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理想GCM中对流参数的校准和不确定性量化。 arXiv公司:2012.13262

预印本,arXiv:2012.13262[math.ST](2020)。
概要:气候模型中的参数通常是手动校准的,仅利用可用数据的一小部分。这就排除了不确定性的最佳校准和量化。允许不确定性量化的传统贝叶斯校准方法对气候模型来说过于昂贵;在存在内部气候变化的情况下,它们也不稳健。例如,马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)方法通常需要运行(O(10^5))模型,并且对内部变异性噪声敏感,因此不适用于气候模型。在这里,我们演示了一种模型校准和不确定性量化方法,该方法只需要(O(10^2))模型运行,并且可以适应内部气候变化。该方法由三个阶段组成:(i)校准阶段使用集合卡尔曼反演的变体,通过最小化模型和数据统计之间的失配来校准模型;(ii)仿真阶段使用高斯过程(GP)模拟参数到数据映射,使用校准阶段运行的模型进行训练;(iii)采样阶段通过使用MCMC对GP仿真器进行采样来近似贝叶斯后验分布。我们证明了这种校准仿真样本(CES)方法在完美模型设置中的可行性和计算效率。使用理想的大气环流模型,我们根据模型生成的合成数据估计简单对流方案中的参数。CES方法生成参数的概率分布,这些参数是贝叶斯后验的良好近似,其计算成本仅为获得它们通常所需的计算成本的一小部分。从这个近似后验值进行采样,可以生成具有量化参数不确定性的气候预测。
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