孟庆存1, 2, 3, 4, 刘金龙1, 2, 罗云1, 2, 黎刚1, 2, 颜文1, 2, 4, 殷建平1, 徐维海1, 2, 3*
1. 热带海洋环境与岛礁生态全国重点实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 511458;
2. 边缘海与大洋地质实验室, 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州 511458;
3. 三亚海洋生态环境工程研究院, 海南 三亚 572000;
4. 中国科学院大学, 北京 100049
MENG Qingcun1, 2, 3, 4, LIU Jinlong1, 2, LUO Yun1, 2, LI Gang1, 2, YAN Wen1, 2, 4, YIN Jianping1, XU Weihai1, 2, 3*
1. State Key Laboratory of Tropical Oceanography, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangdong Guangzhou 511458, China;
2. Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanography, Chinese Academy of Sciences, Guangdong Guangzhou 511458, China;
3. Sanya Institute of Ocean Eco-Environmental Engineering, Hainan Sanya, 572000, China;
4. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
摘要: 因全球持续高温驱动的海洋大范围低氧/缺氧,已成为本世纪全球重点关注的科学问题之一。传统的海洋溶解氧(dissolved oxygen, DO)监测依赖于现场采样,存在成本高、耗时长,且难以实现大范围观测的问题。尽管已有通过传统机器学习方法实现海洋DO数据重建的研究,但针对DO时空演化规律的深度学习预测研究仍存在明显不足,现有模型难以有效捕捉海洋环境的时空动态关联性与异质性。本研究以南海为研究区域,采用专为地学问题设计的Earthformer架构模型,基于1998—2022年的多源遥感与再分析数据,构建了一个包含海表温度、盐度、叶绿素a浓度、海水流速以及溶解氧的综合数据集。基于上述数据集,本研究对Earthformer模型进行了系统的深入训练与微调,实现了通过历史数据来预测未来(12个月)海洋DO时空分布的目标。实验结果表明,优化后的Earthformer模型具备优异的溶解氧预测性能。在测试集上,模型的多个评价指标整体表现突出:结构相似性指数达到0.78左右,反标准化后的均方根误差和平均绝对误差均可控制在3μmol·kg⁻¹以下的较低误差区间。此外,通过消融实验明确了关键超参数对模型预测性能的调控效应。本研究首次验证了Earthformer模型在海洋DO(典型复杂海洋生物地球化学变量)长期时空预测中的适用性与优越性,填补了深度学习模型在该研究领域的应用不足,为数据驱动的海洋低氧/缺氧环境预报提供了新的技术方法与理论支撑,兼具重要科学价值与实践应用潜力。