Data assimilation (DA) combines partial observations with a dynamical model to improve state estimation. Filter-based DA uses only past and present data and is the prerequisite for real-time forecasts. Smoother-based DA exploits both past and future observations. It aims to fill in missing data, provide more accurate estimations, and develop high-quality datasets. However, the standard smoothing procedure requires using all historical state estimations, which is storage-demanding, especially for high-dimensional systems. This paper develops an adaptive-lag online smoother for a large class of complex dynamical systems with strong nonlinear and non-Gaussian features, which has important applications to many real-world problems. The adaptive lag allows the DA to utilize only observations within a nearby window, significantly reducing computational storage. Online lag adjustment is essential for tackling turbulent systems, where temporal autocorrelation varies significantly over time due to intermittency, extreme events, and nonlinearity. Based on the uncertainty reduction in the estimated state, an information criterion is developed to systematically determine the adaptive lag. Notably, the mathematical structure of these systems facilitates the use of closed analytic formulae to calculate the online smoother and the adaptive lag, avoiding empirical tunings as in ensemble-based DA methods. The adaptive online smoother is applied to studying three important scientific problems. First, it helps detect online causal relationships between state variables. Second, its advantage of computational storage is illustrated via Lagrangian DA, a high-dimensional nonlinear problem. Finally, the adaptive smoother advances online parameter estimation with partial observations, emphasizing the role of the observed extreme events in accelerating convergence.


翻译:数据同化(DA)结合部分观测与动力学模型以改进状态估计。基于滤波器的DA仅使用过去和当前数据,是实时预报的前提。基于平滑器的DA则同时利用过去与未来观测,旨在填补缺失数据、提供更精确估计并构建高质量数据集。然而,标准平滑流程需使用全部历史状态估计,对存储要求极高,尤其在高维系统中。本文针对一大类具有强非线性和非高斯特征的复杂动力系统,开发了一种自适应滞后的在线平滑器,其在众多现实问题中具有重要应用价值。自适应滞后机制使DA仅需利用邻近时间窗口内的观测数据,显著降低了计算存储需求。在线滞后调整对于处理湍流系统至关重要,这类系统因间歇性、极端事件和非线性导致时间自相关性随时间剧烈变化。基于估计状态的不确定性降低程度,本文开发了一种信息准则以系统化确定自适应滞后量。值得注意的是,这些系统的数学结构使得在线平滑器与自适应滞后的计算可采用封闭解析公式,避免了基于集合的DA方法中常见的经验调参过程。该自适应在线平滑器被应用于研究三个重要科学问题:首先,它有助于在线检测状态变量间的因果关系;其次,通过拉格朗日DA这一高维非线性问题展示了其计算存储优势;最后,该自适应平滑器推进了基于部分观测的在线参数估计,并强调了观测到的极端事件在加速收敛中的作用。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
相关VIP内容
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
46+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员