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计算机科学 > 机器学习

arXiv:2403.12366 (cs)
[提交于 2024年3月19日 ]

标题: U-Net 卡尔曼滤波器(UNetKF):机器学习辅助集合数据同化的示例

标题: U-Net Kalman Filter (UNetKF): An Example of Machine Learning-assisted Ensemble Data Assimilation

Authors:Feiyu Lu
摘要: 机器学习技术在气象和气候科学领域受到了极大的关注。数据同化(DA),即将观测数据和数值模型相结合,有潜力结合机器学习和人工智能(ML/AI)技术。在本文中,我们使用U-Net,一种卷积神经网络(CNN)类型,来预测集合卡尔曼滤波(EnKF)算法的局部集合协方差。使用一个两层的准地转模型,U-Net通过EnKF数据同化实验的数据进行训练。然后将训练好的U-Net用于预测U-Net卡尔曼滤波(UNetKF)实验中的流动依赖的局部误差协方差矩阵,并将其与传统的三维变分(3DVar)、集合三维变分(En3DVar)和EnKF方法进行比较。UNetKF的性能可以达到或超过3DVar、En3DVar或EnKF的性能。我们还证明了训练好的U-Net可以转移到更高分辨率的模型中以实现UNetKF,这再次表现出与3DVar和EnKF相当的性能,尤其是在小集合规模的情况下。
摘要: Machine learning techniques have seen a tremendous rise in popularity in weather and climate sciences. Data assimilation (DA), which combines observations and numerical models, has great potential to incorporate machine learning and artificial intelligence (ML/AI) techniques. In this paper, we use U-Net, a type of convolutional neutral network (CNN), to predict the localized ensemble covariances for the Ensemble Kalman Filter (EnKF) algorithm. Using a 2-layer quasi-geostrophic model, U-Nets are trained using data from EnKF DA experiments. The trained U-Nets are then used to predict the flow-dependent localized error covariance matrices in U-Net Kalman Filter (UNetKF) experiments, which are compared to traditional 3-dimensional variational (3DVar), ensemble 3DVar (En3DVar) and EnKF methods. The performance of UNetKF can match or exceed that of 3DVar, En3DVar or EnKF. We also demonstrate that trained U-Nets can be transferred to a higher-resolution model for UNetKF implementation, which again performs competitively to 3DVar and EnKF, particularly for small ensemble sizes.
主题: 机器学习 (cs.LG) ; 大气与海洋物理 (physics.ao-ph)
引用方式: arXiv:2403.12366 [cs.LG]
  (或者 arXiv:2403.12366v1 [cs.LG] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.12366
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Feiyu Lu [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2024 年 3 月 19 日 02:23:12 UTC (1,271 KB)
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