ISSN 1004-4965

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基于简单模式的集合卡尔曼滤波与粒子滤波的比较研究

杨硕 刘厂 吴新荣 李宁

杨硕, 刘厂, 吴新荣, 李宁. 基于简单模式的集合卡尔曼滤波与粒子滤波的比较研究[J]. 热带气象学报, 2017, 33(5): 695-705. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.013
引用本文: 杨硕, 刘厂, 吴新荣, 李宁. 基于简单模式的集合卡尔曼滤波与粒子滤波的比较研究[J]. 热带气象学报, 2017, 33(5): 695-705. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.013
Shuo YANG, Chang LIU, Xin-rong WU, Ning LI. COMPARISON RESEARCH OF ENKF AND PARTICLE FILTER IN A SIMPLE MODEL[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2017, 33(5): 695-705. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.013
Citation: Shuo YANG, Chang LIU, Xin-rong WU, Ning LI. COMPARISON RESEARCH OF ENKF AND PARTICLE FILTER IN A SIMPLE MODEL[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2017, 33(5): 695-705. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.013

基于简单模式的集合卡尔曼滤波与粒子滤波的比较研究

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.05.013
基金项目: 

国家重点研发计划 2016YFC1401800

基于粒子滤波的海气耦合数据同化方法研究 HEUCF041705

中国南海内波场数字化及其在数字化传播方面的应用 HEUCFP201708

详细信息
    通讯作者:

    刘厂,男,山东省人,讲师,从事参数估计、数据同化方法研究。E-mail: liuchang407@hrbeu.edu.cn

  • 中图分类号: P435

COMPARISON RESEARCH OF ENKF AND PARTICLE FILTER IN A SIMPLE MODEL

  • 摘要: 集合卡尔曼滤波和粒子滤波是大气海洋领域两种先进的数据同化方法。理论上讲,粒子滤波克服了集合卡尔曼滤波中先验分布的高斯假定。但现有的关于两种方法的比较研究不够全面和系统,基于简单的洛伦兹63模式,重点对基于确定性集合卡尔曼滤波和均权重粒子滤波的数据同化方法开展对比分析,通过对观测误差和模式误差的不同配置,设计了四组试验着重研究两种方法相同试验条件下的同化效果。试验结果表明:与采用最优膨胀系数的集合卡尔曼滤波的同化方法相比,均权重粒子滤波的均方根误差更加依赖于观测信息的质量,但最优膨胀因子的集合卡尔曼滤波的均方根误差低于粒子滤波同化方法。

     

  • 图  1  均权重粒子滤波数据同化流程图

    图  2  试验1中集合调整卡尔曼滤波取不同膨胀因子时得到的时间平均RMSE

    图  3  试验1中膨胀因子为1(蓝线)和524.5(绿线)时集合调整卡尔曼滤波与均权重粒子滤波(红线)的RMSE时间序列图

    图  4  试验1中控制变量x的前500步时间序列

    虚线表示真值;星号表示观测;绿线表示集合卡尔曼滤波的后验集合平均;蓝色点虚线表示粒子滤波的后验集合平均。

    图  5  试验2中不同膨胀因子得到的集合调整卡尔曼滤波(蓝线)的时间平均RMSE,以及均权重粒子滤波(红线)的时间平均RMSE

    图  6  试验2中控制变量x的前500步时间序列

    虚线表示真值;星号表示观测;绿线表示集合卡尔曼滤波的后验集合平均;蓝色点虚线表示粒子滤波的后验集合平均。

    图  7  试验2中膨胀因子为1(蓝线)和1.002 4(绿线)时集合调整卡尔曼滤波与均权重粒子滤波(红线)的RMSE时间序列图

    图  8  试验3中不同膨胀因子得到的集合调整卡尔曼滤波(蓝线)的时间平均RMSE,以及均权重粒子滤波(红线)的时间平均RMSE

    图  9  试验2中膨胀因子为1(蓝线)和6.23(绿线)时集合调整卡尔曼滤波与均权重粒子滤波(红线)的RMSE时间序列图

    图  10  试验3中控制变量x的前500步时间序列

    虚线表示真值;星号表示观测;绿线表示集合卡尔曼滤波的后验集合平均;蓝色点虚线表示粒子滤波的后验集合平均。

    图  11  试验4中不同膨胀因子得到的集合调整卡尔曼滤波(蓝线)的时间平均RMSE,以及均权重粒子滤波(红线)的时间平均RMSE

    图  12  试验4中膨胀因子为1(蓝线)和1.232(绿线)时集合调整卡尔曼滤波与均权重粒子滤波(红线)的RMSE时间序列图

    图  13  试验4中控制变量x的前500步时间序列

    虚线表示真值;星号表示观测;绿线表示集合卡尔曼滤波的后验集合平均;蓝色点虚线表示粒子滤波的后验集合平均。

    表  1  四组试验设置

    试验σρβ观测误差
    试验19.95288/3
    试验29.95288/3
    试验39.95+白噪声28+白噪声8/3+白噪声
    试验49.95+白噪声28+白噪声8/3+白噪声
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-10-25
  • 修回日期:  2017-06-18
  • 刊出日期:  2017-10-01

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