Data assimilation algorithms are used to estimate the states of a dynamical system using partial and noisy observations. The ensemble Kalman filter has become a popular data assimilation scheme due to its simplicity and robustness for a wide range of application areas. Nevertheless, the ensemble Kalman filter also has limitations due to its inherent Gaussian and linearity assumptions. These limitations can manifest themselves in dynamically inconsistent state estimates. We investigate this issue in this paper for highly oscillatory Hamiltonian systems with a dynamical behavior which satisfies certain balance relations. We first demonstrate that the standard ensemble Kalman filter can lead to estimates which do not satisfy those balance relations, ultimately leading to filter divergence. We also propose two remedies for this phenomenon in terms of blended time-stepping schemes and ensemble-based penalty methods. The effect of these modifications to the standard ensemble Kalman filter are discussed and demonstrated numerically for two model scenarios. First, we consider balanced motion for highly oscillatory Hamiltonian systems and, second, we investigate thermally embedded highly oscillatory Hamiltonian systems. The first scenario is relevant for applications from meteorology while the second scenario is relevant for applications of data assimilation to molecular dynamics.


翻译:数据同化算法用于使用局部和噪音观测来估计动态系统的状态。 共振卡尔曼过滤器由于其对广泛应用领域的简单性和稳健性,已成为一种流行的数据同化办法。 然而,共振卡尔曼过滤器也因其固有的高射程和线性假设而受到限制。 这些限制可以表现为动态不一致的状态估计。 我们在本文件中调查高度悬浮的汉密尔顿系统及其符合某种平衡关系的动态行为的问题。 我们首先表明标准共振卡尔曼过滤器可导致无法满足这些平衡关系的估计数,最终导致过滤差异。 我们还就这一现象提出了两种补救办法,即混合时间步进制办法和共振惩罚方法。这些修改对标准共振卡尔曼过滤器的影响在两种模型假设中都得到了讨论和数字化的证明。 首先,我们考虑高度振动的汉密尔密尔顿系统是平衡的,第二,我们研究热嵌入的高度振动的汉密尔密尔顿系统,最终导致过滤分歧。我们提出的第一种设想方案与数据同化应用有关。

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