4DVAR by ensemble Kalman smoother

We propose to use the ensemble Kalman smoother (EnKS) as linear least squares solver in the Gauss-Newton method for the large nonlinear least squares in incremental 4DVAR. The ensemble approach is naturally parallel over the ensemble members and no tangent or adjoint operators are needed. Further, adding a regularization term results in replacing the Gauss-Newton method, which may diverge, by^M the Levenberg-Marquardt method, which is known to be convergent. The regularization is implemented efficiently as an additional observation in the EnKS.Comment: 9 page

Hybrid Filter Methods for Nonlinear Optimization

Globalization strategies used by algorithms to solve nonlinear constrained optimization problems must balance the oftentimes conflicting goals of reducing the objective function and satisfying the constraints. The use of merit functions and filters are two such popular strategies, both of which have their strengths and weaknesses. In particular, traditional filter methods require the use of a restoration phase that is designed to reduce infeasibility while ignoring the objective function. For this reason, there is often a significant decrease in performance when restoration is triggered. In Chapter 3, we present a new filter method that addresses this main weakness of traditional filter methods. Specifically, we present a hybrid filter method that avoids a traditional restoration phase and instead employs a penalty mode that is built upon the l-1 penalty function; the penalty mode is entered when an iterate decreases both the penalty function and the constraint violation. Moreover, the algorithm uses the same search direction computation procedure during every iteration and uses local feasibility estimates that emerge during this procedure to define a new, improved, and adaptive margin (envelope) of the filter. Since we use the penalty function (a combination of the objective function and constraint violation) to define the search direction, our algorithm never ignores the objective function, a property that is not shared by traditional filter methods. Our algorithm thusly draws upon the strengths of both filter and penalty methods to form a novel hybrid approach that is robust and efficient. In particular, under common assumptions, we prove global convergence of our algorithm. In Chapter 4, we present a nonmonotonic variant of the algorithm in Chapter 3. For this version of our method, we prove that it generates iterates that converge to a first-order solution from an arbitrary starting point, with a superlinear rate of convergence. We also present numerical results that validate the efficiency of our method. Finally, in Chapter 5, we present a numerical study on the application of a recently developed bound-constrained quadratic optimization algorithm on the dual formulation of sparse large-scale strictly convex quadratic problems. Such problems are of particular interest since they arise as subproblems during every iteration of our new filter methods

Solving regularized nonlinear least-squares problem in dual space with application to variational data assimilation

Cette thèse étudie la méthode du gradient conjugué et la méthode de Lanczos pour la résolution de problèmes aux moindres carrés non-linéaires sous déterminés et régularisés par un terme de pénalisation quadratique. Ces problèmes résultent souvent d'une approche du maximum de vraisemblance, et impliquent un ensemble de m observations physiques et n inconnues estimées par régression non linéaire. Nous supposons ici que n est grand par rapport à m. Un tel cas se présente lorsque des champs tridimensionnels sont estimés à partir d'observations physiques, par exemple dans l'assimilation de données appliquée aux modèles du système terrestre. Un algorithme largement utilisé dans ce contexte est la méthode de Gauss- Newton (GN), connue dans la communauté d'assimilation de données sous le nom d'assimilation variationnelle des données quadridimensionnelles. Le procédé GN repose sur la résolution approchée d'une séquence de moindres carrés linéaires optimale dans laquelle la fonction coût non-linéaire des moindres carrés est approximée par une fonction quadratique dans le voisinage de l'itération non linéaire en cours. Cependant, il est bien connu que cette simple variante de l'algorithme de Gauss-Newton ne garantit pas une diminution monotone de la fonction coût et sa convergence n'est donc pas garantie. Cette difficulté est généralement surmontée en utilisant une recherche linéaire (Dennis and Schnabel, 1983) ou une méthode de région de confiance (Conn, Gould and Toint, 2000), qui assure la convergence globale des points critiques du premier ordre sous des hypothèses faibles. Nous considérons la seconde de ces approches dans cette thèse. En outre, compte tenu de la grande échelle de ce problème, nous proposons ici d'utiliser un algorithme de région de confiance particulier s'appuyant sur la méthode du gradient conjugué tronqué de Steihaug-Toint pour la résolution approchée du sous-problème (Conn, Gould and Toint, 2000, p. 133-139) La résolution de ce sous-problème dans un espace à n dimensions (par CG ou Lanczos) est considérée comme l'approche primale. Comme alternative, une réduction significative du coût de calcul est possible en réécrivant l'approximation quadratique dans l'espace à m dimensions associé aux observations. Ceci est important pour les applications à grande échelle telles que celles quotidiennement traitées dans les systèmes de prévisions météorologiques. Cette approche, qui effectue la minimisation de l'espace à m dimensions à l'aide CG ou de ces variantes, est considérée comme l'approche duale. La première approche proposée (Da Silva et al., 1995; Cohn et al., 1998; Courtier, 1997), connue sous le nom de Système d'analyse Statistique de l'espace Physique (PSAS) dans la communauté d'assimilation de données, commence par la minimisation de la fonction de coût duale dans l'espace de dimension m par un CG préconditionné (PCG), puis revient l'espace à n dimensions. Techniquement, l'algorithme se compose de formules de récurrence impliquant des vecteurs de taille m au lieu de vecteurs de taille n. Cependant, l'utilisation de PSAS peut être excessivement coûteuse car il a été remarqué que la fonction de coût linéaire des moindres carrés ne diminue pas monotonement au cours des itérations non-linéaires. Une autre approche duale, connue sous le nom de méthode du gradient conjugué préconditionné restreint (RPCG), a été proposée par Gratton and Tshimanga (2009). Celle-ci génère les mêmes itérations en arithmétique exacte que l'approche primale, à nouveau en utilisant la formule de récurrence impliquant des vecteurs taille m. L'intérêt principal de RPCG est qu'il en résulte une réduction significative de la mémoire utilisée et des coûts de calcul tout en conservant la propriété de convergence souhaitée, contrairement à l'algorithme PSAS. La relation entre ces deux approches duales et la dérivation de préconditionneurs efficaces (Gratton, Sartenaer and Tshimanga, 2011), essentiels pour les problèmes à grande échelle, n'ont pas été abordées par Gratton and Tshimanga (2009). La motivation principale de cette thèse est de répondre à ces questions. En particulier, nous nous intéressons à la conception de techniques de préconditionnement et à une généralisation des régions de confiance qui maintiennent la correspondance une-à-une entre itérations primales et duales, opérant ainsi un calcul éfficace avec un algorithme globalement convergent. ABSTRACT : This thesis investigates the conjugate-gradient method and the Lanczos method for the solution of under-determined nonlinear least-squares problems regularized by a quadratic penalty term. Such problems often result from a maximum likelihood approach, and involve a set of m physical observations and n unknowns that are estimated by nonlinear regression. We suppose here that n is large compared to m. These problems are encountered for instance when three-dimensional fields are estimated from physical observations, as is the case in data assimilation in Earth system models. A widely used algorithm in this context is the Gauss-Newton (GN) method, known in the data assimilation community under the name of incremental four dimensional variational data assimilation. The GN method relies on the approximate solution of a sequence of linear least-squares problems in which the nonlinear least-squares cost function is approximated by a quadratic function in the neighbourhood of the current nonlinear iterate. However, it is well known that this simple variant of the Gauss-Newton algorithm does not ensure a monotonic decrease of the cost function and that convergence is not guaranteed. Removing this difficulty is typically achieved by using a line-search (Dennis and Schnabel, 1983) or trust-region (Conn, Gould and Toint, 2000) strategy, which ensures global convergence to first order critical points under mild assumptions. We consider the second of these approaches in this thesis. Moreover, taking into consideration the large-scale nature of the problem, we propose here to use a particular trust-region algorithm relying on the Steihaug-Toint truncated conjugate-gradient method for the approximate solution of the subproblem (Conn, Gould and Toint, 2000, pp. 133-139). Solving this subproblem in the n-dimensional space (by CG or Lanczos) is referred to as the primal approach. Alternatively, a significant reduction in the computational cost is possible by rewriting the quadratic approximation in the m-dimensional space associated with the observations. This is important for large-scale applications such as those solved daily in weather prediction systems. This approach, which performs the minimization in the m-dimensional space using CG or variants thereof, is referred to as the dual approach. The first proposed dual approach (Courtier, 1997), known as the Physical-space Statistical Analysis System (PSAS) in the data assimilation community starts by solving the corresponding dual cost function in m-dimensional space by a standard preconditioned CG (PCG), and then recovers the step in n-dimensional space through multiplication by an n by m matrix. Technically, the algorithm consists of recurrence formulas involving m-vectors instead of n-vectors. However, the use of PSAS can be unduly costly as it was noticed that the linear least-squares cost function does not monotonically decrease along the nonlinear iterations when applying standard termination. Another dual approach has been proposed by Gratton and Tshimanga (2009) and is known as the Restricted Preconditioned Conjugate Gradient (RPCG) method. It generates the same iterates in exact arithmetic as those generated by the primal approach, again using recursion formula involving m-vectors. The main interest of RPCG is that it results in significant reduction of both memory and computational costs while maintaining the desired convergence property, in contrast with the PSAS algorithm. The relation between these two dual approaches and the question of deriving efficient preconditioners (Gratton, Sartenaer and Tshimanga, 2011), essential when large-scale problems are considered, was not addressed in Gratton and Tshimanga (2009). The main motivation for this thesis is to address these open issues. In particular, we are interested in designing preconditioning techniques and a trust-region globalization which maintains the one-to-one correspondance between primal and dual iterates, thereby offering a cost-effective computation in a globally convergent algorithm