A common method for diagnosing and correcting model bias in weather and climate prediction is based on analysis increments: the difference between the analysis and the forecast at each data assimilation cycle. Their time average is used to estimate and correct the bias, and machine learning is increasingly used to map the forecast state to the increments, giving a state-dependent correction. Despite its widespread use, the method lacks theoretical foundations. We first analyse a Kalman filter whose forecast model has a constant bias. We show what the averaged increment measures, and prove that iterating the correction removes all of the bias seen through the observations; for linear dynamics, no method can identify the rest. We then extend the analysis to state-dependent biases. For linear dynamics, each increment records the model error over the filter's memory, as seen through the observations. We use this to determine what the increments measure when averaged over a long period, averaged over periods with similar slowly varying conditions, and used without averaging, as in machine-learned corrections. Numerical experiments confirm the theory for a linear model and suggest that its main conclusions carry over to the nonlinear Lorenz '96 model, including for a correction learned by a neural network.


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ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
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