Sea surface temperature reconstruction based on deep learning and its application on the spatiotemporal analysis of SST variation in the South China Sea
Морская температура поверхности SST (Sea Surface Temperature) является одним из важных показателей в изучении океанической динамики, взаимодействия океанов с атмосферой и изменения климата. Традиционные способы получения данных о морской температуре, хотя и точны, ограничены количеством точек выборки и охватом, что затрудняет обеспечение потребностей в масштабном и высокоразрешенном океанографическом исследовании. Несмотря на то, что данные дистанционного зондирования океана с использованием спутниковых данных могут покрывать все мировые океаны и обладают высокой частотой обновления, их широко используют в океанографии, однако данные дистанционного зондирования океана с использованием спутниковых данных подвержены влиянию погодных условий, диапазону орбитальной области и неисправностям датчиков спутников, что приводит к частичному отсутствию данных о морской температуре поверхности, в значительной степени ограничивая их использование. Поэтому для реконструкции данных удаленного зондирования для повышения их эффективности использования и получения высококачественных полностью охватывающих наборов данных, в данном исследовании был предложен вариант использования модуля Inception в глубоком сверточном автоэнкодере DINCAE (Data-Interpolating Convolutional Auto-Encoder) и предложена модель I-DINCAE для реконструкции данных о морской температуре поверхности продукции от спутника FY-3C в Южно-Китайском море. Одновременно, с использованием фактических измеряемых данных в течение нескольких лет в исследуемой области, была использована модель глубоких нейронных сетей DNN (Deep Neural Networks) для калибровки новой модели реконструированных температурных данных, и также их проверки по набору данных iQuam SST, состоящему из 11993 независимых точек измерения. Результаты показывают: RMSE между реконструированными и фактическими данными SST составляет 1,27 ℃, MAE составляет 0,96 ℃, R² составляет 0,84; после калибровки моделью DNN, RMSE сократилось до 0,57 ℃, MAE сократилось до 0,43 ℃, R² увеличилось до 0,92. На основе скорректированных данных о температуре поверхности моря был проведен анализ пространственного и временного распределения и характеристик изменений температуры морской поверхности в Южно-Китайском море на месячной и сезонной шкалах. Результаты показывают: на сезонной шкале характеристики изменений SST в Южно-Китайском море ярко выражены, проявляясь в том, что летняя SST достигает максимальных значений, а зимняя SST опускается до минимальных; на месячной шкале изменения SST в Южно-Китайском море проявляются в виде синусоидальных колебаний, где SST обычно достигает максимума в июне и минимума в январе. Это исследование не только предоставляет новые алгоритмы для получения данных о морской температуре поверхности в районе Южно-Китайского моря с высоким охватом и высоким качеством, но также раскрывает характеристики пространственно-временных изменений температуры морской поверхности в районе Южно-Китайского моря.