Performing Data Assimilation (DA) at a low cost is of prime concern in Earth system modeling, particularly at the time of big data where huge quantities of observations are available. Capitalizing on the ability of Neural Networks techniques for approximating the solution of PDE's, we incorporate Deep Learning (DL) methods into a DA framework. More precisely, we exploit the latent structure provided by autoencoders (AEs) to design an Ensemble Transform Kalman Filter with model error (ETKF-Q) in the latent space. Model dynamics are also propagated within the latent space via a surrogate neural network. This novel ETKF-Q-Latent (thereafter referred to as ETKF-Q-L) algorithm is tested on a tailored instructional version of Lorenz 96 equations, named the augmented Lorenz 96 system: it possesses a latent structure that accurately represents the observed dynamics. Numerical experiments based on this particular system evidence that the ETKF-Q-L approach both reduces the computational cost and provides better accuracy than state of the art algorithms, such as the ETKF-Q.


翻译:低成本进行数据同化(DA)是地球系统模型的主要关注事项,特别是在有大量观测的大型数据时。利用神经网络技术的能力来接近PDE的解决方案,我们将深学习(DL)方法纳入DA框架。更准确地说,我们利用Autoencoders(AEs)提供的潜伏结构来设计潜伏空间中带有模型错误(ETKF-Q)的合成变形卡尔曼过滤器(ETKF-Q),模型动态也通过代理神经网络在潜伏空间中传播。这个新型的ETKF-Q-Latent(现称ETKF-Q-L)算法(现称ETKF-L)在Lorenz 96 方程式的定制教学版本上进行了测试,称为增强的Lorenz 96 系统:它拥有一种精确代表所观测到的动态的潜伏结构。基于这一系统进行的数值实验证明,ETKF-Q-L方法既降低了计算成本,也提供了比Art-K Q 的精确度。

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