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Using data assimilation to train a hybrid forecast system that combines machine-learning and knowledge-based components

数据同化 计算机科学 同化(音韵学) 人工智能 机器学习 气象学 地理 哲学 语言学
作者
Alexander Wikner,Jaideep Pathak,Brian R. Hunt,Istvan Szunyogh,Michelle Girvan,Edward Ott
出处
期刊:Chaos [American Institute of Physics]
卷期号:31 (5) 被引量:39
标识
DOI:10.1063/5.0048050
摘要

We consider the problem of data-assisted forecasting of chaotic dynamical systems when the available data is in the form of noisy partial measurements of the past and present state of the dynamical system. Recently there have been several promising data-driven approaches to forecasting of chaotic dynamical systems using machine learning. Particularly promising among these are hybrid approaches that combine machine learning with a knowledge-based model, where a machine-learning technique is used to correct the imperfections in the knowledge-based model. Such imperfections may be due to incomplete understanding and/or limited resolution of the physical processes in the underlying dynamical system, e.g., the atmosphere or the ocean. Previously proposed data-driven forecasting approaches tend to require, for training, measurements of all the variables that are intended to be forecast. We describe a way to relax this assumption by combining data assimilation with machine learning. We demonstrate this technique using the Ensemble Transform Kalman Filter (ETKF) to assimilate synthetic data for the 3-variable Lorenz system and for the Kuramoto-Sivashinsky system, simulating model error in each case by a misspecified parameter value. We show that by using partial measurements of the state of the dynamical system, we can train a machine learning model to improve predictions made by an imperfect knowledge-based model.
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