模塊和邊緣密度函數(shù)的乘積,為copula方法推廣到高維提供了理論基礎(chǔ)[5]。相比于經(jīng)典分級模型,當(dāng)變量間不存在條件獨立性時,paircopula模塊構(gòu)建不要求條件獨立假設(shè),因此,這種新的方法在描述高維相關(guān)構(gòu)建時就更加靈活[8]。近年來,pair-copula被用于金融資產(chǎn)收益率建模和其他的數(shù)據(jù)建模[9-11]。國內(nèi)學(xué)者也逐步將pair-copula應(yīng)用到風(fēng)險管理領(lǐng)域,如杜子平、閆鵬、黃恩喜、程??〉热耍?,12]。傳統(tǒng)的n維copula函數(shù)對多元數(shù)據(jù)建模在描述尾部相關(guān)性時只有一個參數(shù),沒有考慮到維數(shù)的影響,現(xiàn)實中資產(chǎn)組合中兩兩資產(chǎn)間的尾部相關(guān)性往往不同,這就可能導(dǎo)致在分析多維資產(chǎn)間的相依結(jié)構(gòu)時出現(xiàn)誤差,而基于pair-copula建模就可以有效地避免此問題。本文基于pair-copula模型測度社?;鹜顿Y組合的風(fēng)險:首先,確定pair-cop-ula的分解類型,即C-Vines或D-Vines;其次,選擇copula函數(shù)類型,即選擇正態(tài)copula、T-copula或其他的copula函數(shù)建模;再次,基于GARCH-EVT對邊緣分布建模,得到獨立同分布的序列,并采用極大似然估計法估計每對Copula函數(shù)的參數(shù);最后,基于pair-copula參數(shù)估計的結(jié)果,根據(jù)Aas等人給出的算法思想[9]模擬pair-copula分解模型的仿真序列,計算投資組合的VaR和ES,并將基于pair-copula預(yù)測VaR的結(jié)果與傳統(tǒng)的n維copula預(yù)測的結(jié)果進行比較研究。
一、pair-copula的理論基礎(chǔ)
考慮一個n維向量X=(X1,X2,…,Xn),其聯(lián)合概率密度函數(shù)為f(x1,x2,…,xn),可以分解為f(x1,x2,…,xn)=fn(xn)•fn-1|n(xn-1|xn)•fn-2|n-1,n(xn-2|xn-1,xn)…•f1|2,…,n|(x1|x2,…,xn)(1)根據(jù)Sklar定理[13],多元聯(lián)合分布函數(shù)可以通過copula函數(shù)和邊緣分布Fi(i=1,2,…,n)表示:F(x1,x2,…,xn)=C12…n(F1(x1),F(xiàn)2(x2),…,F(xiàn)n(xn))(2)那么,多元聯(lián)合密度函數(shù)可以表示為f(x1,x2,…,xn)=c12…n(F1(x1),F(xiàn)2(x2),…,F(xiàn)n(xn))•f1(x1)…fn(xn)(3)其中,c12…n(•)表示n維的copula密度函數(shù),fi(xi)代表邊緣密度函數(shù)。當(dāng)n=2時,式(3)變?yōu)閒(x1,x2)=c12(F1(x1),F(xiàn)2(x2))•f(x1)•f(x2)又因為f(x1,x2)=f(x2)f(x1|x2)故有f(x1|x2)=c12(F1(x1),F(xiàn)2(x2))•f1(x1)即對于條件概率密度函數(shù)f(x1,x2),可以分解為pair-copula的密度函數(shù)c12(F1(x1),F(xiàn)2(x2))和一個邊際密度函數(shù)f1(x1)的乘積。更一般的情況,式(1)中的每一項可以分解為適當(dāng)?shù)膒air-copula函數(shù)乘以一個條件邊緣密度,即f(x|v)=cxvj|v-j(F(x|v-j),F(xiàn)(vj|v-j))•f(x|v-j)(4)其中,v是一個d維向量,vj是從v中隨機選擇的一個向量,v-j表示v向量中除去vj。當(dāng)d=2時,有f(x1|x2,x3)=c13|2(F(x1|x2),F(xiàn)(x3|x2))•c12(F(x1),F(xiàn)(x2))•f1(x1)。總體而言,在合適的分解規(guī)則下,多變量的聯(lián)合密度函數(shù)可以表示為一系列的pair-copula密度函數(shù)與邊緣條件概率密度函數(shù)的乘積。Pair-copula結(jié)構(gòu)中包含邊際條件分布F(x|v)。對于每一個j,均有F(x|v)=Cx,vj|v-j(F(x|v-j),F(xiàn)(vj|v-j))F(vj|v-j)(5)其中,Cx,vj|v-j是一個雙變量copula的分布函數(shù)。特別地,如果v是一個單變量,有F(x|v)=Cxv(F(x),F(xiàn)(v))F(v)(6)當(dāng)x和v是(0,1)上的均勻分布時,用h(x,v,Θ)代表條件分布函數(shù)F(x|v),即h(x,v,Θ)=F(x|v)=Cxv(F(x),F(xiàn)(v))F(v)(7)其中,h(•)的第二個參數(shù)是條件相關(guān)變量,Θ是連接x和v的copula函數(shù)的參數(shù)集。
二、高維分布的pair-copula分解對于高維聯(lián)合分布,存在多種pair-copula結(jié)構(gòu)。如,五維聯(lián)合分布存在240種不同的pair-copula分解。Bedford和Cooke引入了稱之為“正則藤(theregularvine)”的圖形建模工具來描述這些pair-copula[6]。N維變量的藤是一類樹的集合,樹j的邊是樹j+1的節(jié)點,j=1,2,…,N-2,每棵樹的邊數(shù)均取最大。C(Canonical)藤和D藤是兩類最特殊的藤,其中,C藤中,在每棵樹Tj中僅有唯一的點連接到n-j條邊;D藤中,樹中任一結(jié)點所連接的邊的條數(shù)最多為2。C藤和D藤的適用范圍不同:當(dāng)數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)引導(dǎo)其他變量的關(guān)鍵變量時,適合用C藤建模,而當(dāng)變量相對獨立時,則適合用D藤建模。圖1和圖2分別給出了4維C藤和D藤。藤由樹、結(jié)點和邊組成,每棵樹上有若干個結(jié)點,每個結(jié)點的元素都對應(yīng)一個pair-copula密度函數(shù)。Bedford和Cooke給出了基于藤的n維聯(lián)合密度函數(shù)的表達式[5]:對于C藤,有f(x1,x2,…,xn)=∏nk=1f(xk)∏n-1j=1∏n-ji=1cj,j+i|1,…,j-1(F(xj|x1,…,xj-1),F(xiàn)(xj+i|x1,…,xj-1))(8)對于D藤,有f(x1,x2,…,xn)=∏nk=1f(xk)∏n-1j=1∏n-ji=1ci,i+j|i+1,…,i+j-1(F(xi|xi+1,…,xi+j-1),F(xiàn)(xi+j|xi+1,…,xi+j-1))(9)
三、高維聯(lián)合分布下的pair-copula建模
pair-copula建模主要分為三塊:1.選擇pair-copula的結(jié)構(gòu),即選擇C藤、D藤或者是其他的分解規(guī)則;2.選擇pair-copula的類型;3.估計pair-copula函數(shù)的參數(shù)。選擇C藤或D藤,一個原則是:當(dāng)數(shù)據(jù)集中出現(xiàn)引導(dǎo)其他變量的關(guān)鍵變量時,適合用C藤,而當(dāng)數(shù)據(jù)集中的變量相對獨立時,適合用D藤。通常是通過比較Kendall’sτ或者是Spearman’sρs的大小來測度某個變量與其他變量的相關(guān)程度。常見的二元pair-copula函數(shù)類型有正態(tài)、T、Clayton、Gumbelcopula,正態(tài)copula不能刻畫尾部相關(guān)性;T-copula既能刻畫上尾相關(guān)性,也能刻畫下尾相關(guān)性;Claytoncopula只能刻畫下尾相關(guān)性;而Gumbelcopula卻相反,只能刻畫上尾相關(guān)性。最簡單的方法是通過畫變量的散點圖來選擇pair-copula類型。模型參數(shù)的估計方法很多,常用的是極大似然估計法,本文也基于該方法估計模型參數(shù)。但是與傳統(tǒng)的n維copula參數(shù)估計方法不同,對pair-copula密度函數(shù)作極大似然估計前,必須先估計出每棵樹的參數(shù)初值。Pair-copula參數(shù)估計的基本思路:第一步,基于原始數(shù)據(jù)估計第1棵樹上的copula函數(shù)的參數(shù);第二步,基于第一步參數(shù)估計的結(jié)果及h函數(shù),計算觀測值(即條件分布函數(shù)值),基于此觀測值估計第2棵樹上的copula函數(shù)的參數(shù);第三步,重復(fù)第一步和第二步,直到計算出每棵樹上copula函數(shù)的參數(shù)。將第一、二、三步所得的參數(shù)值作為初始值,最大化總體似然函數(shù),求得最終的參數(shù)估計值。以4維D藤為例,具體說明paircopula參數(shù)的估計步驟。步驟1基于原始數(shù)據(jù),采用GARCH-EVT模型對每個資產(chǎn)的分布建模,估計出邊緣分布的函數(shù)Fi(xi),得到服從(0,1)上均勻分布的序列v0,1=F1(x1),v0,2=F2(x2),v0,3=F3(x3)和v0,4=F4(x4),并基于這四個序列估計T1上的copula密度函數(shù)c12(v0,1,v0,2),c23(v0,2,v0,3)以及c34(v0,3,v0,4)的參數(shù)Θ11,Θ12和Θ13。步驟2根據(jù)步驟1中估計的Θ11,Θ12和Θ13值以及h函數(shù),分別計算F(x1|x2)=v1,1=h(v0,1,v0,2,Θ11),F(xiàn)(x3|x2)=v1,2=h(v0,3,v0,2,Θ12),F(xiàn)(x2|x3)=v1,3=h(v0,2,v0,3,Θ12),F(xiàn)(x4|x3)=v1,4=h(v0,4,v0,3,Θ13)作為T2的觀測值,估計T2上的copula密度函數(shù)c13|2(v1,1,v1,2)和c24|3(v1,3,v1,4)的參數(shù)Θ21和Θ22。步驟3根據(jù)步驟2中估計的Θ21和Θ22值以及h函數(shù),分別計算F(x1|x2,x3)=v2,1=h(v1,1,v1,2,Θ21),F(xiàn)(x4|x2,x3)=v2,2=h(v1,4,v1,3,Θ22)作為T3的觀測值,估計T3上的copula密度函數(shù)c14|23(v2,1,v2,2)的參數(shù)Θ31。步驟4將前三步所得的參數(shù)值Θ11,Θ12,Θ13,Θ21,Θ22和Θ31作為初始值,最大化對數(shù)似然函數(shù):∑Tt=1[logc12(F(x1,t),F(xiàn)(x2,t))+logc23(F(x2,t),F(xiàn)(x3,t))+logc34(F(x3,t),F(xiàn)(x4,t))+logc13|2(F(x1,t|x2,t),F(xiàn)(x3,t|x2,t))+logc24|3(F(x2,t|x3,t),F(xiàn)(x4,t|x3,t))+logc14|23(F(x1,t|x2,t,x3,t),F(xiàn)(x4,t|x2,t,x3,t))](10)得到參數(shù)估計的最終值,再通過式(10)求出n維聯(lián)合密度函數(shù)f(x1,x2,x3,x4)。通常,初始值與最終值的差別不大。
四、基于pair-copula的投資組合VaR和ES計算
一般來說,很難求出投資組合的VaR和ES的解析式,通常采用MontCarlo模擬方法。用MontCarlo模擬計算投資組合VaR和ES的關(guān)鍵在于對pair-copula分解模型的仿真,即通過正則藤分解下copula分布函數(shù)Cx,vj|v-j(•,•)求出的條件分布函數(shù)F(xj|x1,x2,…,xj-1),生成服從多元聯(lián)合分布的仿真序列{x1,x2,…,xn}。Aas等人給出了仿真方法[9],發(fā)現(xiàn)pair-copula分解模型的仿真序列和實際序列擬合的很好。根據(jù)Aas等人給出的仿真思想[9]用matlab7.9編程,得到仿真序列{x1,x2,x3,…,xn},利用標準化殘差的逆分布函數(shù)(即逆概率積分變換),得到標準化殘差序列,然后根據(jù)上文中估計所得的GARCH模型求出收益率r′t,i,i=1,2,…,n,由此可得資產(chǎn)i在時間(t,t+1)內(nèi)的損失率為Li,t+1=(Pi,t-Pi+1,t)/Pi,t=(Pi,t-Pi,texp(0.01r′i,t+1))/Pi,t=1-exp(0.01r′i,t+1)(11)假設(shè)投資組合中資產(chǎn)i的權(quán)重為wi,i=1,2,…,n,則投資組合在時間(t,t+1)內(nèi)的損失率為Lp,t+1=∑ni=1ωiLi,t+1=∑ni=1ωi(1-exp(0.01r′i,t+1))(12)重復(fù)MonteCarlo模擬若干次得到投資組合的損失率的仿真序列,進而求出該序列的經(jīng)驗分布,給定置信水平1-α,根據(jù)P{Lp,t+1≤VaRt+1(α)}=α求出投資組合在時間(t,t+1]內(nèi)的VaR值,進而根據(jù)ESα=E(Lp,t+1|Lp,t+1≥VaRt+1(α))求出投資組合的ES值。
五、實證研究
(一)數(shù)據(jù)來源及基本統(tǒng)計分析
《全國社會保障基金投資管理暫行辦法》對社?;鹜顿Y的金融工具種類和比例做出了規(guī)定:1.銀行存款和國債投資的比例不得低于50%。其中,銀行存款的比例不得低于10%。在一家銀行的存款不得高于社?;疸y行存款總額的50%。2.企業(yè)債、金融債投資的比例不得高于10%。3.證券投資基金、股票投資的比例不得高于40%。根據(jù)社保基金的投資渠道和投資資產(chǎn)比例,首先構(gòu)造一個基準投資組合,設(shè)定各類資產(chǎn)的投資比例分別為:股票w1=30%,國債w3=50%,基金w2=10%,企業(yè)債、金融債w4=10%。選用滬深300指數(shù)、國債指數(shù)、基金指數(shù)以及企債指數(shù)(將金融債也歸為企業(yè)債)分別代表社?;鹜顿Y的股票、國債、基金、企業(yè)債與金融債。樣本數(shù)據(jù)時間區(qū)間為2005年5月10日至2010年12月10日,共1364組數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)來源于大智慧行情系統(tǒng),數(shù)據(jù)處理及參數(shù)估計均采用Matlab7.9和OxMetrics5.0。將價格定義為指數(shù)每日的收盤價Pt,i,并將指數(shù)i在第t個交易日的收益率定義為rt,i=100×log(Pt+1,i/Pt,i),i=1,2,3,4(13)滬深300指數(shù)(H)、國債指數(shù)(G)、基金指數(shù)(J)和企債指數(shù)(Q)對數(shù)收益率的描述性統(tǒng)計如表1所示。均收益均為正,基金指數(shù)的平均收益率最大,滬深300指數(shù)的平均收益率次之,國債指數(shù)的平均收益率最小,但是國債指數(shù)收益率的波動也是最小,驗證了“低風(fēng)險低收益”。四個指數(shù)的收益率中,只有滬深300指數(shù)收益率偏度為負,意味著收益率存在著下降的可能性。峰度統(tǒng)計量表明四個指數(shù)收益率分布均具有比正態(tài)分布更厚的尾部特征;J-B檢驗統(tǒng)計量的值及其相伴概率,也表明收益率均不服從正態(tài)分布。對四個指數(shù)收益率進行Engle’sARCH/GARCH效應(yīng)檢驗,結(jié)果表明收益率序列都具有明顯的條件異方差性。Ljung-BoxQ統(tǒng)計量顯示,滯后10階,在5%的顯著水平下,四個指數(shù)收益率均存在自相關(guān)性。單位根ADF檢驗表明,收益率序列均不存在單位根,是平穩(wěn)的。
(二)邊緣分布建模
根據(jù)表1中的Ljung-BoxQ統(tǒng)計量,結(jié)合AIC和SC準則,在1%的顯著性水平下,確定滬深300指數(shù)和基金指數(shù)的均值方程為AR(0),其余兩個指數(shù)收益率的均值方程模型為AR(1)?;贕ARCH(1,1)-T對收益率序列建模,利用OxMetrics5.0估計參數(shù),結(jié)果如表2。由表2可知,四個指數(shù)的GARCH(1,1)模型的參數(shù)估計值都是顯著的;標準化殘差序列的Ljung-BoxQ統(tǒng)計值和ARCH效應(yīng)檢驗表明標準化殘差序列不存在自相關(guān)和ARCH效應(yīng)。借鑒Neftci的做法[14],選取10%和90%作為序列閾值的分位數(shù)?;跇O大似然估計法估計四個指數(shù)的上、下尾部參數(shù)(中間部分采用非參數(shù)核估計)擬合的結(jié)果如表3。
(三)pair-copula建模
1.pair-copula的分解
基于Kendall’Stau及C藤、D藤的適用范圍,選擇合適的pair-copula分解類型。經(jīng)GARCH-EVT過濾后的兩兩標準殘差序列間的Kendall’Sτ值如表4所示。列均不存在單位根,是平穩(wěn)的。(二)邊緣分布建模根據(jù)表1中的Ljung-BoxQ統(tǒng)計量,結(jié)合AIC和SC準則,在1%的顯著性水平下,確定滬深300指數(shù)和基金指數(shù)的均值方程為AR(0),其余兩個指數(shù)收益率的均值方程模型為AR(1)?;贕ARCH(1,1)-T對收益率序列建模,利用OxMetrics5.0估計參數(shù),結(jié)果如表2。由表2可知,四個指數(shù)的GARCH(1,1)模型的參數(shù)估計值都是顯著的;標準化殘差序列的Ljung-BoxQ統(tǒng)計值和ARCH效應(yīng)檢驗表明標準化殘差序列不存在自相關(guān)和ARCH效應(yīng)。根據(jù)Kendall’sτ值,相關(guān)性從強到弱依次為:H-J,G-Q,H-Q,J-Q,J-G,H-G,除了滬深300指數(shù)與基金指數(shù)之間具有較強的相關(guān)性外,其余指數(shù)間的相關(guān)性較弱,因此,四個指數(shù)間不存在引導(dǎo)其他變量的先導(dǎo)變量,所以不適合用C藤分解,故選擇D藤,結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.pair-copula的參數(shù)估計
由于金融資產(chǎn)時間序列間經(jīng)常同時呈現(xiàn)上下尾相關(guān),相比于其他類型的copula函數(shù),T-copula更好地反映了變量間的上下尾相關(guān)性,為了簡單起見,以T-copula作為pair-copula的類型。基于Matlab的DynamicCopula工具箱,先估計初始參數(shù)值,然后代入式(10)中,最大化對數(shù)似然函數(shù)值,得到參數(shù)估計的終值。結(jié)果如表5所示。為進一步比較分析,本文也基于4維T-copu-la模型估計社?;鹜顿Y組合,結(jié)果如下:相關(guān)系數(shù)矩陣R為:R=1.00000.9173-0.0641-0.02780.91731.0000-0.0782-0.0301-0.0641-0.07821.00000.2973烄烆烌-0.0278-0.03010.29731.0000烎自由度為9.3415,對數(shù)似然函數(shù)值為256.4871。從對數(shù)似然函數(shù)值,也可以看出,基于pair-copula模型的擬合效果要優(yōu)于傳統(tǒng)的n維copula。
3.投資組合風(fēng)險的仿真計算及后試檢驗
估計出pair-copula模型的參數(shù)后,根據(jù)Aas等人給出的仿真程序[9],采用MonteCarlo方法模擬服從pair-copula分解的聯(lián)合分布函數(shù)的仿真序列,根據(jù)投資組合中資產(chǎn)的權(quán)重,計算投資組合的收益率,進而計算投資組合的VaR和ES。根據(jù)《全國社會保障基金投資管理暫行辦法》中的相關(guān)規(guī)定,假設(shè)滬深300指數(shù)、國債指數(shù)、基金指數(shù)和企債指數(shù)的權(quán)重分別為0.3,0.5,0.1和0.1。根據(jù)表5給出的pair-copula參數(shù)估計最終值,仿真5000次,得到四個指數(shù)的仿真收益率序列,再根據(jù)式(14)計算得到投資組合的仿真損失率序列。根據(jù)VaR和ES的定義,計算得t+1時刻95%置信度下的VaR和ES分別為:0.4382,0.4901。為進一步檢驗?zāi)P褪欠窈线m,對投資組合VaR進行Kupiec檢驗,也稱LR似然比檢驗,其基本思想是假定實際考察天數(shù)為N0,失敗天數(shù)為n,失敗率為p=n/N0,VaR置信度為p*。假定VaR估計具有時間獨立性,則失敗天數(shù)n服從參數(shù)為N0和p的二項分布,即n~B(N0,p),在零假設(shè)p=p*下,似然比LR=-2ln[(1-p*)N0-n(p*)n]+2ln[(1-n/N0)N0-n(n/N0)n]~χ2(1),在5%的顯著水平下,如果LR>3.8415,拒絕本模型。分別基于多元T-copula和pair-copula模型預(yù)測了樣本內(nèi)的日VaR,得出了預(yù)測失敗的天數(shù)、失敗率以及LR值,結(jié)果如表6所示。由表6可以看出,在95%的置信度下,拒絕了T-copula模型,而無論在95%還是在99%置信度下,均接受了pair-copula模型,總體而言,基于pair-copula模型預(yù)測的效果要優(yōu)于基于多元T-copula的預(yù)測效果。圖4給出了5%分位數(shù)和95%分位數(shù)下基于pair-copula的VaR預(yù)測值。
六、結(jié)論
與傳統(tǒng)的多元copula函數(shù)相比,pair-copula分解不僅考慮了維數(shù)的影響,能夠更好地刻畫投資組合中不同資產(chǎn)風(fēng)險兩兩之間的尾部相關(guān)性,而且可以根據(jù)實際數(shù)據(jù)擬合的情況對每一對copula函數(shù)選擇不同類型的copula函數(shù),建模更加靈活。本文基于Aas等人的pair-copula模型和參數(shù)估計方法,結(jié)合邊緣分布建模的GARCH模型和極值理論(EVT),提出了投資組合風(fēng)險測度的GARCH-EVT-pair-copula模型,為測度投資組合的風(fēng)險提供了一種新的方法,并將該方法應(yīng)用到社保基金投資組合的風(fēng)險測度中。實證研究測得95%置信度下日VaR值和ES值分別為0.4382和0.4901,并且Kupiec檢驗說明本文提出的模型預(yù)測日VaR的能力要優(yōu)于普通的多元copula模型。