本发明公开了一种小尺度垂直剖面二维温度场观测方法，包括：将获得的原始数据进行互相关以获取声线传播时间；高精度声线模拟，获得声线模式、参考传播时间及时间窗信息；多径分辨与提取，设置时间窗提取与声线模拟对应的声线信息，计算不同路径的到达峰传播时间和声线长度；传播时间预处理；以尽可能每个网格包含不同的声线为原则，基于声线分布进行网格划分；计算每个网格内的声线长度和传播时间，构建系数矩阵，构建垂直剖面二维温度场，获得每个网格内的反演误差；设定阈值，若反演误差超过设定值，返回步骤1进行迭代计算，直至反演误差满足要求；最后进行可视化处理。利用本发明，可以提高小尺度水域水文信息测量的精度和密度。