近日，我所海洋遙感探測及應(yīng)用團隊聚焦多源海表遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動的海洋次表層溫度場智能探測開展研究，構(gòu)建了三類深度學習次表層海溫重構(gòu)框架，給出了基于海表遙感數(shù)據(jù)重構(gòu)海洋次表層溫度數(shù)據(jù)的新方案。相關(guān)研究成果以“Satellite-based reconstruction of high-resolution ocean subsurface temperature using spatiotemporal graph attention networks”、“Reconstructing subsurface ocean temperature from sea surface multivariate remote sensing data using CSSP-ConvLSTM”和“PSSA-GAN: a network with self-attention and season attention for high spatiotemporal resolution ocean subsurface temperature reconstruction”為題分別發(fā)表于國際學術(shù)期刊《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》、《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》和《IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing》。

海洋次表層溫度場是認識海洋熱量輸運、溫躍層演化及氣候變化過程的重要基礎(chǔ)。然而，受限于現(xiàn)場觀測時空覆蓋稀疏且分布不均、傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感僅能觀測海表，如何有效獲取大范圍、高時空分辨率的海洋內(nèi)部溫度場，一直是海洋研究的難題。

針對上述問題，研究團隊基于GAN、CNN、Swin Transformer、ConvLSTM和GAT構(gòu)建了三類次表層海水溫度重構(gòu)模型，在提升海洋動力過程多尺度時空特征表征的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)高分辨率次表層海水溫度數(shù)據(jù)獲取。將自注意力與季節(jié)注意力機制引入生成對抗網(wǎng)絡(luò)提出了PSSA-GAN模型，太平洋海域日尺度次表層溫度場實驗驗證了模型的重構(gòu)能力。針對重構(gòu)結(jié)果中對溫躍層和深層溫度場結(jié)構(gòu)刻畫不足的問題，融合CNN、Swin Transformer與ConvLSTM，提出了CSSP-ConvLSTM模型，提升了溫躍層及深層溫度場重構(gòu)精度。針對海洋動力過程復(fù)雜海域次表層溫度場重構(gòu)問題，將時間卷積網(wǎng)絡(luò)與圖注意力網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合提出了STGAT模型，實現(xiàn)了黑潮延伸區(qū)海域20–1941 m深度日尺度海水溫度重構(gòu)。

研究結(jié)果表明，提出的海洋次表層溫度場重構(gòu)模型能獲得海洋內(nèi)部溫度的空間分布、垂向結(jié)構(gòu)及季節(jié)變化特征，特別是在溫躍層和深層表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，再現(xiàn)了中尺度渦旋與鋒面的熱結(jié)構(gòu)特征。相關(guān)成果為利用衛(wèi)星遙感反演海洋內(nèi)部熱結(jié)構(gòu)提供了新方法，也可為海洋動力過程分析、氣候變化研究和海洋環(huán)境業(yè)務(wù)化監(jiān)測提供技術(shù)支撐。

該研究由我所海洋遙感探測及應(yīng)用團隊牽頭，哈爾濱工程大學、中國石油大學（華東）、丹麥技術(shù)大學等單位學者共同參與。我所聯(lián)合培養(yǎng)博士生孫潔和谷浩然、聯(lián)合培養(yǎng)碩士生荀佳偉分別為論文第一作者，楊俊鋼研究員為通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金重點項目、國家重點研發(fā)計劃項目及ESA-MOST Dragon 6國際合作項目的資助。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1109/JSTARS.2025.3624008

https://doi.org/10.1109/TGRS.2026.3660826

https://doi.org/10.1016/j.jag.2026.105237

圖1赤道東太平洋PSSA-GAN模型重構(gòu)溫度場與GLORYS12V1再分析數(shù)據(jù)比較圖（左圖為不同深度層的溫度水平分布，右圖為溫度緯向垂直剖面分布）

圖2不同經(jīng)向垂直剖面CSSP-ConvLSTM模型重構(gòu)溫度場與ARMOR3D對比圖（左圖為CSSP-ConvLSTM模型重構(gòu)溫度，中間圖為ARMOR3D溫度，右圖為兩者差值）

圖3 STGAT模型重構(gòu)溫度場與GLORYS12V1再分析數(shù)據(jù)對比圖（左圖為380 m水平剖面對比，中圖為20–1941 m緯向垂直剖面對比，右圖為20–1941 m經(jīng)向垂直剖面對比）