Data assimilation algorithms combine prior and observational information, weighted by their respective uncertainties, to obtain the most likely posterior of a dynamical system. In variational data assimilation the posterior is computed by solving a nonlinear least squares problem. Many numerical weather prediction (NWP) centres use full observation error covariance (OEC) weighting matrices, which can slow convergence of the data assimilation procedure. Previous work revealed the importance of the minimum eigenvalue of the OEC matrix for conditioning and convergence of the unpreconditioned data assimilation problem. In this paper we examine the use of correlated OEC matrices in the preconditioned data assimilation problem for the first time. We consider the case where there are more state variables than observations, which is typical for applications with sparse measurements e.g. NWP and remote sensing. We find that similarly to the unpreconditioned problem, the minimum eigenvalue of the OEC matrix appears in new bounds on the condition number of the Hessian of the preconditioned objective function. Numerical experiments reveal that the condition number of the Hessian is minimised when the background and observation lengthscales are equal. This contrasts with the unpreconditioned case, where decreasing the observation error lengthscale always improves conditioning. Conjugate gradient experiments show that in this framework the condition number of the Hessian is a good proxy for convergence. Eigenvalue clustering explains cases where convergence is faster than expected.


翻译:数据同化算法结合了先前和观察信息,并按各自的不确定性加以加权,以获得动态系统最有可能的后部。在数据同化的变式数据同化中,后部通过解决非线性最小平方问题来计算。许多数字天气预测(NWP)中心使用完全观测误差共变加权矩阵,这可以减缓数据同化程序的趋同速度。先前的工作揭示了OEC矩阵最小值对于调节和融合未经预设的数据同化问题的重要性。在本文中,我们审查了在数据同化问题前提下,首次使用相关的 OEC 矩阵的情况。我们考虑了在观测中,比观测结果更多的状态变量(例如NWP和遥感)更多的情况。我们发现,与未设定的同化问题相似,OEC 矩阵的最小值似乎在Hesgenian 条件序列中,用于调节未经预设数据同级的数据同级的同级值。 数字实验显示, 当Hesian 条件在背景和观测结果的趋同级度框架中, 最慢的变异的变异性, 显示, 递化的变变变的变的变变的变的变的变的变的比 。

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