<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing with OASIS Tables v3.0 20080202//EN" "journalpub-oasis3.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:oasis="http://docs.oasis-open.org/ns/oasis-exchange/table" dtd-version="3.0">
  <front>
    <journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher">NPG</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Nonlinear Processes  in Geophysics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="publisher">NPG</abbrev-journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="nlm-ta">Nonlin. Processes Geophys.</abbrev-journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1607-7946</issn>
<publisher><publisher-name>Copernicus GmbH</publisher-name>
<publisher-loc>Göttingen, Germany</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>

    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.5194/npg-22-205-2015</article-id><title-group><article-title>Improved variational methods in statistical data assimilation</article-title>
      </title-group><?xmltex \runningtitle{Variational approximations in statistical data assimilation}?><?xmltex \runningauthor{J.~Ye et al.}?>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Ye</surname><given-names>J.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Kadakia</surname><given-names>N.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff1">
          <name><surname>Rozdeba</surname><given-names>P. J.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes" rid="aff1 aff2">
          <name><surname>Abarbanel</surname><given-names>H. D. I.</given-names></name>
          <email>habarbanel@ucsd.edu</email>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author" corresp="no" rid="aff3">
          <name><surname>Quinn</surname><given-names>J. C.</given-names></name>
          
        </contrib>
        <aff id="aff1"><label>1</label><institution>Department of Physics, University of California, San Diego, La Jolla, CA 92093-0374, USA</institution>
        </aff>
        <aff id="aff2"><label>2</label><institution>Marine Physical Laboratory (Scripps Institution of Oceanography), University of California, <?xmltex \hack{\newline}?> San Diego, La Jolla, CA 92093-0374,  USA</institution>
        </aff>
        <aff id="aff3"><label>3</label><institution>Intellisis Corporation, 10350 Science Center Drive, Suite 140, San Diego, CA 92121, USA</institution>
        </aff>
      </contrib-group>
      <author-notes><corresp id="corr1">H. D. I. Abarbanel (habarbanel@ucsd.edu)</corresp></author-notes><pub-date><day>7</day><month>April</month><year>2015</year></pub-date>
      
      <volume>22</volume>
      <issue>2</issue>
      <fpage>205</fpage><lpage>213</lpage>
      <history>
        <date date-type="received"><day>18</day><month>August</month><year>2014</year></date>
           <date date-type="rev-request"><day>10</day><month>October</month><year>2014</year></date>
           <date date-type="rev-recd"><day>3</day><month>March</month><year>2015</year></date>
           <date date-type="accepted"><day>23</day><month>March</month><year>2015</year></date>
      </history>
      <permissions>
<license license-type="open-access">
<license-p>This work is licensed under a Creative Commons Attribution 3.0 Unported License. To view a copy of this license, visit <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/">http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/</ext-link></license-p>
</license>
</permissions><self-uri xlink:href="https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015.html">This article is available from https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015.html</self-uri>
<self-uri xlink:href="https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015.pdf">The full text article is available as a PDF file from https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015.pdf</self-uri>


      <abstract>
    <p>Data assimilation transfers information from an observed system to a physically based model system with state
variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The observations are typically noisy, the model has errors, and the initial state
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is uncertain: the data assimilation is statistical. One can ask about expected values of
functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the model state through the
observation window <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The conditional (on the measurements) probability distribution
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> determines these expected values.
Variational methods using saddle points of the “action” <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, known as
4DVar <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx5" id="paren.1"/>, are utilized for estimating
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. In a path integral
formulation of statistical data assimilation, we consider
variational approximations in a realization of the action
where measurement errors and model errors are Gaussian. We (a) discuss an
annealing method for locating the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> giving a consistent
minimum of the action <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, (b) consider the explicit
role of the number of measurements at each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
determining <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and (c) identify a parameter regime for the
scale of model errors, which allows <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to give a precise estimate
of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with computable, small higher-order corrections.</p>
  </abstract>
    </article-meta>
  </front>
<body>
      

<sec id="Ch1.S1" sec-type="intro">
  <title>Introduction</title>
      <p>In a broad spectrum of scientific fields, transferring the information
contained in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> observed data time series <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> to a physically based
model of the processes producing those observations allows the estimation of
unknown parameters and unobserved states of the model within an observation
window <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. As a sample of these fields, we note
applications in meteorology <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx5 bib1.bibx9" id="paren.2"/>, geochemistry
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx4" id="paren.3"/>, fluid dynamics <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx19" id="paren.4"/> and plasma
physics <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx12" id="paren.5"/>, among many others.</p>
      <p>The conditional probability distribution
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> allows evaluation of expected
values of physically interesting functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along the path.
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is conditioned on the measurements <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. These are
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional, while the model state is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional; it is usually the
case that <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≫</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Data assimilation seeks to use the information in
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to estimate unknown parameters in the model and unobserved
states of the model. If this is accomplished, one uses prediction for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to examine the validity of the model.</p>
      <p>The action <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> contains terms giving a measurement's influence on
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, terms propagating the model between the measurement times
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and a term <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> representing the uncertainty in
the initial state <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="paren.6"/>. We discuss the familiar case where additive
measurement errors are independent at each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and Gaussian with covariance
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula>); <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The model is
a physical differential equation, discretized in space and time and
satisfying the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dimensional stochastic discrete time map <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> with iid
Gaussian noise error <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">η</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math></inline-formula>(0, 1). We take <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula>) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is zero except near observation times <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>With these conditions, the action takes a familiar form:

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:munderover><mml:msup><mml:mfenced close="]" open="["><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E1"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
      <p>The conditional expected value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of a function
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is given as

              <disp-formula id="Ch1.E2" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
      <p>One interesting function <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> itself, whose expected
value gives us the average path over the measurement window [<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>]. Estimates of the parameters and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> permit
prediction for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; in this window, one compares observations
and predictions using model output with a user-selected metric. No
information is passed to the model in the prediction window. Importantly,
good <italic>estimation</italic> of observed state variables (a “good fit”) is not
sufficient to produce confidence in the quality of the model; good
<italic>prediction</italic> is critical.</p>
      <p>To approximate the integral <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we follow the
stationary path method of Laplace <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx8" id="paren.7"/> and seek saddle points in
path space <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> labeled by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, 1 … satisfying
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0. The index
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a label for the state and time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. To
determine their importance in evaluating the integral, Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>)
paths are sorted by increasing action levels <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≤</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≤</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="normal">⋯</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S2">
  <?xmltex \opttitle{\hack{} Evaluating}?><title>Evaluating <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <p>We take the the usual data assimilation technique <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx5 bib1.bibx9" id="paren.8"/> several steps further by
<list list-type="order"><list-item>
      <p>showing how to find a consistent path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the minimum action level using an annealing method,</p></list-item><list-item>
      <p>demonstrating the importance of the number of measurements <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> at each observation time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and</p></list-item><list-item>
      <p>explaining how to make systematic perturbation corrections
to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> evaluated on the
minimum action level path.</p></list-item></list></p>
      <p>For nonlinear problems of interest, there may be many paths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, 1, … satisfying the saddle point condition. To assess their
contributions to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we expand <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in
the neighborhood of each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as (note that all variables are
notated in Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T2"/>)
<?xmltex \hack{\newpage}?><?xmltex \hack{\vspace*{-8mm}}?>

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E3"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>+</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">!</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          There is an implied sum over all paired Greek indices <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. A sum over
all terms with comparable action level <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then gives an
approximation to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>Changing variables to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>)
(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>X</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> leads to a contribution to the numerator of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) from each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>

              <disp-formula specific-use="align" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>det</mml:mtext><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo movablelimits="false">∫</mml:mo><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mlabeledtr id="Ch1.E4"><mml:mtd/><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd></mml:mlabeledtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          where

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">!</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          and

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>G</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">!</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msup><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:msub><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:msup><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mfenced><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>U</mml:mi></mml:mfenced><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          The contributions to the denominator of Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) are identical
to Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>), with the factor
[<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> replaced by unity. We sum over the
contribution of each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to evaluate <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>If the lowest action level <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is much smaller than all
others, then
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≫</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and its
contribution to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> totally dominates the integral.
We have then that

              <disp-formula id="Ch1.E5" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced><mml:mfenced open="[" close="]"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mfenced open="(" close=")"><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>∫</mml:mo><mml:mtext>d</mml:mtext><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mfenced open="(" close="]"><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced></mml:mfenced></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        plus exponentially small corrections from the action levels associated with
other saddle paths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="Ch1.S3">
  <?xmltex \opttitle{Annealing to find a consistent minimum action level $A_{{0}}(X^{{0}})$}?><title>Annealing to find a consistent minimum action level <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <p>We now turn to an annealing method to find the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≫</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Within
this method, we first examine the importance of the number <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> of
measurements at each observation time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We then present an argument
that, in the integral Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>), contributions to
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the terms <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> behave as inverse powers of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes
large. This would leave us with
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with corrections
that are a power series in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The implication is that all
statistical data assimilation questions, as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes large, can
be well approximated by the contribution of the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the
lowest action level <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> along with corrections one can
evaluate via standard perturbation theory. Variations about
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> would be small and computable.</p>
      <p>The term in the action expressing uncertainty in the initial model state
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is often written assuming Gaussian variation
about some base state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mtext>base</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∝</mml:mo></mml:math></inline-formula> (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mtext>base</mml:mtext></mml:msub><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi><mml:mtext>base</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and this has the form of the measurement term evaluated at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0. We
incorporate this expression into the term with coefficient <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the
action and no longer display it. This term, often called a prior, is also
seen at the initial condition for the time evolution of the conditional
probability distribution <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<sec id="Ch1.S3.SS1">
  <title>Annealing details</title>
      <p>The annealing method starts with the observation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.9"/> that the
equation for the saddle points <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> simplifies at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.
The action at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0 has no information about the model, and relies
solely on the measurements. The saddle point solution is
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, 2, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> for all observation
times. The other (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>) components of the model state vector are
undetermined, and the solution is quite degenerate. As we increase <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
the action levels split, and, depending on <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> and the
precise form of the dynamical vector field <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, there will
be 1, 2, …saddle points of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The saddle points of
interest are local minima.</p>
      <p>For any <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, the search for saddle points of the action requires
an unconstrained numerical optimization problem to be solved: minimize
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This is 4DVar in its “weak” formulation <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx5" id="paren.10"/>. The methods we have utilized for performing this numerical
optimization range from Newton and quasi-Newton methods <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.11"/> to more
sophisticated interior point methods <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.12"/>. Each search for saddle paths
requires an initial guess <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that is then iterated via the
algorithm to produce <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and continuing on
to produce a final path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>final</mml:mtext><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <italic>each</italic> value
of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>We begin the annealing process by choosing the initial <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, denoted
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, as very small, but nonzero; indeed, if <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was chosen to be
vanishing, the set of optimal paths would be all paths whose measured
components match the data, and whose unmeasured components are entirely
unconstrained. Such a solution is infinitely degenerate and gives no more
insight than the data themselves. Therefore, we begin the search at some
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≪</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 with the first <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1) components of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> taken as the observations <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula>. The remaining components of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are
chosen from a uniform distribution reflecting the dynamical range of the
unmeasured state variables.</p>
      <p>Because the search algorithm is an iterative process with potentially many
basins of attraction, it is not evident which minimum or saddle point we will
hit in this initial optimization. Accordingly, we actually start with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
copies of this procedure, making <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> independent, with initial choices of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, 2, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; in other
words, we initiate many such annealing procedures in parallel. These <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
choices differ in the unmeasured components of the path, independently drawn
from a uniform distribution over the range of each variable.</p>
      <p>In the next step of the annealing process, the value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is increased
to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1. Using as our initial paths the final
paths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>final</mml:mtext><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from the previous optimization with
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we perform the numerical optimization procedure once
again, independently for each of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> paths. This results in a new set
of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> saddle paths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtext>final</mml:mtext><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>;
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, 2, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>This process is repeated as many times as desired, increasing <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
one iteration to the next by a power of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula>. We use the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> final paths
from each value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as the initial paths for the next value of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The output is a set of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> paths and action values for each
value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and the action
level for each of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> final paths is plotted for each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.
Specific examples of this will be presented below.</p>
      <p>All of these optimizations, for each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> and each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>, is a 4DVar
calculation for which we have used various algorithms <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14 bib1.bibx18" id="paren.13"/>. In
a sense, we can think of this as an ensemble version of 4DVar, with the
important aspect that we perform <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> calculations of 4DVar at each
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> grows large, the errors in the model diminish relative to
the measurement errors and impose high-precision
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">f</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the model dynamics.
The noise in the measurement has been taken to be Gaussian <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math></inline-formula>(0,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>), so the measurement error term in the action satisfies a
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> distribution <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx13" id="paren.14"/> with mean <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1)<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>/2 and
standard deviation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.125em"/><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn> 1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. We note that
this observation has been made by <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx3" id="text.15"/> when the weak form of 4DVar,
here using the action as the objective function, results in accurate
representation of the dynamics.</p>
      <p>Using properties of the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> distribution, the action level for large
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> approximately approaches a lowest value

                <disp-formula id="Ch1.E6" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mfenced><mml:mo>→</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close="]" open="["><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt></mml:mfrac></mml:mfenced><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

          <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the noise level in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1) is the number
of measurement times <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This provides a consistency condition on the
identification of the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by giving a consistent minimum
action value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. If the action levels revealed by our
annealing procedure do not give this result for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is a
sign that the data are inconsistent with the model.</p>
      <p>At the beginning of the annealing procedure when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
there was a degeneracy in the action values. As <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> increases, this
degeneracy is broken and the action levels split. If the action level
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is substantially smaller than the action level on the
next saddle path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≪</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, all
expected values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are given by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
and corrections due to fluctuations about that path. The contribution to the
expected values of the path integral for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the next action level is exponentially smaller, of order
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>exp⁡</mml:mi><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>The annealing procedure discussed above is different from standard simulated
annealing <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx2" id="paren.16"/>. We call this annealing because
varying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is similar to varying a temperature in a statistical physics
problem where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is inversely proportional to the temperature. At high
temperatures, small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the dynamics among the degrees of freedom
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is essentially irrelevant, and we have a universal solution where
the observed degrees of freedom match the observations. As the temperature is
decreased, the dynamics plays a more and more significant role, and allowed
paths “freeze” out. Action levels play the role of energy levels in
statistical physics, and as the action is positive definite, the paths are
directly analogous to instantons in the Euclidian field theory represented by
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx20" id="paren.17"/>.</p>
      <p>The calculations used in the annealing process may seem formidable. We have
chosen <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 100 in the examples we present now, because we wish to
make clear the scope of the calculations and their implications. We chose
this rather than concentrating now on optimizing the algorithms. This will
come with some experience with different model structures. Nonetheless, due
to the manner in which the action levels space themselves and split <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is increased, it might prove less demanding to use a large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the
first few values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and then significantly decrease the number of
paths from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Our goal is to trace accurately just the lowest action
value state <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the next <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to estimate the scale of
the dominance of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in performing the path integral.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F1"><caption><p>Action levels as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the Lorenz96 model,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.01. <bold>(a)</bold> At <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5, we used
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the action;
<bold>(b)</bold> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>11</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>13</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are added;
<bold>(c)</bold> at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>15</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is added; and <bold>(d)</bold> at
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 9, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>17</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is added. The expected values of the lowest action
level are denoted by black dashed lines.</p></caption>
          <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015-f01.png"/>

        </fig>

</sec>
</sec>
<sec id="Ch1.S4">
  <title>Examples from the Lorenz96 model</title>
      <p>We now present the results of a set of calculations on the Lorenz96
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.18"/> model used frequently in geophysical data assimilation
discussions as a test bed for proposed methods. The model has <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> degrees of
freedom <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfying the differential equation

              <disp-formula id="Ch1.E7" content-type="numbered"><mml:math display="block"><mml:mrow><?xmltex \hack{\hbox\bgroup\fontsize{9.5}{9.5}\selectfont$\displaystyle}?><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mfenced close=")" open="("><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mfenced><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><?xmltex \hack{$\egroup}?></mml:mrow></mml:math></disp-formula>

        <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>a</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, …, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>; <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
is <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>N</mml:mi></mml:math></inline-formula>(0, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> Gaussian noise. <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8.17, for which the
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are chaotic <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx6" id="paren.19"/>. We studied <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20 and added <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>
as an additional degree of freedom satisfying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0. The number
of model equations in the action is therefore equal to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1.</p>
      <p>We performed a twin experiment in which we solved these equations, with
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">ζ</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0 and with an arbitrary choice of initial conditions
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi></mml:math></inline-formula>(0) using a fourth-order Runge–Kutta solver with
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Δ</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.025 over 160 steps in time. Here, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0 and
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4. We then added iid Gaussian noise with zero mean
and variance <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.25 to each time series.
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, 2, … of the data series were then represented in the action
at each measurement time <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> during our annealing procedure. In our
calculations, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.01 and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">ξ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 2.</p>
      <p>In the action, we selected <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4, the inverse variance of the noise
added to the data in our twin experiment, so the minimum action level we
expect is 80.5 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>±</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8.97 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:msqrt><mml:mi>L</mml:mi></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. The paths are (<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1)
(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3381-dimensional. Our search for minimum paths used a
BFGS routine <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx14" id="paren.20"/> to which we provided an analytical form of the
gradient of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The search was initialized with
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 100 times with initial paths from a uniform distribution of
values in the interval [<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>10, 10].</p>
      <p>We also investigated using the IPOPT public domain numerical optimization
package <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx18" id="paren.21"/> and found that it also worked well, giving
essentially the same results as BFGS. Any existing method for 4DVar should
work as well for this annealing procedure.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F2" specific-use="star"><caption><p>Data, estimated, and predicted time series for the Lorenz96 model
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx11" id="paren.22"/> with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8. <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was an
observed state variable, and <bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> was unobserved. The
data (black), the estimated state variable (red), and the predicted state
variable (blue) are shown for each of them.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=341.433071pt}?><graphic xlink:href="https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015-f02.pdf"/>

      </fig>

      <p>In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F1"/>, we display the computed action levels for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5, 7, 8 and 9 at each value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>∝</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>.
For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5, there are many close action levels associated with the
extremum paths of the action Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>); as <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> increases, the
lowest action level visibly separates from the others. At the bottom of each
panel, we indicate the lowest action level value and its standard deviation.
The next-lowest action level <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5, 7, 8,
and 9, is at 403.8, 749.8, 1161.6, and 2256.1, respectively. This means that
for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5 we would have to sum over the contributions of many paths
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to evaluate the expected value <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. At
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 7 or higher, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> dominates the integral. Our estimate for
the forcing parameter, set to 8.17, was 8.22 at large <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>We think it important to note that if we had begun our search for the saddle
point paths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at large values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we would be almost sure
to miss the actual path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which gives the lowest action level,
since the Hessian matrix of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is ill conditioned when <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is large;
see Fig. 4.6 in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="text.23"/>.</p>
      <p>Another sense of why beginning a search at large values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> may fail
to find the action level identified in the annealing approach is that the
basin of attraction of the minimum action level is likely to be so small,
relative to the size of path space, that “falling into it” through an
arbitrary initial path used in any version of a variational procedure is
unlikely. The annealing method systematically tracks the known minimum for
very small <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and, in that manner, starts in and remains in the
appropriate basin of attraction.</p>
      <p>The real test of an estimation procedure in data assimilation is not accuracy
in the estimation of measured states and fixed parameters, but accuracy in
prediction beyond the observation window. The predictions require accurate
estimation of the unobserved model state variables at the end of the
observation window. Indeed, one can achieve good “fits” of observed
variables that lead to inaccurate predictions for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>&gt;</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="paren.24"/>.</p>
      <p>As this is a twin experiment, we show in Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F2"/> the data,
the estimated state variable, and the predicted state variable for an
<italic>observed</italic> variable <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and for an <italic>unobserved</italic> variable
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8. In a real experiment, we could not compare our
estimates for the parameters or the unobserved state variables. Although the
estimation procedure for the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the minimum action value
is rather good, both in estimating the 12 unobserved states and the one
parameter, there nevertheless exist errors in our knowledge of the full state
(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4). The predictions thus lose their accuracy in time
because of the chaotic nature of the trajectories at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8.17.</p>
      <p>In the Lorenz96 equations, one usually has a single forcing parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula>. To
see how well our procedure works for several unknown parameters, we
introduced ten different forcing parameters <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> into the Lorenz96 model at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10:
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>) <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, that
is, with no fluctuations in the dynamics. Noise was added to the solutions to
the Lorenz96 system before the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are used as data. For <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10,
the lowest action level stands out from the rest at <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4. In
Table <xref ref-type="table" rid="Ch1.T1"/>, we show our estimates for the ten forcing
parameters for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4, 5, and 6, as well as the actual value used in the
calculations of the data. In these estimates, and for the single forcing
parameter reported above for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20, there is a known source of bias
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx7" id="paren.25"/>. As one can see in the examples, it is small here.</p>
      <p>In the twin experiments we presented noisy data from the known model as
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1, 2, … data series of observations. To give some sense of
what one might expect if the model were <italic>totally wrong</italic>, in the sense
that the data we presented came either from a completely different model
system or from enormously noisy data, we presented data from a collection of
1963 Lorenz model <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.26"/> oscillators to a Lorenz96 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10 model.
Twelve time series data are generated by four individual Lorenz63
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.27"/> systems with different initial conditions. Gaussian white noise
with zero mean and standard deviation <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">σ</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.5 are added to each
time series. All these “data” <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are rescaled to lie within
[<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>-</mml:mo></mml:math></inline-formula>10, 10].</p>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T1"><caption><p>Known and estimated forcing parameters for the Lorenz96 model at
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10, and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4, 5, and 6.</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="4">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="center"/>
     <oasis:colspec colnum="3" colname="col3" align="center"/>
     <oasis:colspec colnum="4" colname="col4" align="center"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1">Known <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 4</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">5.7</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">5.742</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">5.737</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">5.768</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">7.1</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">7.096</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">7.080</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">7.094</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">9.6</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">9.696</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">9.686</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">9.654</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">6.2</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">6.156</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">6.174</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">6.131</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">7.5</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">7.605</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">7.592</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">7.604</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">8.4</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">8.353</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">8.330</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">8.349</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">5.3</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">5.310</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">5.278</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">5.214</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">9.7</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">9.679</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">9.703</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">9.643</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">8.5</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">8.632</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">8.629</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">8.626</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1">6.3</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">6.334</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col3">6.336</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col4">6.308</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

      <p>We then place these signals as “data” in the action with the model taken as
Lorenz96 <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10; the single forcing parameter is treated as a
time-dependent state variable obeying <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mover accent="true"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo mathvariant="normal">˙</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0. We use <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6 as measurements using the data time series taken in the order
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5,
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">7</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">9</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6. In Fig. <xref ref-type="fig" rid="Ch1.F3"/> we display the action levels versus
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>log⁡</mml:mi><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> associated with this for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5
and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6. Results for other values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> are consistent with these.
This example provides a graphic illustration of the inconsistency of the data
and the model and how this makes its appearance in the annealing procedure.</p>
      <p>We also investigated, but do not display here, the action levels when the
parameter <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> is held at a different value in the model than was used for
generating the data. In particular, we generated the data with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 8.17
and then held <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>f</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 18 in evaluating the action levels for a Lorenz96
model with <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5 and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1 and 2. In each case, no minimum action
level split from the collection of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and no level was close to
the consistent <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">χ</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> condition discussed above. This actually emphasizes
the importance of allowing the variational method to include all parameters
as state variables with a zero vector field, allowing the estimation of the
parameters along with the unmeasured state variables.</p>
      <p>We now have seen that a consistent smallest action level can be identified
via an annealing process, and the dependence of the action levels on the
number of measurements, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula>, has been demonstrated. We have no formal proof
that the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> gives a <italic>global</italic> minimum of the action;
our criteria of consistency with Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>) and excellent
predictions after the observation window are functionally useful features of
the procedure.</p>

      <?xmltex \floatpos{t}?><fig id="Ch1.F3"><caption><p>Action levels as a function of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the Lorenz96 model,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 10, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0.01. <bold>(a)</bold> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 5 and
<bold>(b)</bold> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6 when the wrong data are used for the Lorenz96 model.
We actually used data from four realizations of the Lorenz63 model
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx10" id="paren.28"/>. The structure of the action levels versus <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> shows no
trace of the minimum allowed level Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E6"/>). This indicates
that the data and the model are incompatible. The action levels are also
quite large, and, for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 6, numerous and not well
separated.</p></caption>
        <?xmltex \igopts{width=236.157874pt}?><graphic xlink:href="https://www.nonlin-processes-geophys.net/22/205/2015/npg-22-205-2015-f03.pdf"/>

      </fig>

<?xmltex \floatpos{t}?><table-wrap id="Ch1.T2" specific-use="star"><caption><p>List of important mathematical notations (in alphabetical
order).</p></caption><oasis:table frame="topbot"><oasis:tgroup cols="2">
     <oasis:colspec colnum="1" colname="col1" align="left"/>
     <oasis:colspec colnum="2" colname="col2" align="left"/>
     <oasis:thead>
       <oasis:row rowsep="1">  
         <oasis:entry colname="col1">Symbol</oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Description</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:thead>
     <oasis:tbody>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Action of path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Dimensionality of the dynamical system</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">One-step discrete time map of the dynamical system</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Dimensionality of the measured time series</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>m</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Number of time steps in observation window</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Conditional probability of path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> given measurements <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Inverse of covariance matrix for model error</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Inverse of covariance matrix for measurement noises</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">State variables of the dynamical system</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Initial state of the dynamical system</oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Path of the model state composed of state variables <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="bold">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Paths satisfying the saddle point condition, ordered by action values <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>
       </oasis:row>
       <oasis:row>  
         <oasis:entry colname="col1"><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="bold">y</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></oasis:entry>  
         <oasis:entry colname="col2">Measured data time series</oasis:entry>
       </oasis:row>
     </oasis:tbody>
   </oasis:tgroup></oasis:table></table-wrap>

</sec>
<sec id="Ch1.S5">
  <?xmltex \opttitle{Corrections to the contribution of a saddle path to $\langle{G}(X)\rangle$}?><title>Corrections to the contribution of a saddle path to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></title>
      <p>We turn back to the evaluation of the path integral for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>〈</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>〉</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>). In that integral for
our action, we have

              <disp-formula specific-use="align"><mml:math display="block"><mml:mtable displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi mathvariant="italic">δ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd/><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:msubsup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>

          for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≥</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3. The functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are derivable
from the form of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. These are to be evaluated at
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for the <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>th saddle path.</p>
      <p>In the form of the integral Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E4"/>), we see that the term in
the exponential with order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:math></inline-formula> has an order of magnitude
about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>r</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≥</mml:mo></mml:math></inline-formula> 3.
Similarly, in the expansion of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, the term of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> has a
denominator of order 1/(<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>+</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mspace width="0.125em" linebreak="nobreak"/><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mi>q</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:msup><mml:mo>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≥</mml:mo></mml:math></inline-formula> 1. Since only terms with even powers of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold">U</mml:mi></mml:math></inline-formula> are nonzero
in the integral because of symmetry, we have a collection of terms that, as
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes large with respect to <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, decrease as 1/<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or
faster. As a rule of thumb in the calculations we presented for Lorenz96
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>D</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 20, we see that for <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="italic">β</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 15 or larger, or
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 100 or larger, the terms in the path integral
beyond the quadratic term in the expansion of the action become small. A
stronger estimate would come from evaluating the leading term in 1/<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p><?xmltex \hack{\newpage}?>
</sec>
<sec id="Ch1.S6" sec-type="conclusions">
  <title>Conclusions</title>
      <p>We have examined the path integral formulation of data assimilation
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) and asked how well a variational approach to the
conditional expected values of functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the path
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo mathvariant="italic">{</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace linebreak="nobreak" width="0.25em"/><mml:mi mathvariant="normal">…</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="0.25em" linebreak="nobreak"/><mml:mi mathvariant="bold-italic">x</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo mathvariant="italic">}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
can approximate the integral. We use Laplace's method, which estimates the
path integral by seeking saddle paths of the action where
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo><mml:mo>/</mml:mo><mml:mo>∂</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0. This approximation
is widely used in meteorology and other fields, where it is known as weak
4DVar <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx5 bib1.bibx9" id="paren.29"/>. The action is the cost function that
is minimized.</p>
      <p>When measurement errors and model errors are distributed as iid Gaussian
noise, we have described an annealing method in the strength <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with
which the model errors enter the action that permits the following of a
collection of action levels from <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>=</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, where the saddle paths are
known precisely, through a set of increasing values of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at each of
which a numerical optimization algorithm produces a set of saddle paths that
are used as the initial conditions for the solution of the variational
approximation at the next larger value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This permits the
identification of a lowest action level associated with a saddle path
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is split from the action values for
the other possible saddle paths <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at each <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>:
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>&lt;</mml:mo></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The contribution of
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then dominates the integral.</p>
      <p>We also explored the dependence of the action levels revealed through the
annealing method on the number of measurements <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> made at each observation
time. When <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> reaches and exceeds a critical value, related to the number of
unstable directions in the deterministic chaotic dynamics of the model, the
contribution of the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is either certainly the dominant
contribution to the conditional expected value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, or it is the
only path satisfying the saddle path condition. By expanding the integrand of
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E2"/>) about <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we argued that the resulting
corrections to the contribution of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> produced a power series in
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
      <p>In previous work with variational principles for data assimilation, we are
unaware of any procedure such as our annealing method using <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to
identify a consistent minimum action. Nor are we aware of a systematic
exploration of the dependence of the action levels on the number of
measurements at each observation time. <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx15" id="paren.30"><named-content content-type="pre">Of course, there is the
discussion in </named-content><named-content content-type="post">which suggested this work.</named-content></xref> Finally, we do not
know of any previous discussion of the corrections to the variational
approximation, which here is shown to consist of small perturbations when the
resolution of the model error term in the action is increased; namely,
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes large.</p>
      <p>The relation of the annealing method to familiar 4DVar calculations
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx17 bib1.bibx5" id="paren.31"/> is simple to state: each set of calculations during
the annealing in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, at each value of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is a 4DVar calculation.
The annealing has the added advantage of allowing one to establish an
identified lowest action value path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that gives the dominant
contribution to the quantities of interest, namely, the conditional expected
values of functions <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the path.</p>
      <p>A similar annealing procedure in the importance of the model errors as
represented by <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be incorporated into a Monte Carlo calculation of
the path integral. The relation between that method of approximating the
high-dimensional integral and the variational method we have focused on here
is through the Langevin equation in “algorithmic time” described in
<xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx1" id="text.32"/>. In each approach, the statistics of moments about
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or marginal distributions of selected state variables is
achieved by the choice of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This paper has compared those
evaluations in the variational method to standard 4DVar by using 4DVar at
each stage of the annealing adding the identification of the path
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the lowest action level. By performing the annealing
procedure in a Monte Carlo context, one could compare it to other standard
ensemble methods such as the ensemble Kalman filter (EnKF) <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx5" id="paren.33"/>.
However, that is a subject for another investigation of the annealing
approach; we have focused here only on variational methods.</p>
      <p>We have worked within a framework where the measurement errors and the model
errors in the data assimilation are Gaussian, with the inverse covariance of
the model errors taken to be of order <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. We have shown that the path
that gives a consistent minimum action level can be traced by an annealing
procedure starting with a setting where the dynamical model essentially plays
no role, <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mo>≈</mml:mo></mml:math></inline-formula> 0, then systematically increasing the influence
of the model dynamics. As the scale of the model error reaches about
100 times the scale of the measurement error, the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
associated with a consistent global minimum action level dominates the path
integral with corrections of order 1/<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The important role of the
number of measurements <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></inline-formula> at each measurement time is also demonstrated.</p>
      <p>If the noise terms represented by the model errors are not Gaussian, one can
still use the annealing method to identify a path with the lowest action
level, but showing that perturbation theory about the path <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula>
giving that lowest action level is a power series in <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn mathvariant="normal">1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> may not
succeed. The precise way <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enters the matrix
<inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="italic">γ</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:msup><mml:mi mathvariant="italic">α</mml:mi><mml:mo>′</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mn mathvariant="normal">2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> determines that.</p>
      <p>In this paper, we do not address the typical situation where the number of
measurements actually available is less than that needed to allow the ground
level of the action <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi mathvariant="bold-italic">X</mml:mi><mml:mn mathvariant="normal">0</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to lie well below the next level.
For a solution to that problem, we have used information from the waveform of
the measurements as shown in some detail in <xref ref-type="bibr" rid="bib1.bibx16" id="text.34"/>.</p>
      <p>The results here justify the use of the variational approximation in data
assimilation, focus on the role of the number of measurements one requires
for accuracy in that approximation, and permit the evaluation of systematic
corrections to the approximation when the form of the action is
Eq. (<xref ref-type="disp-formula" rid="Ch1.E1"/>). We anticipate that our use of Gaussian model error
and measurement error is a convenience and that other distributions of these
errors will permit many of the same set of statements about the value of
variational approximations to statistical data assimilation.</p>
</sec>

      
      </body>
    <back><ack><title>Acknowledgements</title><p>Partial support has come from the ONR MURI program (N00014-13-1-0205). We are
very appreciative of the considered comments of the anonymous referees during
the discussion period of this paper. Indeed, one of the first referee's
questions led to the idea that the annealing approach could be useful in
Monte Carlo estimations of the expected value path integrals. <?xmltex \hack{\newline}?><?xmltex \hack{\newline}?> Edited by: Z. Toth; <?xmltex \hack{\newline}?>
Reviewed by: two anonymous referees</p></ack><?xmltex \hack{\newpage}?><?xmltex \hack{\newpage}?><ref-list>
    <title>References</title>

      <ref id="bib1.bibx1"><label>Abarbanel(2013)</label><mixed-citation>
Abarbanel, H. D.: Predicting the Future: Completing Models of Observed
Complex Systems, Springer, New York, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx2"><label>Aguiar e Oliviera et al.(2012)Ingber, Petraglia, Petraglia, Machado et al.</label><mixed-citation>
Aguiar e Oliviera, H., Ingber, L., Petraglia, A., Petraglia, M. R., and
Machado, M. A. S.: Stochastic Global Optimization and Its Applications with
Fuzzy Adaptive Simulated Annealing, Vol. 35, Springer, New York, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx3"><label>Bennett (2002)</label><mixed-citation>
Bennett, A. F.: Inverse Modeling of the Ocean and Atmosphere, Cambridge University Press, 2002.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx4"><label>Eibern and Schmidt(1999)</label><mixed-citation>
Eibern, H. and Schmidt, H.: A four-dimensional variational chemistry data
assimilation scheme for Eulerian chemistry transport modeling, J. Geophys.
Res.-Atmos., 104, 18583–18598, 1999.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx5"><label>Evensen(2009)</label><mixed-citation>
Evensen, G.: Data Assimilation: The Ensemble Kalman Filter, Springer, New York, 2009.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx6"><label>Kostuk(2012)</label><mixed-citation>Kostuk, M.: Synchronization and statistical methods for the data assimilation
of HVc neuron models, PhD thesis in Physics, University of California, San
Diego, available at: <uri>http://escholarship.org/uc/item/2fh4d086</uri> (last
access: 2 October 2014), 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx7"><label>Kostuk et al.(2012)Kostuk, Toth, Meliza, Margoliash, and Abarbanel</label><mixed-citation>
Kostuk, M., Toth, B., Meliza, C., Margoliash, D., and Abarbanel, H.:
Dynamical estimation of neuron and network properties II: path integral Monte
Carlo methods, Biol. Cybern., 106, 155–167, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx8"><label>Laplace(1774)</label><mixed-citation>
Laplace, P. S.: Memoir on the probability of causes of events, Mémoires
de Mathématique et de Physique, Tome Sixième, 1774.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx9"><label>Lorenc and Payne(2007)</label><mixed-citation>
Lorenc, A. C. and Payne, T.: 4D-Var and the butterfly effect: statistical
four-dimensional data assimilation for a wide range of scales, Q. J. Roy.
Meteorol. Soc., 133, 607–614, 2007.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx10"><label>Lorenz(1963)</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.: Deterministic nonperiodic flow, J. Atmos. Sci., 20, 130–141, 1963.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx11"><label>Lorenz(2006)</label><mixed-citation>
Lorenz, E. N.: Predictability – a problem partly solved, in: Predictability
of Weather and Climate, edited by: Palmer, T. and Hagedorn, R., Cambridge
University Press, 40–58, 2006.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx12"><label>Mechhoud et al. (2013) Mechhoud, Witrant, Dugard, and Moreau</label><mixed-citation>
Mechhoud, S., Witrant, E., Dugard, L., and Moreau, D.: Combined distributed
parameters and source estimation in tokamak plasma heat transport, in: 2013
European Control Conference (ECC), 17–19 July, Zurich, 47–52, 2013.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx13"><label>NIST Handbook of Statistical Methods (2012)</label><mixed-citation>NIST/SEMATECH e-Handbook of Statistical Methods:
<uri>http://www.itl.nist.gov/div898/handbook/</uri> (last access: 12 January 2014), 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx14"><label>Press et al.(2012)</label><mixed-citation>
Press, W. H., Teokulsky, S. A., Vetterling, W. T., and Flannery, B. P.:
Numerical Recipes in C: the Art of Scientific Computing, Cambridge University Press, 2012.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx15"><label>Quinn(2010)</label><mixed-citation>Quinn, J. C.: A path integral approach to data assimilation in stochastic
nonlinear systems, PhD thesis in Physics, University of California, San
Diego, available at: <uri>http://escholarship.org/uc/item/0bm253qk</uri> (last
access: 2 October 2014), 2010.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx16"><label>Rey et al.(2014)</label><mixed-citation>
Rey, D., Eldridge, M., Kostuk, M., Abarbanel, H. D., Schumann-Bischoff, J.,
and Parlitz, U.: Accurate state and parameter estimation in nonlinear systems
with sparse observations, Phys. Lett. A, 378, 869–873, 2014.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx17"><label>Talagrand and Courtier(1987)</label><mixed-citation>
Talagrand, O. and Courtier, P.: Variational Assimilation of Meteorological
Observations With the Adjoint Vorticity Equation, I: Theory, Q. J. Roy.
Meteorol. Soc., 113, 1311–1328, 1987.</mixed-citation></ref>
      <ref id="bib1.bibx18"><label>Waëchter (2002)</label><mixed-citation>Waëchter, A.: An Interior Point Algorithm for Large-Scale Nonlinear
Optimization with Applications in Process Engineering, PhD thesis, Carnegie
Mellon University, Pittsburgh, PA, USA, 2002.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx19"><label>Zadeh(2008)</label><mixed-citation>Zadeh, K. S.: Parameter estimation in flow through partially saturated porous
materials, J. Comput. Phys., 227, 10243–10262, 2008.
 </mixed-citation></ref><?xmltex \hack{\newpage}?>
      <ref id="bib1.bibx20"><label>Zinn-Justin(2002)</label><mixed-citation>
Zinn-Justin, J.: Quantum Field Theory and Critical Phenomena, Oxford University Press, 2002.</mixed-citation></ref>

  </ref-list><app-group content-type="float"><app><title/>

    </app></app-group></back>
    </article>
