We present a model inversion algorithm, CKLEMAP, for data assimilation and parameter estimation in partial differential equation models of physical systems with spatially heterogeneous parameter fields. These fields are approximated using low-dimensional conditional Karhunen-Lo\'{e}ve expansions, which are constructed using Gaussian process regression models of these fields trained on the parameters' measurements. We then assimilate measurements of the state of the system and compute the maximum a posteriori estimate of the CKLE coefficients by solving a nonlinear least-squares problem. When solving this optimization problem, we efficiently compute the Jacobian of the vector objective by exploiting the sparsity structure of the linear system of equations associated with the forward solution of the physics problem. The CKLEMAP method provides better scalability compared to the standard MAP method. In the MAP method, the number of unknowns to be estimated is equal to the number of elements in the numerical forward model. On the other hand, in CKLEMAP, the number of unknowns (CKLE coefficients) is controlled by the smoothness of the parameter field and the number of measurements, and is in general much smaller than the number of discretization nodes, which leads to a significant reduction of computational cost with respect to the standard MAP method. To show its advantage in scalability, we apply CKLEMAP to estimate the transmissivity field in a two-dimensional steady-state subsurface flow model of the Hanford Site by assimilating synthetic measurements of transmissivity and hydraulic head. We find that the execution time of CKLEMAP scales nearly linearly as $N^{1.33}$, where $N$ is the number of discretization nodes, while the execution time of standard MAP scales as $N^{2.91}$. The CKLEMAP method improved execution time without sacrificing accuracy when compared to the standard MAP.


翻译:我们展示了一个模型变换算法( CKLEMAP ), 用于数据同化和参数估算, 用于在物理系统中的局部差异方程模型中进行数据同化和参数估算。 这些字段使用与物理问题前方解决方案相关的直方系统的宽度结构来进行近似。 CKLEMA 方法比标准 MAP 方法更具有可缩放性。 在 MAP 方法中, 我们吸收系统状态的测量, 并通过解决一个非线性最低方程问题来计算CKLELE系数的后继估计值。 在解决这一优化问题时, 我们通过利用与物理问题前方解决方案相关方方方方方方程式的线性平滑度结构来有效计算矢量。 CKLEMA 方法比标准平流法的缩放性更强。 在CQLEA 标准平流中, 我们的平流比标准平流法的递减法更小一些。

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