Data assimilation algorithms combine information from observations and prior model information to obtain the most likely state of a dynamical system. The linearised weak-constraint four-dimensional variational assimilation problem can be reformulated as a saddle point problem, which admits more scope for preconditioners than the primal form. In this paper we design new terms which can be used within existing preconditioners, such as block diagonal and constraint-type preconditioners. Our novel preconditioning approaches: (i) incorporate model information whilst guaranteeing parallelism, and (ii) are designed to target correlated observation error covariance matrices. To our knowledge (i) has not previously been considered for data assimilation problems. We develop new theory demonstrating the effectiveness of the new preconditioners within Krylov subspace methods. Linear and non-linear numerical experiments reveal that our new approach leads to faster convergence than existing state-of-the-art preconditioners for a broader range of problems than indicated by the theory alone. We present a range of numerical experiments performed in serial, with further improvements expected if the highly parallelisable nature of the preconditioners is exploited.


翻译:数据同化算法结合观测和先验模型信息以获取动态系统的最可能状态。将线性化的弱约束四维变分同化问题重构为鞍点问题,该问题较原始形式具有更多的预处理器选择。在本文中,我们设计了可用于现有预处理器中的新术语,例如块对角线和约束型预处理器。我们的新预处理方法:(i)在保证并行性的同时,结合了模型信息;(ii)旨在瞄准相关观测误差协方差矩阵。据我们所知,(i)在数据同化问题中以前未被考虑。我们开发了新的理论,证明了在 Krylov 子空间方法中使用新预处理器的有效性。线性和非线性数值实验表明,我们的新方法比现有的最先进预处理器在更广泛的问题范围内实现了更快的收敛速度,这比理论单独所示的要好得多。我们进行了一系列串行数值实验,如果利用预处理器的高度可并行化特性,则可以进一步改进。

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