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Multigrid solvers and multigrid preconditioners for the solution of variational data assimilation problems

Authors :
Emilie Neveu
Arthur Vidard
Laurent Debreu
Ehouarn Simon
François-Xavier Le Dimet
Mathematics and computing applied to oceanic and atmospheric flows (AIRSEA)
Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Algorithms for Modeling and Simulation of Nanosystems (NANO-D)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Algorithmes Parallèles et Optimisation (IRIT-APO)
Institut de recherche en informatique de Toulouse (IRIT)
Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Toulouse 1 Capitole (UT1)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées
Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Modelling, Observations, Identification for Environmental Sciences (MOISE)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK)
Université Pierre Mendès France - Grenoble 2 (UPMF)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Pierre Mendès France - Grenoble 2 (UPMF)-Université Joseph Fourier - Grenoble 1 (UJF)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Laboratoire de Mathématiques (LAMA)
Université Savoie Mont Blanc (USMB [Université de Savoie] [Université de Chambéry])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Nansen Environmental and Remote Sensing Center [Bergen] (NERSC)
Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Toulouse Mind & Brain Institut (TMBI)
Université Toulouse - Jean Jaurès (UT2J)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3)
Université de Toulouse (UT)-Université Toulouse Capitole (UT Capitole)
Université de Toulouse (UT)
Source :
Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Wiley, 2016, 142 (694), pp.515-528. ⟨10.1002/qj.2676⟩, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2016, 142 (694), pp.515-528. ⟨10.1002/qj.2676⟩
Publication Year :
2016
Publisher :
HAL CCSD, 2016.

Abstract

International audience; In order to lower the computational cost of the variational data assimilation process, we investigate the use of multigrid methods to solve the associated optimal control system. On a linear advection equation, we study the impact of the regularization term of the optimal control and the impact of discretization errors on the efficiency of the coarse grid correction step. We show that even if the optimal control problem leads to the solution of an elliptic system, numerical errors introduced by the discretization can alter the success of the multigrid methods. The view of the multigrid iteration as a preconditioner for a Krylov optimization method leads to a more robust algorithm. A scale dependent weighting of the multigrid preconditioner and the usual background error covariance matrix based preconditioner is proposed and brings significant improvements.

Details

Language :
English
ISSN :
00359009 and 1477870X
Database :
OpenAIRE
Journal :
Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, Wiley, 2016, 142 (694), pp.515-528. ⟨10.1002/qj.2676⟩, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2016, 142 (694), pp.515-528. ⟨10.1002/qj.2676⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....e1c40d4c695a70e07716c5d39232ffd9
Full Text :
https://doi.org/10.1002/qj.2676⟩