Recently, the number of observations used in a data assimilation system is increasing due to the enormous amount of observations, including satellite data. However, it is not clear that all of these observations are always beneficial to the performance of the numerical weather prediction (NWP). Therefore, it is important to evaluate the effect of observations on these forecasts so that the observations can be used more usefully in NWP process. In this study, the adjoint-based Forecast Sensitivity to Observation (FSO) method with the KMA Unified Model (UM) is applied to two high-impact weather events which occurred in summer and winter in Korea in an effort to investigate the effects of observations on the forecasts of these events. The total dry energy norm is used as a response function to calculate the adjoint sensitivity. For the summer case, TEMP observations have the greatest total impact while BOGUS shows the greatest impact per observation for all of the 24-, 36-, and 48-hour forecasts. For the winter case, aircraft, ATOVS, and ESA have the greatest total impact for the 24-, 36-, and 48-hour forecasts respectively, while ESA has the greatest impact per observation. Most of the observation effects are horizontally located upwind or in the vicinity of the Korean peninsula. The fraction of beneficial observations is less than 50%, which is less than the results in previous studies. As an additional experiment, the total moist energy norm is used as a response function to measure the sensitivity of 24-hour forecast error to observations. The characteristics of the observation impact with the moist energy response function are generally similar to those with the dry energy response function. However, the ATOVS observations were found to be sensitive to the response function, showing a positive (a negative) effect on the forecast when using the dry (moist) norm for the summer case. For the winter case, the dry and moist energy norm experiments show very similar results because the adjoint of KMA UM does not calculate the specific humidity of ice properly such that the dry and moist energy norms are very similar except for the humidity in air that is very low in winter.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제18권1호
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pp.1-15
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2014
We have investigated optimal control strategies for prevention of ecstasy use. Ecstasy use has continued at raves and nightclubs in recent years and the reduction of ecstasy use has become one of the important issues in society. We apply optimal control theory to a model of the peer-driven dynamics of ecstasy use. Our goal is to minimize the ecstasy use class and the intervention cost. Optimal control is characterized in terms of the solution of optimality system, which is the state system coupled with the adjoint system and the optimality equations. The numerical simulations show the optimal prevention policies of ecstasy use in various scenarios.
Kim, Chang Sung;Lee, Byoungjoon;Kim, Chongam;Rho, Oh-Hyun
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제2권1호
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pp.20-27
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2001
Aerodynamic sensitivity analysis is performed for the Navier-Stokes equations coupled with two-equation turbulence models using a discrete adjoint method and a direct differentiation method respectively. Like the mean flow equations, the turbulence model equations are also hand-differentiated to accurately calculate the sensitivity derivatives of flow quantities with respect to design variables in turbulent viscous flows. The sensitivity codes are then compared with the flow solver in terms of solution accuracy, computing time and computer memory requirements. The sensitivity derivatives obtained from the sensitivity codes with different turbulence models are compared with each other. The capability of the present sensitivity codes to treat complex geometry is successfully demonstrated by analyzing the flows over multi-element airfoils on Chimera overlaid grid systems.
A fine-grid (3 km ${\times}$ 3 km), three-dimensional nowcast system of sea levels, currents, temperature, and salinity is being developed for the Taiwan Strait. The project takes a balanced approach relying equally on models and observations, will have the capacity of real-time data assimilation, and is aimed at both practical and scientific applications. To determine boundary conditions and verify model results, eight coastal tide-gauge stations were first established along both sides of the strait. Strait-wide hydrographic surveys were conducted by research vessels. Currents are being measured using bottom-mounted ADCP moorings in a meridional deep channel off southwest Taiwan and along a traverse section in the central part of the strait. In addition to a fine-resolution three-dimensional model of the Taiwan Strait, an adjoint model and a larger-domain two-dimensional model were used to better determine boundary conditions in the northern and southern boundaries of the strait. In the first stage of model development, barotropic tides were successfully simulated in a hindcast mode. The protocol product has been released to general public, including government agencies, universities and general users.
In this research a theoretical and numerical study on a bridge damage detection procedure is presented based on vibration measurements collected from a set of accelerometers. This method, referred to as "Adjoint Variable Method", is a sensitivity-based finite element model updating method. The approach relies on minimizing a penalty function, which usually consists of the errors between the measured quantities and the corresponding predictions attained from the model. Moving mass is an interactive model and includes inertia effects between the model and mass. This interactive model is a time varying system and the proposed method is capable of detecting damage in this variable system. Robustness of the proposed method is illustrated by correct detection of the location and extension of predetermined single, multiple and random damages in all ranges of speed and mass ratio of moving vehicle. A comparative study on common sensitivity and the proposed method confirms its efficiency and performance improvement in sensitivity-based damage detection methods. In addition various possible sources of error, including the effects of measurement noise and initial assumption error in stability of method are also discussed.
Assimilation trials were performed using the Korea Institute of Atmospheric Prediction Systems (KIAPS) Korea Integrated Model (KIM) semi-operational forecast system to assess the impact of ground-based Global Navigation Satellite System (GNSS) Zenith Total Delay (ZTD) on forecast. To use the optimal observation in data assimilation of KIM forecast system, in this study, the ZTD observation were pre-processed. It involves the bias correction using long term background of KIM, the quality control based on background and the thinning of ZTD data. Also, to give the effect of observation directly to data assimilation, the observation operator which include non-linear model, tangent linear model, adjoint model, and jacobian code was developed and verified. As a result, impact of ZTD observation in both analysis and forecast was neutral or slightly positive on most meteorological variables, but positive on geopotential height. In addition, ZTD observations contributed to the improvement on precipitation of KIM forecast, specially over 5 mm/day precipitation intensity.
본 논문에서는 등기하 해석법을 이용하여 평면 탄성문제의 변분식을 유도하였다. 등기하 해석법은 새로이 부각되고 있는 해석법으로서 기저 함수가 NURBS(Non-Uniform Rational B-Splines) 로부터 직접 생성되므로 해 공간은 CAD 모델을 구성하는 함수로써 표현된다. 또한 CAD 모델의 B-Spline 기저 함수를 직접 사용하므로 기하학적으로 엄밀한 형상을 표현할 수 있고 요소망의 재구성 없이 해석모델을 정밀화(Refinement)할 수 있는 강점이 있다. 본 논문에서는 이를 확장하여 연속체 기반의 애드조인트 설계 민감도 해석법을 사용하는 등기하 설계민감도 해석법을 유도하였다. 기존의 유한요소 기반형상 최적설계는 형상의 매개화에 어려움을 겪었으나 등기하 기반 최적설계에서는 기하학적 정보가 이미 B-spline 기저함수와 조정점에 포함되어 있으므로 이러한 어려움을 피할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 몇몇 수치 예제를 통해서 등기하 해석법을 사용한 설계 민감도 해석을 수행하였으며 유한차분 민감도와 비교하여 정확성을 확인하였다.
A variational formulation for plane elasticity problems is derived based on an isogeometric approach. The isogeometric analysis is an emerging methodology such that the basis functions in analysis domain arc generated directly from NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) geometry. Thus. the solution space can be represented in terms of the same functions to represent the geometry. The coefficients of basis functions or the control variables play the role of degrees-of-freedom. Furthermore, due to h-. p-, and k-refinement schemes, the high order geometric features can be described exactly and easily without tedious re-meshing process. The isogeometric sensitivity analysis method enables us to analyze arbitrarily shaped structures without re-meshing. Also, it provides a precise construction method of finite element model to exactly represent geometry using B-spline base functions in CAD geometric modeling. To obtain precise shape sensitivity, the normal and curvature of boundary should be taken into account in the shape sensitivity expressions. However, in conventional finite element methods, the normal information is inaccurate and the curvature is generally missing due to the use of linear interpolation functions. A continuum-based adjoint sensitivity analysis method using the isogeometric approach is derived for the plane elasticity problems. The conventional shape optimization using the finite element method has some difficulties in the parameterization of boundary. In isogeometric analysis, however, the geometric properties arc already embedded in the B-spline shape functions and control points. The perturbation of control points in isogeometric analysis automatically results in shape changes. Using the conventional finite clement method, the inter-element continuity of the design space is not guaranteed so that the normal vector and curvature arc not accurate enough. On tile other hand, in isogeometric analysis, these values arc continuous over the whole design space so that accurate shape sensitivity can be obtained. Through numerical examples, the developed isogeometric sensitivity analysis method is verified to show excellent agreement with finite difference sensitivity.
A general formulation for shape design sensitivity analysis over three dimensional beam structure is developed based on a variational formulation of the beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived based on variational equations in cartesian coordinates using the material derivative concept and adjoint variable method for the displacement and Von-Mises stress functionals. Shape variation is considered for the beam shape in general 3-dimensional direction as well as for the orientation angle of the beam cross section. In the sensitivity expression, the end points evaluation at each beam segment is added to the integral formula, which are summed over the entire structure. The sensitivity formula can be evaluated with generality and ease even by employing piecewise linear design velocity field despite the bending model is fourth order differential equation. For the numerical implementation, commercial software ANSYS is used as analysis tool for the primal and adjoint analysis. Once the design variable set is defined using ANSYS language, shape and orientation variation vector at each node is generated by making finite difference to the shape with respect to each design parameter, and is used for the computation of sensitivity formula. Several numerical examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. The results are found excellent even by employing a simple linear function for the design velocity evaluation. Shape optimization is carried out for the geometric design of an archgrid and tilted bridge, which is to minimize maximum stress over the structure while maintaining constant weight. In conclusion, the proposed formulation is a useful and easy tool in finding optimum shape in a variety of the spatial frame structures.
This paper deals with the numerical implementation of the material sensitivity analysis, which is used to efficiently determine an optimal electric current distribution on a ship hull by corrosion of ship. A material sensitivity formula for the forward problem formulated in terms of the equivalent current method is analytically derived. Then, the components of the adjoint system including the electric pseudo-source are thoroughly investigated in order to obtain the first-order gradient information of an objective function with respect to the electric current. The purposed method has been successfully applied to a model ship and the predicted result on the underwater electric field due to corrosion of ship have been compared to that computed by FNREMUS software.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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