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COSTA a problem solving environment for data assimilation applied for hydrodynamical modelling

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A problem solving environment for data assimilation called COSTA is developed at Delft University of Technology. The goal of COSTA is to offer a modular framework where simulation models can be combined with various data assimilation methods. COSTA defines a number of building blocks called components. Examples of components are model, method, stochastic observer and state-vector. New data assimilation systems can be created by combining these components. This paper describes the application of COSTA to the WAQUA/TRIWAQ shallow water simulation model. In the past a model specific RRSQRT Kalman filter has been implemented for WAQUA/TRIWAQ. However, this implementation cannot be used in combination with other models. The WAQUA/TRIWAQ model is changed into a COSTA model component and the original RRSQRT Kalman filter is changed into a generic filter that can be used for other models as well. The new filter is now a part of the COSTA environment. The original filter contained a number of WAQUA/TRIWAQ specific aspects e.g. the drying and flooding of areas in the model. These model specific issues are identified, isolated and moved into the model component. A COSTA based implementation of WAQUA/TRIWAQ with the RRSQRT Kalman filter is realized and compared to the original system in a number of experiments. The experiments show that the COSTA based system produces the correct results and the computational overhead for using COSTA is low. The new RRSQRT Kalman filter is also combined with other COSTA models including the LOTOS-EUROS model for atmospherical transport, chemistry (chemical reaction) and deposition of air pollution on the scale of Europe.

COSTA, eine Umgebung zur Problemlösung von Daten Assimilationen, wird an der TU Delft entwickelt. Das Ziel von COSTA ist, eine modulare Umgebung zu entwickeln, mit der Simulationsmodelle mit verschiedenen Datenassimilationsmethoden kombiniert werden können. COSTA definiert eine bestimmte Anzahl Bausteine, sogenannte Komponenten. Beispiele von Komponenten sind Modell, Methode, stochastischer Beobachter und Zustandsvektor. Neue Daten-Assimilationssysteme können durch die Kombination dieser Komponenten zusammengestellt werden. Diese Arbeit beschreibt die Anwendung von COSTA auf das WAQUA/TRIWAQ Flachwasser-Simulationsmodell. In der Vergangenheit wurde ein modellspezifischer RRSQRT Kalmanfilter für WAQUA/TRIWAQ implementiert. Diese Methodik kann allerdings nicht in Kombination mit anderen Modellen angewandt werden. Das WAQUA/TRIWAQ Modell ist in eine COSTA Modellkomponente adaptiert und der originale RRSQRT Kalmanfilter ist in einen generischen Filter adaptiert; dieser generische Filter ist nun ein Teil der COSTA-Umgebung. Der originale Filter enthielt eine Anzahl spezifischer WAQUA/TRIWAQ-Aspekte, z.B. das Trockenfallen und Fluten von Gebieten in dem Modell. Diese modellspezifischen Aspekte wurden identifiziert, isoliert und in die Modellkomponente übertragen. Die COSTA-basierte Implementation von WAQUA/TRIWAQ mit dem RRSQRT Kalmanfilter wurde durchgeführt und anschließend durch verschiedene Experimente mit dem Originalsystem verglichen. Die Resultate dieser Experimente zeigen, dass das COSTA-basierte System korrekte Ergebnisse produziert; die zusätzliche Rechenleistung ist nur gering. Der neue RRSQRT Kalmanfilter wird außerdem mit anderen COSTA-Modellen kombiniert, u.a. dem LOTOS-EUROS-Modell für atmosphärischen Transport, chemischer Reaktion und Luftschmutzung auf europäischem Maßstab.

Document Type: Research Article


Publication date: December 1, 2007

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