科技日?qǐng)?bào)記者 陳 曦  郝曉明

從太空視角看，地球像一顆蔚藍(lán)色的“水球”，海洋面積占地球總面積的70.8%。海洋的種種變化，都可能使人類的生活發(fā)生改變。其中，海水溫度變化與全球變暖、漁業(yè)和海洋環(huán)境保護(hù)等海洋相關(guān)領(lǐng)域息息相關(guān)，所以在海洋大數(shù)據(jù)研究中，海水溫度預(yù)測在海洋科學(xué)上占有重要的地位。

近日，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所（以下簡稱沈陽自動(dòng)化所）在海洋溫度預(yù)測方法研究中取得新進(jìn)展，其提出的基于立體空間—時(shí)間的四維卷積模型高精度應(yīng)用于海水溫度預(yù)測。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在國際期刊美國電氣電子工程師學(xué)會(huì)的《地球科學(xué)與遙感通訊》上，并申請(qǐng)相關(guān)專利。

諸多因素影響海水溫度

“海洋溫度體現(xiàn)了海水的熱狀況，海洋溫度變化主要取決于海洋熱收支狀況及其時(shí)間變化。太陽輻射和海洋大氣熱交換是影響海水溫度的兩個(gè)主要因素?！鄙蜿栕詣?dòng)化所副研究員周曉鋒介紹，具體來說，緯度、洋流、季節(jié)、深度、海洋生物運(yùn)動(dòng)等都會(huì)影響海水溫度變化。

在開闊的海洋中，表層海水等溫線的分布大致與緯圈平行，這是因?yàn)榈厍虮砻嫠@得的太陽輻射熱量受地球形狀的影響，不同緯度得到的太陽輻射不同，則溫度不同，因此表層海水溫度從赤道向兩極遞減。同理，不同季節(jié)，海水受到的太陽輻射不同，因此溫度也不相同。夏季海水溫度高，冬季海水溫度低。

而同緯度海區(qū)，暖流流經(jīng)海水溫度較高，寒流流經(jīng)海水溫度較低。

此外，從海平面到深邃海底，海水溫度像一個(gè)奶油蛋糕那樣分成許多層，溫度會(huì)隨海水深度增加而遞減。太陽輻射的熱量絕大部分被表層海水吸收，白天吸熱、晚上放熱。在海水對(duì)流和海浪作用下，表層海水形成一個(gè)溫度比較一致的混合層，厚度約100米。表層海水到1000米深度的海水，水溫隨深度增加而迅速遞減，而1000米以下的海洋深處因受太陽輻射和表層熱量傳導(dǎo)、對(duì)流影響較小，因此水溫下降變慢。

“目前，世界海洋的水溫一般在-2℃—30℃，其中年平均水溫超過20℃的區(qū)域占整個(gè)海洋面積的一半以上?！敝軙凿h介紹，但隨深度增加，水溫逐漸下降（每深1000米，約下降1℃—2℃），在水深3000—4000米處，溫度達(dá)到2℃—-1℃。

在這些規(guī)律之外，海洋中還存在溫躍層，冷暖兩層海水交界處溫度急劇變化，兩側(cè)海水密度差異明顯，中間這十幾米到幾十米的薄薄水層就被稱為溫度躍變層，也叫溫躍層?！皽剀S層的形成是因?yàn)樗w不同深度的密度不同，而水體自身上下的對(duì)流不足以均勻混合這個(gè)密度差異使之穩(wěn)定存在，從而形成了密度的分層現(xiàn)象?！敝軙凿h解釋。

以往研究多集中于海表

目前關(guān)于海洋溫度預(yù)測的方法多集中于海洋表面。在海洋表面，海水溫度日變化很小，主要存在以年為單位的周期性變化，因此目前的預(yù)測方法大多為時(shí)間序列預(yù)測，用一段時(shí)間的溫度去預(yù)測未來的溫度。“而海水溫度時(shí)刻都在發(fā)生變化，并不穩(wěn)定。我們又很難同時(shí)將各個(gè)影響因素的數(shù)據(jù)都充分且準(zhǔn)確地提取和融合，因此有效預(yù)測海水溫度并不簡單?！敝軙凿h認(rèn)為。

此外，目前基于深度學(xué)習(xí)的預(yù)測方法均以時(shí)序預(yù)測為主，忽視了海洋內(nèi)部的空間聯(lián)系，以點(diǎn)預(yù)測點(diǎn)的方式導(dǎo)致特征提取不充分。

周曉鋒表示，海洋內(nèi)部不定期存在的溫躍層也加大了海洋溫度預(yù)測的難度，因?yàn)闇囟茸兓厔輹?huì)在溫躍層位置發(fā)生驟變。溫躍層有季節(jié)性溫躍層和主溫躍層兩種表現(xiàn)形式，其中季節(jié)性溫躍層并不是大范圍海洋溫度的存在形態(tài)，它的形成時(shí)間也并無周期性。“我們無法判斷所觀測到的溫躍層是長期還是暫時(shí)性存在的，也很難提前預(yù)知到溫躍層的位置及形狀，這也是目前對(duì)海水溫度的研究多集中于海表的原因之一?！彼f。

而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)海洋內(nèi)部溫度的預(yù)測比對(duì)表面的預(yù)測更重要。無論是水下探測還是對(duì)海洋生物的研究，都要利用海洋內(nèi)部的溫度，并不僅限于表面。周曉鋒舉例說：“比如對(duì)于溫躍層的研究，在軍事上就有重要的意義，它對(duì)潛艇的浮沉具有一定的影響。所以現(xiàn)有的針對(duì)表層海水溫度的預(yù)測數(shù)據(jù)并不能支撐很多實(shí)際的海洋工作?！?/p>

時(shí)空四維模型讓溫度預(yù)測更準(zhǔn)確

針對(duì)目前海水溫度預(yù)測局限于海洋表面，且只考慮時(shí)序預(yù)測的問題，沈陽自動(dòng)化所數(shù)字工廠研究室大數(shù)據(jù)課題組提出一種基于時(shí)空四維卷積網(wǎng)絡(luò)的模型，以解決這些問題。

“時(shí)空四維卷積模型由三部分組成：四維卷積網(wǎng)絡(luò)、殘差網(wǎng)絡(luò)、再校準(zhǔn)模塊。”周曉鋒介紹，海洋溫度數(shù)據(jù)本身為經(jīng)度、緯度、深度構(gòu)成的三維柵格化數(shù)據(jù)，增加時(shí)間維度后，形成了四維矩陣。利用四維卷積網(wǎng)絡(luò)，對(duì)海洋溫度數(shù)據(jù)提取時(shí)間特征的同時(shí)，提取三維立體空間特征。四維卷積網(wǎng)絡(luò)的意義就是實(shí)現(xiàn)時(shí)—空雙重特征提取。由于卷積運(yùn)算是線性運(yùn)算，他們?cè)谌S卷積的原理基礎(chǔ)上進(jìn)行改變，實(shí)現(xiàn)四個(gè)維度同時(shí)卷積。

對(duì)于普通的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，深度層次越多，優(yōu)化算法越難訓(xùn)練，訓(xùn)練錯(cuò)誤便會(huì)越多。殘差模塊可以優(yōu)化深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而利用殘差網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步加深網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)一步提取海洋溫度的空間特征。

“在整個(gè)海洋空間中，相鄰區(qū)域的數(shù)據(jù)對(duì)于預(yù)測的貢獻(xiàn)在空間上各不相同。有的位置溫度多變，有的位置溫度穩(wěn)定；有的位置等溫線密集，有的位置等溫線稀疏?！敝軙凿h介紹，為了提高模型性能，研究人員給模型在殘差模塊后面加入了再校準(zhǔn)模塊。再校準(zhǔn)模塊的意義就是探索并量化各個(gè)區(qū)域特征的貢獻(xiàn)程度，對(duì)前面計(jì)算得到的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)。重要特征賦予較高權(quán)重，不同位置也賦予不同權(quán)重，然后將特征進(jìn)行加權(quán)求和，得到最終結(jié)果，由此提高模型的質(zhì)量。

課題組利用時(shí)空四維卷積模型進(jìn)行了橫截面方向和剖面方向的兩方面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)顯示，時(shí)空四維卷積模型可以準(zhǔn)確預(yù)測水平方向0—-2000米的海洋溫度，且準(zhǔn)確度并不受海洋深度影響，均在98%以上，并有大部分大于99%。對(duì)于剖面方向，時(shí)空四維卷積模型可以準(zhǔn)確預(yù)測出季節(jié)性溫躍層和主溫躍層的位置和形狀，準(zhǔn)確度不受海洋位置影響，均大于99%。

此外，課題組還將時(shí)空四維卷積模型與目前的預(yù)測方法做了對(duì)比，在平均絕對(duì)誤差（MAE）、均方誤差（RMSE）、預(yù)測精度（ACC）和R平方（R-squared）等各個(gè)指標(biāo)上，新模型都達(dá)到了最優(yōu)的效果。

“時(shí)空四維卷積模型利用海洋溫度數(shù)據(jù)的雙重特征提取，并對(duì)特征以及區(qū)域進(jìn)行加權(quán)，實(shí)現(xiàn)了海洋內(nèi)部溫度的數(shù)據(jù)預(yù)測，打破了目前對(duì)于海表溫度預(yù)測的局限性，并將溫躍層的預(yù)測變?yōu)榭赡??！敝軙凿h說。

關(guān)鍵詞： 海溫 四維 模型