亚历山大·威克纳;贾德普·帕塔克;布赖恩·亨特。;伊斯特万·苏尼奥格;米歇尔·吉尔文;爱德华·奥特 使用数据同化训练一个结合机器学习和知识组件的混合预测系统。 (英语) Zbl 1462.37090号 混乱 31,第5期,053114,第11页(2021). 摘要:当可用数据是动力系统过去和现在状态的噪声部分测量值时,我们考虑混沌动力系统的数据辅助预测问题。最近,已经有几种很有前途的数据驱动方法来使用机器学习预测混沌动力系统。其中最有希望的是将机器学习与基于知识的模型相结合的混合方法,其中使用机器学习技术来纠正基于知识模型中的缺陷。这种缺陷可能是由于对底层动力系统(例如大气或海洋)中物理过程的不完全理解和/或有限的分辨率造成的。以前提出的数据驱动的预测方法往往需要对所有要预测的变量进行测量,以便进行培训。我们描述了一种通过将数据同化与机器学习相结合来放松这一假设的方法。我们使用集合变换卡尔曼滤波器演示了这一技术,以同化三变量Lorenz 1963系统和Kuramoto-Sivashinsky系统的合成数据,通过错误指定的参数值模拟每种情况下的模型误差。我们表明,通过使用动力系统状态的部分测量值,我们可以训练机器学习模型来改进不完善的知识模型所做的预测。©2021美国物理研究所 引用于三文件 MSC公司: 37M10个 动力系统的时间序列分析 软件:github PDF格式BibTeX公司 XML格式引用 \textit{A.Wikner}等人,Chaos 31,No.5,053114,11 p.(2021;Zbl 1462.37090) 全文: 内政部 arXiv公司 参考文献: [1] 阿巴巴内尔,H.D.I。;Rozdeba,P.J。;Shirman,S.,神经计算。,30, 2025 (2018) ·Zbl 1472.68127号 ·doi:10.1162/necoa_01094 [2] 阿尔科马诺,T。;Szunyogh,I。;Pathak,J。;威克纳,A。;亨特,B.R。;地球物理。Res.Lett.公司。,47,e2020 GL087776(2020)·doi:10.1029/2020GL087776 [3] Asch,M.、Bocquet,M.和Node,M.,《数据同化:方法、算法和应用,算法基础》(SIAM,2016)·Zbl 1361.93001号 [4] Bishop,C.H。;Etherton,B.J。;Majumdar,S.J.,周一。《天气评论》,129420(2001)·doi:10.1175/1520-0493(2001)129<0420:ASWTET>2.0.CO;2 [5] 博奎特,M。;Brajard,J。;卡拉西。;发现Bertino,L。数据科学。,2, 55 (2020) ·doi:10.3934/fods.2020004年 [6] 博奎特,M。;Brajard,J。;卡拉西。;Bertino,L.,非线性过程。地球物理学。,26, 143 (2019) ·doi:10.5194/npg-26-143-2019 [7] 博奎特,M.B。;Farchi,A。;发现Malartic,Q。数据科学·Zbl 1478.93687号 ·doi:10.3934/fods.2020015年 [8] Brajard,J。;卡拉西。;博奎特,M。;Bertino,L.,J.计算。科学。,44, 101171 (2020) ·doi:10.1016/j.jocs.2020.101171 [9] 汉堡,G。;Jan van Leeuwen,P。;Evensen,G.,周一。《天气评论》,1261719(1998)·doi:10.1175/1520-0493(1998)126<1719:ASITEK>2.0.CO;2 [10] Chattopadhyay,A。;Hassanzadeh,P。;Subramanian,D.,非线性过程。地球物理学。,27, 373 (2020) ·doi:10.5194/npg-27-373-2020 [11] 埃文森,G.,Ocean Dyn。,53, 343 (2003) ·doi:10.1007/s10236-003-0036-9 [12] Fletcher,S.,《地球科学的数据同化:从理论到应用》(2017),Elsevier [13] Gottwald,G.A。;Reich,S。 [14] 汉密尔顿,F。;Berry,T。;Sauer,T.,物理学。版本X,6011021(2016)·doi:10.1103/PhysRevX.6.011021 [15] Houtekamer,P.L。;Mitchell,H.L.,周一。《天气评论》,126796(1998)·doi:10.1175/1520-0493(1998)126<0796:DAUAEK>2.0.CO;2 [16] 亨特,B.R。;Kostelich,E.J。;Szunyogh,I.,Physica D,230,112(2007)·Zbl 1115.62030号 ·doi:10.1016/j.physd.2006.11.008 [17] Jaeger,H。;Haas,H.,《科学》,304,78(2004)·doi:10.1126/science.1091277 [18] Kalman,R.E.,J.基础工程,82,35(1960)·数字对象标识代码:10.1115/1.3662552 [19] 卡萨姆,A.-K。;Trefethen,L.N.,SIAM科学杂志。计算。,26, 1214 (2005) ·Zbl 1077.65105号 ·doi:10.137/S1064827502410633 [20] Kuramoto,Y。;Tsuzuki,T.,进步。西奥。物理。,55, 356 (1976) ·doi:10.1143/PTP.55.356 [21] 法律,K。;Stuart,A。;Zygalakis,K.,《数据同化:数学导论》(2015),施普林格国际出版社·Zbl 1353.60002号 [22] 卢根萨特,R。;Tandeo,P。;艾利奥特,P。;Pulido,M。;Fablet,R.,周一。《天气评论》,1454093(2017)·doi:10.1175/MWR-D-16-0441.1 [23] 李,Z。;Navon,I.M.和Q.J.R.Meteorol。《社会学杂志》,127661(2001)·doi:10.1002/qj.49712757220 [24] Lorenz,E.N.和J.Atmos。科学。,20, 130 (1963) ·Zbl 1417.37129号 ·doi:10.1175/1520-0469(1963)020<0130:DNF>2.0.CO;2 [25] 卢,Z。;Pathak,J。;亨特,B。;Girvan,M。;布罗科特,R。;Ott,E.,Chaos,27,041102(2017)·doi:10.1063/1.4979665 [26] Lukoševičius,M.,《神经网络:贸易的诡计》(Springer,2012),第659-686页。 [27] Mood,A.M.,《统计学理论导论》,394-399(1950),麦格劳·希尔·Zbl 0039.13901号 [28] Ott,E。;亨特,B.R。;Szunyogh,I。;Zimin,A.V。;Kostelich,E.J。;科拉扎,M。;Kalnay,E。;帕蒂尔,D。;Yorke,J.A.,Tellus A,56415(2004年)·doi:10.3402/tellusa.v56i5.14462 [29] Pathak,J。;亨特,B。;Girvan,M。;卢,Z。;Ott,E.,物理学。修订稿。,120024102(2018)·doi:10.1103/PhysRevLett.120.024102 [30] Pathak,J。;卢,Z。;亨特,B.R。;Girvan,M。;Ott,E.,Chaos,27,121102(2017)·Zbl 1390.37138号 ·doi:10.1063/1.5010300 [31] Pathak,J。;Wikner,A。;Fussell,R。;Chandra,S。;亨特,B.R。;Girvan,M。;Ott,E.,Chaos,28,041101(2018)·doi:10.1063/1.5028373 [32] Puskorius,G.V。;洛杉矶费尔德坎普,IEEE Trans。神经网络,5279(1994)·doi:10.1109/72.279191 [33] Reichstein,M。;Camps-Valls,G。;史蒂文斯,B。;Jung,M。;登茨勒,J。;北卡罗来纳州卡瓦利斯。;普拉巴特,《自然》,566195(2019)·doi:10.1038/s41586-019-0912-1 [34] Sivashinsky,G.,《宇航员学报》。,4, 1177 (1977) ·Zbl 0427.76047号 ·doi:10.1016/0094-5765(77)90096-0 [35] Szunyogh,I.,《适用大气动力学:大气动力学探索技术》(2014),《世界科学》·Zbl 1314.86001号 [36] Szunyogh,I。;Kostelich,E.J。;Gyarmati,G。;Kalnay,E。;亨特,B.R。;Ott,E。;萨特菲尔德,E。;Yorke,J.A.,Tellus A,60,113(2008)·doi:10.1111/j.1600-0870.2007.00274.x [37] Tomizawa,F。;Sawada,Y.,地球科学模型开发,Geosci。模型开发讨论。,2020 ·doi:10.5194/gmd-2020-211 [38] 王,X。;Bishop,C.H。;朱利尔,S.J.,Mon。《天气评论》,1321590(2004)·doi:10.1175/1520-0493(2004)132<1590:WIBAEO>2.0.CO;2 [39] Whitaker,J.S。;Hamill,T.M.,周一。《天气评论》,130,1913(2002)·doi:10.1175/1520-0493(2002)130<1913:EDAWPO>2.0.CO;2 [40] Wikner,A。;Pathak,J。;亨特,B。;Girvan,M。;阿科曼诺,T。;Szunyogh,I。;Pomerance,A。;Ott,E.,Chaos,30,053111(2020)·数字对象标识代码:10.1063/5.000541 [41] Wikner,A.(2020年)。“混合并行预测的MATLAB代码”,GitHub。https://github.com/awikner/CHyPP。 此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。