Lagrangian data assimilation of complex nonlinear turbulent flows is an important but computationally challenging topic. In this article, an efficient data-driven statistically accurate reduced-order modeling algorithm is developed that significantly accelerates the computational efficiency of Lagrangian data assimilation. The algorithm starts with a Fourier transform of the high-dimensional flow field, which is followed by an effective model reduction that retains only a small subset of the Fourier coefficients corresponding to the energetic modes. Then a linear stochastic model is developed to approximate the nonlinear dynamics of each Fourier coefficient. Effective additive and multiplicative noise processes are incorporated to characterize the modes that exhibit Gaussian and non-Gaussian statistics, respectively. All the parameters in the reduced order system, including the multiplicative noise coefficients, are determined systematically via closed analytic formulae. These linear stochastic models succeed in forecasting the uncertainty and facilitate an extremely rapid data assimilation scheme. The new Lagrangian data assimilation is then applied to observations of sea ice floe trajectories that are driven by atmospheric winds and turbulent ocean currents. It is shown that observing only about $30$ non-interacting floes in a $200$km$\times200$km domain is sufficient to recover the key multi-scale features of the ocean currents. The additional observations of the floe angular displacements are found to be suitable supplements to the center-of-mass positions for improving the data assimilation skill. In addition, the observed large and small floes are more useful in recovering the large- and small-scale features of the ocean, respectively. The Fourier domain data assimilation also succeeds in recovering the ocean features in the areas where cloud cover obscures the observations.


翻译:复杂非线性动荡流的拉格兰加数据同化是一个重要但具有计算挑战性的议题。 在本条中, 开发了一个高效数据驱动的统计性准确减序模型算法, 大大加快了拉格兰加数据同化的计算效率。 算法从高维流流场的Fourier变异开始, 其次有效的减法只保留与高能模式相对的Fourier系数的一小部分。 然后开发了一个线性随机化模型, 以近似每个Fourier系数的非线性动态。 采用了有效的添加和多复制性噪声模型, 来描述显示高频和非Gaussia的模型。 降序系统中的所有参数, 包括多版噪声系数, 通过封闭的解析公式系统系统系统系统系统系统确定。 这些线性切换模型能够预测不确定性, 便利极快速的数据同化计划。 然后将新的Lagrangian数据同化模型用于观测由大气风和海流中流中流中最适量值的浮度位置。 在海洋流流中, 测测测测测测取的大型流数据时, 正在测测取的大流流流流数据, 。

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