Balanced truncation is a well-established model order reduction method in system theory that has been applied to a variety of problems. Recently, a connection between linear Gaussian Bayesian inference problems and the system theoretic concept of balanced truncation was drawn for the first time. Although this connection is new, the application of balanced truncation to data assimilation is not a novel concept: It has already been used in four-dimensional variational data assimilation (4D-Var) in its discrete formulation. In this paper, the link between system theory and data assimilation is further strengthened by discussing the application of balanced truncation to standard linear Gaussian Bayesian inference, and, in particular, the 4D-Var method. Similarities between both data assimilation problems allow a discussion of established methods as well as a generalisation of the state-of-the-art approach to arbitrary prior covariances as reachability Gramians. Furthermore, we propose an enhanced approach using time-limited balanced truncation that allows to balance Bayesian inference for unstable systems and in addition improves the numerical results for short observation periods.


翻译:平衡脱节是系统理论中一种成熟的减少顺序的模型方法,适用于各种问题。最近,首次在线性高斯湾湾的推论问题和平衡脱节的系统理论概念之间得出了联系。虽然这种联系是新的,但平衡脱节对数据同化的应用并不是一个新概念:它在分立的配方中已经在四维变异数据同化(4D-Var)中使用过。在本文中,系统理论与数据同化之间的联系通过讨论对标准直线高斯湾的推论适用平衡脱,特别是4D-Var方法,得到进一步加强。两个数据同化问题之间的相似之处使得可以讨论既定方法,以及一般采用最新方法来处理先前任意的可达性变异性格朗米亚人。此外,我们建议采用一种强化的方法,使用有时间限制的平衡调和的调和方法,从而能够平衡不稳定系统的巴伊斯岛的推论,并改进短期观测的数值结果。

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