Data assimilation provides algorithms for widespread applications in various fields. It is of practical use to deal with a large amount of information in the complex system that is hard to estimate. Weather forecasting is one of the applications, where the prediction of meteorological data are corrected given the observations. Numerous approaches are contained in data assimilation. One specific sequential method is the Kalman Filter. The core is to estimate unknown information with the new data that is measured and the prior data that is predicted. As a matter of fact, there are different improved methods in the Kalman Filter. In this project, the Ensemble Kalman Filter with perturbed observations is considered. It is achieved by Monte Carlo simulation. In this method, the ensemble is involved in the calculation instead of the state vectors. In addition, the measurement with perturbation is viewed as the suitable observation. These changes compared with the Linear Kalman Filter make it more advantageous in that applications are not restricted in linear systems any more and less time is taken when the data are calculated by computers. The thesis seeks to develop the Ensemble Kalman Filter with perturbed observation gradually. With the Mathematical preliminaries including the introduction of dynamical systems, the Linear Kalman Filter is built. Meanwhile, the prediction and analysis processes are derived. After that, we use the analogy thoughts to lead in the non-linear Ensemble Kalman Filter with perturbed observations. Lastly, a classic Lorenz 63 model is illustrated by MATLAB. In the example, we experiment on the number of ensemble members and seek to investigate the relationships between the error of variance and the number of ensemble members. We reach the conclusion that on a limited scale the larger number of ensemble members indicates the smaller error of prediction.


翻译:数据同化提供了各种领域广泛应用的算法。处理难以估计的复杂系统中的大量信息非常有用。天气预报是其中之一的应用,根据观测结果来修正气象数据预测。数据同化中包含许多方法。一种特定的顺序方法是卡尔曼滤波器。其核心是使用新测量数据和先前预测数据来估计未知信息。事实上,有许多改进的卡尔曼滤波方法。在这个项目中,考虑了带扰动观测的集合卡尔曼滤波器。通过蒙特卡罗模拟实现。在这种方法中,集合被纳入计算中,而不是状态向量。此外,带扰动的测量被视为适当的观测。相对于线性卡尔曼滤波器,这些变化使得它更具优势,因为应用不再局限于线性系统,并且计算机计算数据所需的时间更少。本文旨在逐步发展带扰动观测的集合卡尔曼滤波器。通过数学预备知识,包括动力系统的介绍,建立了线性卡尔曼滤波器。同时,推导出了预测和分析过程。之后,我们使用类比思想引入非线性的带扰动观测集合卡尔曼滤波器。最后,使用MATLAB对经典的Lorenz 63模型进行了详细说明。在示例中,我们对集合成员数量进行了实验,并试图研究方差误差与集合成员数量之间的关系。我们得出结论:在有限范围内,较大数量的集合成员表示预测误差较小。

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