点击右上角微信好友

朋友圈

请使用浏览器分享功能进行分享

正在阅读:时空四维模型突破限制 让海温预测不再“浮于表面”
首页> 科技频道> 综合新闻 > 正文

时空四维模型突破限制 让海温预测不再“浮于表面”

来源:科技日报2021-11-25 09:56

调查问题加载中,请稍候。
若长时间无响应,请刷新本页面

  海洋温度体现了海水的热状况,海洋温度变化主要取决于海洋热收支状况及其时间变化。太阳辐射和海洋大气热交换是影响海水温度的两个主要因素。具体来说,纬度、洋流、季节、深度、海洋生物运动等都会影响海水温度变化。

  周晓锋

  中国科学院沈阳自动化研究所副研究员

  从太空视角看,地球像一颗蔚蓝色的“水球”,海洋面积占地球总面积的70.8%。海洋的种种变化,都可能使人类的生活发生改变。其中,海水温度变化与全球变暖、渔业和海洋环境保护等海洋相关领域息息相关,所以在海洋大数据研究中,海水温度预测在海洋科学上占有重要的地位。

  近日,中国科学院沈阳自动化研究所(以下简称沈阳自动化所)在海洋温度预测方法研究中取得新进展,其提出的基于立体空间—时间的四维卷积模型高精度应用于海水温度预测。相关研究结果发表在国际期刊美国电气电子工程师学会的《地球科学与遥感通讯》上,并申请相关专利。

  诸多因素影响海水温度

  “海洋温度体现了海水的热状况,海洋温度变化主要取决于海洋热收支状况及其时间变化。太阳辐射和海洋大气热交换是影响海水温度的两个主要因素。”沈阳自动化所副研究员周晓锋介绍,具体来说,纬度、洋流、季节、深度、海洋生物运动等都会影响海水温度变化。

  在开阔的海洋中,表层海水等温线的分布大致与纬圈平行,这是因为地球表面所获得的太阳辐射热量受地球形状的影响,不同纬度得到的太阳辐射不同,则温度不同,因此表层海水温度从赤道向两极递减。同理,不同季节,海水受到的太阳辐射不同,因此温度也不相同。夏季海水温度高,冬季海水温度低。

  而同纬度海区,暖流流经海水温度较高,寒流流经海水温度较低。

  此外,从海平面到深邃海底,海水温度像一个奶油蛋糕那样分成许多层,温度会随海水深度增加而递减。太阳辐射的热量绝大部分被表层海水吸收,白天吸热、晚上放热。在海水对流和海浪作用下,表层海水形成一个温度比较一致的混合层,厚度约100米。表层海水到1000米深度的海水,水温随深度增加而迅速递减,而1000米以下的海洋深处因受太阳辐射和表层热量传导、对流影响较小,因此水温下降变慢。

  “目前,世界海洋的水温一般在-2℃—30℃,其中年平均水温超过20℃的区域占整个海洋面积的一半以上。”周晓锋介绍,但随深度增加,水温逐渐下降(每深1000米,约下降1℃—2℃),在水深3000—4000米处,温度达到2℃—-1℃。

  在这些规律之外,海洋中还存在温跃层,冷暖两层海水交界处温度急剧变化,两侧海水密度差异明显,中间这十几米到几十米的薄薄水层就被称为温度跃变层,也叫温跃层。“温跃层的形成是因为水体不同深度的密度不同,而水体自身上下的对流不足以均匀混合这个密度差异使之稳定存在,从而形成了密度的分层现象。”周晓锋解释。

  以往研究多集中于海表

  目前关于海洋温度预测的方法多集中于海洋表面。在海洋表面,海水温度日变化很小,主要存在以年为单位的周期性变化,因此目前的预测方法大多为时间序列预测,用一段时间的温度去预测未来的温度。“而海水温度时刻都在发生变化,并不稳定。我们又很难同时将各个影响因素的数据都充分且准确地提取和融合,因此有效预测海水温度并不简单。”周晓锋认为。

  此外,目前基于深度学习的预测方法均以时序预测为主,忽视了海洋内部的空间联系,以点预测点的方式导致特征提取不充分。

  周晓锋表示,海洋内部不定期存在的温跃层也加大了海洋温度预测的难度,因为温度变化趋势会在温跃层位置发生骤变。温跃层有季节性温跃层和主温跃层两种表现形式,其中季节性温跃层并不是大范围海洋温度的存在形态,它的形成时间也并无周期性。“我们无法判断所观测到的温跃层是长期还是暂时性存在的,也很难提前预知到温跃层的位置及形状,这也是目前对海水温度的研究多集中于海表的原因之一。”他说。

  而在实际应用中,对海洋内部温度的预测比对表面的预测更重要。无论是水下探测还是对海洋生物的研究,都要利用海洋内部的温度,并不仅限于表面。周晓锋举例说:“比如对于温跃层的研究,在军事上就有重要的意义,它对潜艇的浮沉具有一定的影响。所以现有的针对表层海水温度的预测数据并不能支撑很多实际的海洋工作。”

  时空四维模型让温度预测更准确

  针对目前海水温度预测局限于海洋表面,且只考虑时序预测的问题,沈阳自动化所数字工厂研究室大数据课题组提出一种基于时空四维卷积网络的模型,以解决这些问题。

  “时空四维卷积模型由三部分组成:四维卷积网络、残差网络、再校准模块。”周晓锋介绍,海洋温度数据本身为经度、纬度、深度构成的三维栅格化数据,增加时间维度后,形成了四维矩阵。利用四维卷积网络,对海洋温度数据提取时间特征的同时,提取三维立体空间特征。四维卷积网络的意义就是实现时—空双重特征提取。由于卷积运算是线性运算,他们在三维卷积的原理基础上进行改变,实现四个维度同时卷积。

  对于普通的神经网络来说,深度层次越多,优化算法越难训练,训练错误便会越多。残差模块可以优化深度神经网络,而利用残差网络进一步加深网络,可进一步提取海洋温度的空间特征。

  “在整个海洋空间中,相邻区域的数据对于预测的贡献在空间上各不相同。有的位置温度多变,有的位置温度稳定;有的位置等温线密集,有的位置等温线稀疏。”周晓锋介绍,为了提高模型性能,研究人员给模型在残差模块后面加入了再校准模块。再校准模块的意义就是探索并量化各个区域特征的贡献程度,对前面计算得到的特征数据进行加权。重要特征赋予较高权重,不同位置也赋予不同权重,然后将特征进行加权求和,得到最终结果,由此提高模型的质量。

  课题组利用时空四维卷积模型进行了横截面方向和剖面方向的两方面实验。实验显示,时空四维卷积模型可以准确预测水平方向0—-2000米的海洋温度,且准确度并不受海洋深度影响,均在98%以上,并有大部分大于99%。对于剖面方向,时空四维卷积模型可以准确预测出季节性温跃层和主温跃层的位置和形状,准确度不受海洋位置影响,均大于99%。

  此外,课题组还将时空四维卷积模型与目前的预测方法做了对比,在平均绝对误差(MAE)、均方误差(RMSE)、预测精度(ACC)和R平方(R-squared)等各个指标上,新模型都达到了最优的效果。

  “时空四维卷积模型利用海洋温度数据的双重特征提取,并对特征以及区域进行加权,实现了海洋内部温度的数据预测,打破了目前对于海表温度预测的局限性,并将温跃层的预测变为可能。”周晓锋说。

  陈 曦 郝晓明

[ 责编:涂子怡 ]
阅读剩余全文()

相关阅读

您此时的心情

光明云投
新闻表情排行 日/周
  • 开心
     
    0
  • 难过
     
    0
  • 点赞
     
    0
  • 飘过
     
    0

视觉焦点

  • 来中国科技馆,和科学家击掌!

  • 理响中国·幸福有“理”

独家策划

推荐阅读
当前全球生态环境挑战日益严峻,科技创新是应对可持续发展挑战的核心力量。
2026-10-16 16:29
10月16日是第四十六个世界粮食日,所在周是全国粮食安全宣传周,主题为“创新当下,粮安未来”。从良种选育、智能农机到数字农业、精准储运,创新正成为粮食增产、节粮减损、营养提升的关键引擎。即日起,光明网联合科普中国推出系列科普视频,深入解读科技创新绘就的粮安答卷。
2026-10-16 08:46
在显示技术升级与人工智能赋能的双重驱动下,行业正跳出传统数字阅读的固有边界
2026-10-16 08:45
打造集技术研发、模型训练、系统验证及场景测试于一体的创新基地,推动人形机器人及具身智能技术从实验室研发阶段走向大规模产业应用。
2026-10-16 08:39
工业和信息化部、中央网信办、市场监管总局高度重视,在前期调查工作基础上,成立联合调查组开展核查,并依法依规处理。有关情况将及时公布。
2026-10-16 08:40
大会延续“零碳·科技”永久主题,以“智储新程 绿动全球”为年度主题
2026-10-16 08:35
“戈壁荒滩老风口,飞沙走石雁不留。托里县老风口蝶变的三部曲,为生态脆弱地区推动高质量发展、树立和践行正确政绩观,提供了深刻启示。树立和践行正确政绩观,就要算大账、算长远账、算整体账,既做显功、也做潜功,把生态优势转化为发展优势、民生福祉。
2026-10-15 09:51
常压下,水到0℃会结冰,这就是人们熟悉的相变,0℃即是相变的临界点。两篇论文的共同通讯作者、宁波东方理工大学助理教授余雪佳,把这个难题比作“在沸水中完好保存一件冰雕”。
2026-10-15 09:49
长久以来,古生物学界与教科书普遍认为琥珀皆源自种子植物(裸子或被子植物),最古老的确切记录定格在美国约3.2亿年前的石炭纪晚期。
2026-10-15 09:48
在芯片制造、航空发动机等高端硬核制造领域,技术迭代具有长周期、累积性、阶梯式特征,遵循循序渐进、层层突破的线性攻关规律。新征程上,持续深耕创新生态建设、迭代升级现代化创新体系,必能培育形成扎根中国、联通世界、内生增长、开放共生的创新新格局。
2026-10-15 09:46
受困于“小散弱”的格局,长期以来,我国科技期刊在国际学术传播体系中缺少属于自己的“拳头产品”与平台话语权——“在精品化发展方面,经过70余年积淀,我国已形成以《中国科学》《科学通报》《国家科学评论》等刊群为代表的高水平期刊方阵。
2026-10-15 09:45
AI时代,科研的“源头活水”是什么?不是算力,不是数据,而是人对未知世界的好奇与追问。
2026-10-14 11:28
截至8月末,三家基础电信企业的固定互联网宽带接入用户总数7.04亿户,比上年末净增1365万户;三家基础电信企业及中国广电的移动电话用户总数18.49亿户,其中5G移动电话用户13.11亿户。
2026-10-14 09:34
自然资源部会同国家发展改革委12日发布《矿产资源目录》。自然资源部矿产资源保护监督司负责人表示,矿产资源目录是矿产资源管理制度的重要基础,是制定矿产资源规划、实施矿业权管理、规范矿产资源勘查开采行为、征缴矿产资源税费、制定产业政策等工作的依据。
2026-10-14 09:40
与共康村相邻的巴达村,是第一批参与试种的村,也是西藏首个高海拔水稻实测亩产破千斤的村子,村民把“海拔3175米种水稻”写进村史。一粒水稻种子,不只改写了亩产数字,更改变了“西藏水稻只能在察隅、墨脱海拔1500米以下种植”的历史,为高原水稻纳入地方主粮增添可能。
2026-10-14 09:41
如今,AI正改变许多行业的底层逻辑,固守单一思维模式将面临严峻挑战,文理兼备、跨界融合才是稀缺能力——既有理科生的技术思维和逻辑能力,又有文科生的人文洞察和情感素养。未来更有竞争力的,可能不是最典型的文科生或理科生,而是既有专业深度,又能跨学科解决问题的人。
2026-10-14 09:48
不久前,在海南三亚崖州湾科技城,一场名为“青年π”的海洋主题对话临海开讲。高频下潜试出的不只有装备可靠性,也不断刷新人们对深海的认识。同一园区,由哈尔滨工程大学南海研究院孵化的海南水之声海洋科技有限公司,正给海洋装备搭水下“Wi-Fi”。
2026-10-14 09:49
目前各地正在开展流感疫苗接种。今年开始,国家对农村地区“一老一小”重点人群实施免费接种等相关支持性政策。为什么要接种流感疫苗?去年接种过,今年是否还需要接种?到哪里接种?
2026-10-13 10:03
我国城市盲道总里程以万公里计,公共场所无障碍设施持续铺开。数字世界的“盲道”畅通起来。精神文化的“视界”也在扩大。中国传媒大学师生发起的“光明影院”项目,近十年间每年制作上百部无障碍电影,把电影送到视障朋友耳边,今年还走进联合国教科文组织总部举办专场放映。
2026-10-13 10:01
记者近期从中国互联网络信息中心获悉:截至今年上半年,我国生成式人工智能用户规模超7亿人,普及率超50%。
2026-10-13 09:58
加载更多