Formulating dynamical models for physical phenomena is essential for understanding the interplay between the different mechanisms and predicting the evolution of physical states. However, a dynamical model alone is often insufficient to address these fundamental tasks, as it suffers from model errors and uncertainties. One common remedy is to rely on data assimilation, where the state estimate is updated with observations of the true system. Ensemble filters sequentially assimilate observations by updating a set of samples over time. They operate in two steps: a forecast step that propagates each sample through the dynamical model and an analysis step that updates the samples with incoming observations. For accurate and robust predictions of dynamical systems, discrete solutions must preserve their critical invariants. While modern numerical solvers satisfy these invariants, existing invariant-preserving analysis steps are limited to Gaussian settings and are often not compatible with classical regularization techniques of ensemble filters, e.g., inflation and covariance tapering. The present work focuses on preserving linear invariants, such as mass, stoichiometric balance of chemical species, and electrical charges. Using tools from measure transport theory (Spantini et al., 2022, SIAM Review), we introduce a generic class of nonlinear ensemble filters that automatically preserve desired linear invariants in non-Gaussian filtering problems. By specializing this framework to the Gaussian setting, we recover a constrained formulation of the Kalman filter. Then, we show how to combine existing regularization techniques for the ensemble Kalman filter (Evensen, 1994, J. Geophys. Res.) with the preservation of the linear invariants. Finally, we assess the benefits of preserving linear invariants for the ensemble Kalman filter and nonlinear ensemble filters.


翻译:为物理现象建立动力学模型对于理解不同机制间的相互作用以及预测物理状态的演化至关重要。然而,单一动力学模型往往难以胜任这些基础任务,因其存在模型误差与不确定性。常见补救措施是依赖数据同化,通过观测真实系统来更新状态估计。系综滤波器通过随时间更新样本集来顺序同化观测值,其运作分为两步:预测步将每个样本经由动力学模型传播,分析步则利用新观测值更新样本。为对动力系统进行准确鲁棒的预测,离散解必须保留其关键不变量。尽管现代数值求解器能满足这些不变量要求,但现有保持不变量的分析步仅适用于高斯设定,且通常无法与系综滤波器的经典正则化技术(如膨胀和协方差锥化)兼容。本文聚焦于保留线性不变量,如质量、化学物种的化学计量平衡和电荷。利用测度输运理论工具(Spantini等,2022,《SIAM评论》),我们引入一类通用的非线性系综滤波器,能在非高斯滤波问题中自动保留所需线性不变量。将该框架特化至高斯设定时,可恢复卡尔曼滤波的约束形式。随后我们展示了如何将系综卡尔曼滤波(Evensen,1994,《地球物理研究杂志》)的现有正则化技术与线性不变量保留相结合。最后,我们评估了保留线性不变量对系综卡尔曼滤波及非线性系综滤波的益处。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6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
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11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
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17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
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
国家自然科学基金
2+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
0+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
2+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
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
0+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年5月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年5月29日
VIP会员
最新内容
ICML 2026 | 自回归Boltzmann生成器重塑分子采样
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:55
GNN跨域综述:从消息传递到图基础模型
专知会员服务
0+阅读 · 今天15:53
无人机自主控制与人工智能:系统性综述
专知会员服务
11+阅读 · 今天7:25
巡飞弹与反无人机系统——现代战场的两大支柱
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:54
《打造“黄金舰队”》57页报告
专知会员服务
3+阅读 · 今天6:52
《北约数字教官网络发展路径》128页报告
专知会员服务
2+阅读 · 今天6:33
ECCV 2026 | MIMFlow:MIM与归一化流统一图像生成
专知会员服务
7+阅读 · 6月25日
网状网络及其在军事领域的运用
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
无美国参与的欧洲战争方式(万字长文)
专知会员服务
8+阅读 · 6月25日
《国防领域敏感性分析白皮书》
专知会员服务
9+阅读 · 6月25日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17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
利用动态深度学习预测金融时间序列基于Python
量化投资与机器学习
18+阅读 · 2018年10月30日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12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
Layer Normalization原理及其TensorFlow实现
深度学习每日摘要
32+阅读 · 2017年6月17日
相关基金
国家自然科学基金
2+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
0+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
2+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
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
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员