Data required to calibrate uncertain GCM parameterizations are often only available in limited regions or time periods, for example, observational data from field campaigns, or data generated in local high-resolution simulations. This raises the question of where and when to acquire additional data to be maximally informative about parameterizations in a GCM. Here we construct a new ensemble-based parallel algorithm to automatically target data acquisition to regions and times that maximize the uncertainty reduction, or information gain, about GCM parameters. The algorithm uses a Bayesian framework that exploits a quantified distribution of GCM parameters as a measure of uncertainty. This distribution is informed by time-averaged climate statistics restricted to local regions and times. The algorithm is embedded in the recently developed calibrate-emulate-sample (CES) framework, which performs efficient model calibration and uncertainty quantification with only $\mathcal{O}(10^2)$ model evaluations, compared with $\mathcal{O}(10^5)$ evaluations typically needed for traditional approaches to Bayesian calibration. We demonstrate the algorithm with an idealized GCM, with which we generate surrogates of local data. In this perfect-model setting, we calibrate parameters and quantify uncertainties in a quasi-equilibrium convection scheme in the GCM. We consider targeted data that are (i) localized in space for statistically stationary simulations, and (ii) localized in space and time for seasonally varying simulations. In these proof-of-concept applications, the calculated information gain reflects the reduction in parametric uncertainty obtained from Bayesian inference when harnessing a targeted sample of data. The largest information gain typically, but not always, results from regions near the intertropical convergence zone (ITCZ).


翻译:校准不确定的GCM参数化所需的数据往往只在有限的区域或时段提供,例如,实地运动的观测数据,或当地高分辨率模拟产生的数据。这就提出了一个问题,即何时何地和何时获取额外数据,使GCM参数化的参数化信息最大化。我们在这里建立一个新的混合平行算法,将数据采集目标自动设定到各个区域和时间,以最大限度地减少不确定性或获得关于GCM参数的信息。算法使用一种贝叶斯框架,利用可量化的碱值参数分布作为不确定性的衡量尺度。这种分布依据于限于当地区域和时间的时间级平均气候数据。算法嵌入最近开发的校准模模模模模(CES)框架,这一框架只进行高效的模型校准和不确定性量化(10+2)美元模型评估,将数据自动减少不确定性作为最大目标值。在Bayes校准的传统方法中,通常需要10=5美元。我们用理想化的GCM(ii)进行算算法,我们用这种模型来测定目标化的精确度参数化的数值,在精确度参数上,我们用精确的校准的校准的校准系统计算数据。

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