Cynigir dull dysgu heb oruchwyliaeth i bennu taleithiau ecolegol morol byd-eang (eco-daleithiau) yn seiliedig ar strwythur cymunedol plancton a data fflwcs maetholion.Gall y dull talaith ecolegol integredig systematig (SAGE) nodi taleithiau ecolegol mewn modelau ecosystem aflinol iawn.Er mwyn addasu i gydamrywiant an-Gausaidd y data, mae SAGE yn defnyddio t ar hap mewnosod cymydog (t-SNE) i leihau'r dimensiwnoldeb.Gyda chymorth y cais sŵn yn seiliedig ar yr algorithm clystyru gofodol sy'n seiliedig ar ddwysedd (DBSCAN), gellir nodi mwy na chant o daleithiau ecolegol.Gan ddefnyddio'r map cysylltedd â gwahaniaethau ecolegol fel mesur pellter, mae talaith ecolegol agregedig gadarn (AEP) wedi'i diffinio'n wrthrychol trwy daleithiau ecolegol nythu.Gan ddefnyddio AEPs, archwiliwyd rheoli cyfradd cyflenwi maetholion ar strwythur cymunedol.Mae eco-dalaith ac AEP yn unigryw a gallant helpu i fodelu dehongliad.Gallant hwyluso cymariaethau rhwng modelau a gallant wella dealltwriaeth a monitro ecosystemau morol.
Mae taleithiau yn rhanbarthau lle mae bioddaearyddiaeth gymhleth ar y môr neu'r tir wedi'i drefnu'n ardaloedd cydlynol ac ystyrlon (1).Mae'r taleithiau hyn yn bwysig iawn ar gyfer cymharu a chyferbynnu lleoliadau, nodweddu arsylwadau, monitro ac amddiffyn.Mae'r rhyngweithiadau cymhleth ac aflinol sy'n cynhyrchu'r taleithiau hyn yn gwneud dulliau dysgu peiriant heb oruchwyliaeth (ML) yn addas iawn ar gyfer pennu taleithiau'n wrthrychol, oherwydd bod y cydamrywiant yn y data yn gymhleth ac nad yw'n Gaussian.Yma, cynigir dull ML, sy'n nodi'n systematig daleithiau ecolegol morol unigryw (eco-daleithiau) o fodel ffisegol/ecosystem tri-dimensiwn (3D) byd-eang Darwin (2).Defnyddir y term “unigryw” i ddangos nad yw'r ardal a nodwyd yn gorgyffwrdd yn ddigonol ag ardaloedd eraill.Gelwir y dull hwn yn ddull Talaith Ecolegol Integredig (SAGE).Er mwyn cyflawni dosbarthiad defnyddiol, mae angen i ddull algorithm ganiatáu (i) dosbarthiad byd-eang a (ii) dadansoddiad aml-raddfa y gellir ei nythu/agregu mewn gofod ac amser (3).Yn yr ymchwil hwn, cynigiwyd dull SAGE yn gyntaf a thrafodwyd y taleithiau ecolegol a nodwyd.Gall eco-daleithiau hybu dealltwriaeth o'r ffactorau sy'n rheoli strwythur cymunedol, darparu mewnwelediadau defnyddiol ar gyfer strategaethau monitro, a helpu i olrhain newidiadau yn yr ecosystem.
Mae taleithiau daearol fel arfer yn cael eu dosbarthu yn ôl tebygrwydd mewn hinsawdd (dyodiad a thymheredd), pridd, llystyfiant a ffawna, ac fe'u defnyddir ar gyfer rheolaeth ategol, ymchwil bioamrywiaeth, a rheoli clefydau (1, 4).Mae'n anoddach diffinio taleithiau morol.Mae'r rhan fwyaf o organebau yn ficrosgopig, gyda therfynau hylif.Dywedodd Longhurst et al.(5) Wedi darparu un o ddosbarthiadau byd-eang cyntaf y Weinyddiaeth Eigioneg yn seiliedig ar amodau amgylcheddol.Mae diffiniad y taleithiau “Longhurst” hyn yn cynnwys newidynnau megis cyfradd gymysgu, haeniad, ac arbelydru, yn ogystal â phrofiad helaeth Longhurst fel eigionegydd morol, sydd ag amodau pwysig eraill ar gyfer ecosystemau morol.Defnyddiwyd Longhurst yn helaeth, er enghraifft, i asesu cynhyrchiant cynradd a fflwcsau carbon, cynorthwyo pysgodfeydd, a chynllunio gweithgareddau arsylwi in situ (5-9).Er mwyn diffinio taleithiau yn fwy gwrthrychol, defnyddiwyd dulliau megis rhesymeg niwlog a chlystyru/ystadegau rhanbarthol heb oruchwyliaeth (9-14).Pwrpas dulliau o'r fath yw nodi strwythurau ystyrlon a all nodi taleithiau yn y data arsylwi sydd ar gael.Er enghraifft, mae taleithiau morol deinamig (12) yn defnyddio mapiau hunan-drefnu i leihau sŵn, ac yn defnyddio clystyru hierarchaidd (yn seiliedig ar goed) i bennu cynhyrchion lliw morol sy'n deillio o loerennau rhanbarthol [cloroffyl a (Chl-a), uchder llinell fflworoleuedd normaleiddio a mater organig toddedig lliw] a maes ffisegol (tymheredd wyneb y môr a halltedd, topograffeg deinamig absoliwt a rhew môr).
Mae strwythur cymunedol plancton yn peri pryder oherwydd bod ei ecoleg yn dylanwadu'n fawr ar lefelau uwch o faetholion, amsugno carbon a hinsawdd.Serch hynny, mae pennu talaith ecolegol fyd-eang yn seiliedig ar strwythur cymunedol plancton yn nod heriol o hyd.Gall lloerennau lliw morol o bosibl roi mewnwelediad i ddosbarthiad bras o ffytoplancton neu awgrymu manteision grwpiau gweithredol (15), ond ar hyn o bryd ni allant ddarparu gwybodaeth fanwl am strwythur cymunedol.Mae arolygon diweddar [ee Tara Ocean (16)] yn darparu mesuriadau digynsail o strwythur cymunedol;ar hyn o bryd, prin yw'r arsylwadau in-situ ar raddfa fyd-eang (17).Mae astudiaethau blaenorol wedi pennu'r “Talaith Biogeocemegol” i raddau helaeth (12, 14, 18) yn seiliedig ar bennu tebygrwydd biocemegol (fel cynhyrchu cynradd, Chl a'r golau sydd ar gael).Yma, defnyddir y model rhifiadol i allbwn [Darwin(2)], a phennir y dalaith ecolegol yn ôl strwythur y gymuned a'r fflwcs maetholion.Mae gan y model rhifiadol a ddefnyddir yn yr astudiaeth hon gwmpas byd-eang a gellir ei gymharu â data maes presennol (17) a meysydd synhwyro o bell (Nodyn S1).Mae gan y data model rhifiadol a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon fantais o sylw byd-eang.Mae'r ecosystem enghreifftiol yn cynnwys 35 rhywogaeth o ffytoplancton ac 16 rhywogaeth o sŵoplancton (cyfeiriwch at ddeunyddiau a dulliau).Mae mathau model o blancton yn rhyngweithio'n aflinol â strwythurau cydamrywiant an-Gausaidd, felly nid yw dulliau diagnostig syml yn addas ar gyfer nodi patrymau unigryw a chyson mewn strwythurau cymunedol sy'n dod i'r amlwg.Mae'r dull SAGE a gyflwynir yma yn darparu ffordd newydd o wirio allbwn modelau cymhleth Darwin.
Gall galluoedd trawsnewidiol pwerus gwyddor data/technoleg ML alluogi datrysiadau model hynod gymhleth i ddatgelu strwythurau cymhleth ond cadarn mewn cydamrywiant data.Diffinnir dull cadarn fel dull a all atgynhyrchu'n ffyddlon y canlyniadau o fewn ystod gwallau penodol.Hyd yn oed mewn systemau syml, gall pennu patrymau a signalau cadarn fod yn her.Hyd nes y penderfynir ar y rhesymeg sy'n arwain at y patrwm a arsylwyd, gall y cymhlethdod sy'n dod i'r amlwg ymddangos yn gymhleth/anodd ei ddatrys.Mae'r broses allweddol o osod cyfansoddiad yr ecosystem yn aflinol ei natur.Gall bodolaeth rhyngweithiadau aflinol ddrysu dosbarthiad cadarn, felly mae angen osgoi dulliau sy'n gwneud rhagdybiaethau cryf ynghylch dosbarthiad ystadegol sylfaenol cydamrywiant data.Mae data dimensiwn uchel ac aflinol yn gyffredin mewn eigioneg a gallant fod â strwythur cydamrywiant gyda thopoleg gymhleth nad yw'n Gaussiaidd.Er y gallai data â strwythur cydamrywiant nad yw'n Gaussaidd rwystro dosbarthiad cadarn, mae'r dull SAGE yn newydd oherwydd ei fod wedi'i gynllunio i nodi clystyrau â thopolegau mympwyol.
Nod y dull SAGE yw nodi'n wrthrychol batrymau sy'n dod i'r amlwg a allai helpu i wella dealltwriaeth ecolegol.Yn dilyn llif gwaith sy'n seiliedig ar glwstwr tebyg i (19), defnyddir y newidynnau fflwcs ecolegol a maetholion i bennu'r unig glwstwr yn y data, a elwir yn dalaith ecolegol.Mae'r dull SAGE a gynigir yn yr astudiaeth hon (Ffigur 1) yn gyntaf yn lleihau'r dimensiwn o 55 i 11 dimensiynau trwy grynhoi'r grwpiau gweithredol plancton a ddiffinnir a priori (gweler Deunyddiau a Dulliau).Gan ddefnyddio dull mewnosod cymydog ar hap (t-SNE), mae'r maint yn cael ei leihau ymhellach trwy daflunio'r tebygolrwydd i'r gofod 3D.Gall clystyru heb oruchwyliaeth nodi ardaloedd ecolegol agos [clystyru gofodol yn seiliedig ar ddwysedd (DBSCAN) ar gyfer cymwysiadau sy'n seiliedig ar sŵn].Mae t-SNE a DBSCAN yn berthnasol i ddata model rhifiadol ecosystem aflinol cynhenid.Yna ail-ragluniwch y dalaith ecolegol ddilynol i'r ddaear.Mae mwy na chant o daleithiau ecolegol unigryw wedi'u nodi, sy'n addas ar gyfer ymchwil rhanbarthol.Er mwyn ystyried y model ecosystem sy'n gyson yn fyd-eang, defnyddir y dull SAGE i agregu'r taleithiau ecolegol yn daleithiau ecolegol cyfanredol (AEP) i wella effeithiolrwydd y taleithiau ecolegol.Gellir addasu lefel y cydgrynhoi (a elwir yn “gymhlethdod”) i lefel y manylder sydd ei angen.Penderfynu ar leiafswm cymhlethdod AEP cadarn.Ffocws y detholiad yw'r dull SAGE ac archwilio'r achosion AEP cymhlethdod lleiaf i bennu rheolaeth y strwythur cymunedol brys.Yna gellir dadansoddi'r patrymau i ddarparu mewnwelediadau ecolegol.Gellir defnyddio'r dull a gyflwynir yma hefyd ar gyfer cymharu modelau yn ehangach, er enghraifft, trwy werthuso lleoliadau taleithiau ecolegol tebyg a geir mewn modelau gwahanol i amlygu gwahaniaethau a thebygrwydd, er mwyn cymharu modelau.
(A) Diagram sgematig o'r llif gwaith ar gyfer pennu'r dalaith ecolegol;defnyddio’r swm yn y grŵp swyddogaethol i leihau’r data 55-dimensiwn gwreiddiol i allbwn model 11-dimensiwn, gan gynnwys biomas saith plancton swyddogaethol/maethol a phedwar cyfradd cyflenwi maetholion.Gwerth dibwys ac ardal gorchudd iâ gwydn.Mae'r data wedi'i safoni a'i safoni.Darparu data 11-dimensiwn i'r algorithm t-SNE i amlygu cyfuniadau nodwedd ystadegol debyg.Bydd DBSCAN yn dewis y clwstwr yn ofalus i osod y gwerth paramedr.Yn olaf taflu'r data yn ôl i'r tafluniad lledred/hydred.Sylwch fod y broses hon yn cael ei hailadrodd 10 gwaith oherwydd efallai y bydd ychydig o hap yn cael ei gynhyrchu trwy gymhwyso t-SNE.(B) yn esbonio sut i gael y AEP trwy ailadrodd y llif gwaith yn (A) 10 gwaith.Ar gyfer pob un o'r 10 gweithrediad hyn, pennwyd matrics annhebygrwydd rhyng-daleithiol Bray-Curtis (BC) yn seiliedig ar fiomas 51 math o ffytoplancton.Darganfyddwch y gwahaniaeth BC rhwng taleithiau, o gymhlethdod 1 AEP i gymhlethdod llawn 115. Mae meincnod BC wedi'i osod gan Dalaith Longhurst.
Mae'r dull SAGE yn defnyddio allbwn y model rhifiadol ffisegol/ecosystem 3D byd-eang i ddiffinio'r dalaith ecolegol [Darwin (2);gweler Defnyddiau a Dulliau a Nodyn S1].Mae cydrannau'r ecosystem yn cynnwys 35 rhywogaeth o ffytoplancton ac 16 rhywogaeth o sŵoplancton, gyda saith grŵp swyddogaethol wedi'u diffinio ymlaen llaw: procaryotes ac ewcaryotau wedi'u haddasu i amgylcheddau isel eu maeth, coccidia â gorchudd calsiwm carbonad, a sefydlogiad nitrogen trwm Maetholion nitrogen (ar goll fel arfer). maetholion pwysig), gyda gorchudd siliceaidd, yn gallu gwneud ffotosynthesis plancton arall a phori fflagellau maeth cymysg a bugeiliaid sŵoplancton.Y rhychwant maint yw 0.6 i 2500μm diamedr sfferig cyfatebol.Mae dosbarthiad model maint ffytoplancton a grwpio swyddogaethol yn dal y nodweddion cyffredinol a welir mewn arsylwadau lloeren ac in-situ (gweler Ffigurau S1 i S3).Mae'r tebygrwydd rhwng y model rhifiadol a'r cefnfor a arsylwyd yn dangos y gall taleithiau a ddiffinnir gan y model fod yn berthnasol i'r cefnfor in-situ.Sylwch mai dim ond amrywiaeth arbennig o ffytoplancton y mae'r model hwn yn ei gynnwys, a dim ond rhai amrediadau gorfodi ffisegol a chemegol o'r cefnfor in situ.Gall y dull SAGE alluogi pobl i ddeall yn well fecanwaith rheoli rhanbarthol iawn y strwythur cymunedol enghreifftiol.
Trwy gynnwys swm y biomas arwyneb yn unig (gydag amser cyfartalog o 20 mlynedd) ym mhob grŵp gweithredol plancton, gellir lleihau dimensiwn y data.Ar ôl i astudiaethau cynharach ddangos eu rôl allweddol wrth osod y strwythur cymunedol, roedd hefyd yn cynnwys termau ffynhonnell arwyneb ar gyfer fflwcsau maetholion (cyflenwad nitrogen, haearn, ffosffad ac asid silicig) [ee (20, 21)] .Mae crynhoi'r grwpiau gweithredol yn lleihau'r broblem o 55 (51 plancton a 4 fflwcs maetholion) i 11 dimensiwn.Yn yr astudiaeth gychwynnol hon, oherwydd y cyfyngiadau cyfrifiannol a osodwyd gan yr algorithm, ni ystyriwyd amrywioldeb dyfnder ac amser.
Mae'r dull SAGE yn gallu nodi perthnasoedd pwysig rhwng prosesau aflinol a nodweddion allweddol rhyngweithio rhwng biomas grŵp swyddogaethol a fflwcs maetholion.Ni all defnyddio data 11-dimensiwn yn seiliedig ar ddulliau dysgu o bell Ewclidaidd (fel K-moddion) gael taleithiau dibynadwy ac atgynhyrchadwy (19, 22).Mae hyn oherwydd nad oes unrhyw siâp Gaussian i'w gael yn nosbarthiad sylfaenol cyfamrywedd yr elfennau allweddol sy'n diffinio'r dalaith ecolegol.Ni all y modd K o gelloedd Voronoi (llinellau syth) gadw'r dosbarthiad sylfaenol nad yw'n Gaussiaidd.
Mae biomas saith grŵp gweithredol plancton a phedwar fflwcs maetholion yn ffurfio fector 11-dimensiwn x.Felly, mae x yn faes fector ar y grid model, lle mae pob elfen xi yn cynrychioli fector 11-dimensiwn a ddiffinnir ar y grid llorweddol model.Mae pob mynegai ff yn nodi pwynt grid yn unigryw ar y sffêr, lle mae (lon, lat) = (ϕi, θi).Os yw biomas yr uned grid model yn llai na 1.2 × 10-3mg Chl/m3 neu os yw'r gyfradd gorchuddio iâ yn fwy na 70%, defnyddir y log o ddata biomas a'i daflu.Mae'r data wedi'i normaleiddio a'i safoni, felly mae'r holl ddata yn yr ystod o [0 i 1], mae'r cymedr yn cael ei dynnu a'i raddio i amrywiant uned.Gwneir hyn fel nad yw'r nodweddion (biomas a fflwcs maetholion) yn cael eu cyfyngu gan y cyferbyniad yn yr ystod o werthoedd posibl.Dylai clystyru ddal y berthynas newid o'r pellter tebygolrwydd allweddol rhwng y nodweddion yn hytrach na'r pellter daearyddol.Trwy feintioli'r pellteroedd hyn, daw nodweddion pwysig i'r amlwg, tra bod manylion diangen yn cael eu taflu.O safbwynt ecolegol, mae hyn yn angenrheidiol oherwydd gall rhai mathau o ffytoplancton heb lawer o fiomas gael mwy o effeithiau biogeocemegol, megis sefydlogiad nitrogen gan facteria diazotroffig.Wrth safoni a normaleiddio data, bydd y mathau hyn o govariates yn cael eu hamlygu.
Trwy bwysleisio agosrwydd nodweddion mewn gofod dimensiwn uchel mewn cynrychiolaeth dimensiwn isel, defnyddir yr algorithm t-SNE i wneud rhanbarthau tebyg presennol yn gliriach.Roedd gwaith blaenorol a anelwyd at adeiladu rhwydweithiau niwral dwfn ar gyfer cymwysiadau synhwyro o bell yn defnyddio t-SNE, a brofodd ei sgil wrth wahanu nodweddion allweddol (23).Mae hwn yn gam angenrheidiol i nodi clystyru cadarn yn y data nodwedd tra'n osgoi datrysiadau nad ydynt yn gydgyfeiriol (nodyn S2).Gan ddefnyddio cnewyllyn Gaussian, mae t-SNE yn cadw priodweddau ystadegol y data trwy fapio pob gwrthrych dimensiwn uchel i bwynt yn y gofod cyfnod 3D, a thrwy hynny sicrhau bod y tebygolrwydd o wrthrychau tebyg yn y cyfeiriadau uchel ac isel yn uchel mewn uchel- gofod dimensiwn (24).O ystyried set o wrthrychau N dimensiwn uchel x1,…,xN, mae'r algorithm t-SNE yn lleihau trwy leihau'r gwahaniaeth Kullback-Leibler (KL) (25).Mae dargyfeiriad KL yn fesur o ba mor wahanol yw dosraniad tebygolrwydd o ddosbarthiad tebygolrwydd ail gyfeiriad, a gall werthuso'n effeithiol y posibilrwydd o gydberthynas rhwng cynrychioliadau dimensiwn isel o nodweddion dimensiwn uchel.Os xi yw'r gwrthrych i-th yn y gofod N-dimensiwn, xj yw'r gwrthrych j-th yn y gofod N-dimensiwn, yi yw'r gwrthrych i-th mewn gofod isel-dimensiwn, ac yj yw'r gwrthrych j-th yn isel -gofod dimensiwn, yna t -SNE yn diffinio'r tebygolrwydd tebygrwydd ppj∣i = exp(-∥xi-xj∥2/2σi2) ∑k≠iexp(-∥xi-xk∥2/2σi2), ac ar gyfer y set lleihau maintoldeb q∣j = (1+ ∥ yi-yj∥2)-1∑k≠i(1 + ∥yj-yk∥2)-1
Mae Ffigur 2A yn dangos effaith lleihau fectorau fflwcs biomas a maetholion y cyfuniad 11-dimensiwn i 3D.Gellir cymharu cymhelliad cymhwyso t-SNE â chymhelliant dadansoddi prif gydrannau (PCA), sy'n defnyddio'r priodoledd amrywiant i bwysleisio ardal / priodoledd y data, gan leihau'r dimensiwnoldeb.Canfuwyd bod y dull t-SNE yn well na PCA o ran darparu canlyniadau dibynadwy ac atgynhyrchadwy ar gyfer yr Eco-Weinyddiaeth (gweler Nodyn S2).Gall hyn fod oherwydd nad yw rhagdybiaeth orthogonality PCA yn addas ar gyfer nodi rhyngweithiadau hanfodol rhwng nodweddion rhyngweithiol aflinol iawn, oherwydd bod PCA yn canolbwyntio ar strwythurau cydamrywiant llinol (26).Gan ddefnyddio data synhwyro o bell, mae Lunga et al.(27) yn dangos sut i ddefnyddio'r dull SNE i dynnu sylw at nodweddion sbectrol cymhleth ac aflinol sy'n gwyro oddi wrth y dosbarthiad Gaussian.
(A) Cyfradd cyflenwad maetholion wedi'i fodelu, biomas grŵp gweithredol ffytoplancton a sŵoplancton wedi'i dynnu gan yr algorithm t-SNE a'i liwio yn ôl talaith gan ddefnyddio DBSCAN.Mae pob pwynt yn cynrychioli pwynt yn y gofod dimensiwn uchel, fel y dangosir yn Ffigur 6B, mae'r rhan fwyaf o bwyntiau'n cael eu dal.Mae siafftiau yn cyfeirio at feintiau “t-SNE” 1, 2 a 3. (B) Tafluniad daearyddol y dalaith a ddarganfuwyd gan DBSCAN ar grid lledred-hydred y tarddiad.Dylid ystyried y lliw fel unrhyw liw, ond dylai gyfateb i (A).
Mae'r pwyntiau yn y llain gwasgariad t-SNE yn Ffigur 2A yn gysylltiedig yn y drefn honno â lledred a hydred.Os yw'r ddau bwynt yn Ffigur 2A yn agos at ei gilydd, mae hyn oherwydd bod eu llifau biomas a maetholion yn debyg, nid oherwydd eu hagosrwydd daearyddol.Mae'r lliwiau yn Ffigur 2A yn glystyrau a ddarganfuwyd gan ddefnyddio'r dull DBSCAN (28).Wrth chwilio am arsylwadau trwchus, mae'r algorithm DBSCAN yn defnyddio'r pellter yn y cynrychioliad 3D rhwng y pwyntiau (ϵ = 0.39; am wybodaeth am y dewis hwn, gweler Defnyddiau a Dulliau), ac mae angen nifer y pwyntiau tebyg i ddiffinio'r clwstwr (yma 100 pwynt, gweler uchod).Nid yw dull DBSCAN yn gwneud unrhyw ragdybiaethau am siâp na nifer y clystyrau yn y data, fel y dangosir isod:
3) Ar gyfer pob pwynt a nodir fel rhai o fewn y pellter oddi mewn, ailadroddwch gam 2 yn ailadroddol i bennu ffin y clwstwr.Os yw nifer y pwyntiau yn fwy na'r isafswm gwerth gosodedig, fe'i dynodir yn glwstwr.
Mae data nad yw'n bodloni isafswm yr aelod clwstwr a'r pellter ϵ metrig yn cael ei ystyried yn “sŵn” ac ni roddir lliw iddo.Mae DBSCAN yn algorithm cyflym a graddadwy gyda pherfformiad O(n2) yn yr achos gwaethaf.Ar gyfer y dadansoddiad presennol, nid yw mewn gwirionedd ar hap.Pennir y nifer lleiaf o bwyntiau gan werthusiad arbenigol.Ar ôl addasu'r pellter ar ôl, nid yw'r canlyniad yn ddigon sefydlog yn yr ystod o ≈ ±10.Gosodir y pellter hwn gan ddefnyddio cysylltedd (Ffigur 6A) a chanran cwmpas y cefnfor (Ffigur 6B).Diffinnir cysylltedd fel nifer cyfansawdd y clystyrau ac mae'n sensitif i'r paramedr ϵ.Mae cysylltedd is yn awgrymu nad ydynt yn ffitio'n ddigonol, yn grwpio rhanbarthau gyda'i gilydd yn artiffisial.Mae cysylltedd uchel yn arwydd o orffitio.Mae'n bosibl defnyddio isafswm uwch, ond os yw'r lleiafswm yn fwy na ca, mae'n amhosibl cael datrysiad dibynadwy.135 (Am ragor o fanylion, gweler Defnyddiau a Dulliau).
Mae'r 115 o glystyrau a nodir yn Ffigur 2A wedi'u taflunio'n ôl i'r ddaear yn Ffigur 2B.Mae pob lliw yn cyfateb i gyfuniad cydlynol o ffactorau biogeocemegol ac ecolegol a nodwyd gan DBSCAN.Unwaith y bydd y clystyrau wedi'u pennu, defnyddir cysylltiad pob pwynt yn Ffigur 2A â lledred a hydred penodol i daflunio'r clystyrau yn ôl i'r ardal ddaearyddol.Mae Ffigur 2B yn dangos hyn gyda'r un lliwiau clwstwr â Ffigur 2A.Ni ddylid dehongli lliwiau tebyg fel tebygrwydd ecolegol, oherwydd cânt eu neilltuo gan y drefn y mae'r algorithm yn darganfod clystyrau.
Gall yr ardal yn Ffigur 2B fod yn ansoddol debyg i ardal sefydledig yn ffisegol a/neu biogeocemeg y cefnfor.Er enghraifft, mae'r clystyrau yng Nghefnfor y De yn gymesur â pharth, gyda fortais oligotroffig yn ymddangos, ac mae'r trawsnewidiad sydyn yn dynodi dylanwad gwyntoedd masnach.Er enghraifft, yn y Môr Tawel cyhydeddol, gwelir gwahanol ranbarthau sy'n gysylltiedig â'r cynnydd.
Er mwyn deall amgylchedd ecolegol yr Eco-Dalaith, defnyddiwyd amrywiad o fynegai gwahaniaeth Bray-Curtis (BC) (29) i werthuso ecoleg y clwstwr.Mae'r dangosydd BC yn ddata ystadegol a ddefnyddir i fesur y gwahaniaeth mewn strwythur cymunedol rhwng dau safle gwahanol.Mae'r mesuriad BC yn berthnasol i fiomas 51 rhywogaeth o ffytoplancton a sŵoplancton BCninj = 1-2CninjSni + Snj
Mae BCninj yn cyfeirio at y tebygrwydd rhwng cyfuniad ni a chyfuniad nj, lle mae Cninj yn werth lleiafswm un math o fiomas sy'n bodoli yn y ddau gyfuniad ni a nj, ac mae Sni yn cynrychioli cyfanswm yr holl fiomas sy'n bodoli yn y ddau gyfuniad ni a Snj.Mae'r gwahaniaeth BC yn debyg i'r mesur pellter, ond mae'n gweithredu mewn gofod nad yw'n Ewclidaidd, sy'n debygol o fod yn fwy addas ar gyfer data ecolegol a'i ddehongliad.
Ar gyfer pob clwstwr a nodir yn Ffigur 2B, gellir asesu tebygrwydd CC o fewn y dalaith a rhwng taleithiol.Mae'r gwahaniaeth BC o fewn talaith yn cyfeirio at y gwahaniaeth rhwng gwerth cyfartalog y dalaith a phob pwynt yn y dalaith.Mae'r gwahaniaeth rhwng taleithiau CC yn cyfeirio at y tebygrwydd rhwng un dalaith a thaleithiau eraill.Mae Ffigur 3A yn dangos matrics BC cymesur (0, du: cyfatebol yn gyfan gwbl; 1, gwyn: hollol annhebyg).Mae pob llinell yn y graff yn dangos patrwm yn y data.Dengys Ffigur 3B arwyddocâd daearyddol canlyniadau BC yn Ffigur 3A ar gyfer pob talaith.Ar gyfer talaith mewn ardal â maethiad isel a maetholion isel, mae Ffigur 3B yn dangos bod cymesuredd ardaloedd mawr o amgylch y cyhydedd a Chefnfor India yn debyg yn y bôn, ond mae'r lledredau uwch a'r ardaloedd ymchwydd yn sylweddol wahanol.
(A) Graddfa'r gwahaniaeth CC a werthuswyd ar gyfer pob talaith yn seiliedig ar gyfartaledd arwyneb byd-eang 20 mlynedd cyfartalog byd-eang o 51 plancton.Sylwch ar gymesuredd disgwyliedig y gwerthoedd.(B) Tafluniad gofodol colofn (neu res).Ar gyfer talaith mewn cylch dystroffig, gwerthuswyd dosbarthiad byd-eang y mesur tebygrwydd BC, a gwerthuswyd y cyfartaledd 20 mlynedd byd-eang.Mae du (BC = 0) yn golygu'r un arwynebedd, a gwyn (BC = 1) yn golygu dim tebygrwydd.
Mae Ffigur 4A yn dangos y gwahaniaeth mewn BC o fewn pob talaith yn Ffigur 2B.Wedi'i bennu trwy ddefnyddio cyfuniad cyfartalog yr arwynebedd cyfartalog mewn clwstwr, a phennu'r annhebygrwydd rhwng y CC a chymedr pob pwynt grid yn y dalaith, mae'n dangos y gall y dull SAGE wahanu 51 o rywogaethau yn dda yn seiliedig ar y tebygrwydd ecolegol Math o data model.Annhebygrwydd cyffredinol clwstwr CC o bob un o'r 51 math yw 0.102 ± 0.0049.
(A, B, a D) Gwerthusir y gwahaniaeth BC o fewn y dalaith fel y gwahaniaeth BC cyfartalog rhwng pob cymuned pwynt grid a'r dalaith gyfartalog, ac nid yw'r cymhlethdod yn cael ei leihau.(2) Y gwahaniaeth BC o fewn y dalaith ar gyfartaledd yw 0.227 ±0.117.Dyma feincnod dosbarthiad ar sail cymhelliant ecolegol a gynigir gan y gwaith hwn [llinell werdd yn (C)].(C) Gwahaniaeth BC o fewn y dalaith ar gyfartaledd: Mae'r llinell ddu yn cynrychioli'r gwahaniaeth BC o fewn y dalaith gyda chymhlethdod cynyddol.Daw 2σ o 10 ailadroddiad o'r broses adnabod eco-dalaith.Ar gyfer cymhlethdod cyflawn y taleithiau a ddarganfuwyd gan DBSCAN, mae (A) yn dangos mai 0.099 yw'r annhebygrwydd BC yn y dalaith, a'r dosbarthiad cymhlethdod a gynigir gan (C) yw 12, gan arwain at annhebygrwydd BC o 0.200 yn y dalaith.fel y dengys y llun.(D).
Yn Ffigur 4B, defnyddir biomas 51 math o blancton i gynrychioli'r gwahaniaeth BC cyfatebol yn nhalaith Longhurst.Cyfartaledd cyffredinol pob talaith yw 0.227, a gwyriad safonol y pwyntiau grid gan gyfeirio at y gwahaniaeth yn nhalaith CC yw 0.046.Mae hyn yn fwy na'r clwstwr a nodir yn Ffigur 1B.Yn lle hynny, gan ddefnyddio cyfanswm y saith grŵp swyddogaethol, cynyddodd yr annhebygrwydd rhwng CC rhwng y tymor ar gyfartaledd yn Longhurst i 0.232.
Mae'r map eco-daleithiol byd-eang yn darparu manylion cymhleth rhyngweithiadau ecolegol unigryw a gwnaed gwelliannau wrth ddefnyddio strwythur ecosystem cyfan Talaith Longhurst.Disgwylir i'r Weinyddiaeth Ecoleg roi cipolwg ar y broses o reoli'r ecosystem model rhifiadol, a bydd y mewnwelediad hwn yn helpu i archwilio gwaith maes.At ddiben yr ymchwil hwn, nid yw'n bosibl arddangos mwy na chant o daleithiau yn llawn.Mae'r adran nesaf yn cyflwyno'r dull SAGE sy'n crynhoi'r taleithiau.
Un o ddibenion y dalaith yw hybu dealltwriaeth o leoliad a rheolaeth y dalaith.Er mwyn pennu sefyllfaoedd brys, mae'r dull yn Ffigur 1B yn dangos nythu taleithiau tebyg yn ecolegol.Mae eco-daleithiau yn cael eu grwpio gyda'i gilydd ar sail tebygrwydd ecolegol, a gelwir grwpio taleithiau o'r fath yn AEP.Gosodwch “gymhlethdod” addasadwy yn seiliedig ar gyfanswm nifer y taleithiau i'w hystyried.Defnyddir y term “cymhlethdod” oherwydd ei fod yn caniatáu i lefel y priodoleddau brys gael eu haddasu.Er mwyn diffinio agregau ystyrlon, defnyddir y gwahaniaeth BC o fewn y dalaith ar gyfartaledd o 0.227 o Longhurst fel meincnod.O dan y meincnod hwn, nid yw'r taleithiau cyfun bellach yn cael eu hystyried yn ddefnyddiol.
Fel y dangosir yn Ffigur 3B, mae'r taleithiau ecolegol byd-eang yn gydlynol.Gan ddefnyddio gwahaniaethau BC rhyng-daleithiol, gellir gweld bod rhai ffurfweddiadau yn “gyffredin” iawn.Wedi’u hysbrydoli gan ddulliau theori geneteg a graffiau, defnyddir “graffiau cysylltiedig” i ddidoli >100 o daleithiau yn seiliedig ar y taleithiau sydd debycaf iddynt.Pennir y metrig “cysylltedd” yma gan ddefnyddio annhebygrwydd BC rhyng-daleithiol (30).Gellir cyfeirio yma at nifer y taleithiau sydd â lle mwy ar gyfer dosbarthu> 100 talaith fel cymhlethdod.Mae AEP yn gynnyrch sy'n categoreiddio mwy na 100 o daleithiau fel y taleithiau ecolegol mwyaf amlycaf/agosaf.Mae pob talaith ecolegol wedi'i neilltuo i'r dalaith ecolegol ddominyddol/ hynod gysylltiedig sydd debycaf iddynt.Mae'r agregiad hwn a bennir gan y gwahaniaeth BC yn caniatáu ymagwedd nythu i'r ecoleg fyd-eang.
Gall y cymhlethdod a ddewiswyd fod yn unrhyw werth o 1 i gymhlethdod cyflawn FIG.2A.Ar gymhlethdod is, gall AEP ddirywio oherwydd y cam lleihau dimensiwn tebygolrwydd (t-SNE).Mae dirywiad yn golygu y gellir neilltuo taleithiau ecolegol i wahanol AEPs rhwng iteriadau, a thrwy hynny newid yr ardal ddaearyddol a gwmpesir.Mae Ffigur 4C yn dangos lledaeniad annhebygrwydd BC o fewn taleithiau mewn AEPs o gymhlethdod cynyddol ar draws 10 gweithrediad (darlun yn Ffigur 1B).Yn Ffigur 4C, mae 2σ (ardal las) yn fesur o ddiraddio mewn 10 gweithrediad, ac mae'r llinell werdd yn cynrychioli meincnod Longhurst.Mae ffeithiau wedi profi y gall cymhlethdod 12 gadw'r gwahaniaeth BC yn y dalaith o dan feincnod Longhurst ym mhob gweithrediad a chynnal diraddiad 2σ cymharol fach.I grynhoi, y cymhlethdod lleiaf a argymhellir yw 12 AEP, a'r gwahaniaeth BC cyfartalog o fewn y dalaith a werthuswyd gan ddefnyddio 51 math o blancton yw 0.198 ± 0.013, fel y dangosir yn Ffigur 4D.Gan ddefnyddio'r swm o saith grŵp gweithredol plancton, y gwahaniaeth BC cyfartalog o fewn y dalaith yw 2σ yn lle 0.198±0.004.Mae'r gymhariaeth rhwng y gwahaniaethau BC a gyfrifwyd gyda chyfanswm biomas y saith grŵp swyddogaethol neu fio-màs pob un o'r 51 math o blancton yn dangos, er bod y dull SAGE yn berthnasol i'r sefyllfa 51-dimensiwn, ei fod ar gyfer cyfanswm biomas y saith grŵp swyddogaethol. Ar gyfer hyfforddiant.
Yn dibynnu ar ddiben unrhyw ymchwil, gellir ystyried gwahanol lefelau o gymhlethdod.Gall astudiaethau rhanbarthol ofyn am gymhlethdod llawn (hy, pob un o'r 115 talaith).Fel enghraifft ac er eglurder, ystyriwch y cymhlethdod lleiaf a argymhellir o 12.
Fel enghraifft o ddefnyddioldeb y dull SAGE, defnyddir 12 AEP gydag isafswm cymhlethdod o 12 yma i archwilio rheolaeth y strwythur cymunedol brys.Mae Ffigur 5 yn dangos y mewnwelediadau ecolegol wedi'u grwpio yn ôl AEP (o A i L): Yn stoichiometry Redfield, mae maint daearyddol (Ffigur 5C), cyfansoddiad biomas grŵp swyddogaethol (Ffigur 5A) a chyflenwad maetholion (Ffigur 5B) yn cael eu perfformio gan N Zoomed.Dangosir y gymhareb (N:Si:P:Fe, 1:1:16:16×103).Ar gyfer y panel olaf, mae P wedi'i luosi â 16 ac Fe wedi'i luosi â 16 × 103, felly mae'r graff bar yn cyfateb i ofynion maethol ffytoplancton.
Dosberthir y taleithiau yn 12 AEP A i L. (A) Biomas (mgC/m3) o ecosystemau mewn 12 talaith.(B) Cyfradd fflwcs maetholion nitrogen anorganig toddedig (N), haearn (Fe), ffosffad (P) ac asid silicig (Si) (mmol/m3 y flwyddyn).Mae Fe a P yn cael eu lluosi â 16 a 16 × 103, yn y drefn honno, fel bod y stribedi wedi'u safoni i ofynion stoichiometreg ffytoplancton.(C) Sylwch ar y gwahaniaeth rhwng rhanbarthau pegynol, seiclonau isdrofannol a phrif ranbarthau tymhorol/cynyddol.Mae'r gorsafoedd monitro wedi'u marcio fel a ganlyn: 1, SEATS;2, ALOHA;3, gorsaf P;a 4, BATS.
Mae'r AEP a nodwyd yn unigryw.Mae rhywfaint o gymesuredd o amgylch y cyhydedd yng Nghefnforoedd yr Iwerydd a'r Môr Tawel, ac mae ardal debyg ond chwyddedig yn bodoli yng Nghefnfor India.Mae rhai AEPs yn cofleidio ochr orllewinol y cyfandir sy'n gysylltiedig â'r esgyniad.Mae Cerrynt Amgylch Pegwn y De yn cael ei ystyried yn nodwedd gylchfaol fawr.Mae seiclon isdrofannol yn gyfres gymhleth o AEP oligotroffig.Yn y taleithiau hyn, mae'r patrwm cyfarwydd o wahaniaethau biomas rhwng fortais oligotroffig â phlancton yn bennaf a rhanbarthau pegynol llawn diatom yn amlwg.
Gall AEPs gyda chyfanswm tebyg iawn o fiomas ffytoplancton fod â strwythurau cymunedol gwahanol iawn ac maent yn cwmpasu ardaloedd daearyddol gwahanol, megis D, H, a K, sydd â chyfanswm tebyg o fiomas ffytoplancton.Mae AEP H yn bodoli'n bennaf yng Nghefnfor India cyhydeddol, ac mae mwy o facteria diazotroffig.Mae AEP D i'w gael mewn sawl basn, ond mae'n arbennig o amlwg yn y Môr Tawel o amgylch ardaloedd cnwd uchel o amgylch yr ymchwydd cyhydeddol.Mae siâp y dalaith hon yn y Môr Tawel yn atgoffa rhywun o drên tonnau planedol.Ychydig o ddiazobacteria sydd yn AEP D, a mwy o gonau.O'i gymharu â'r ddwy dalaith arall, dim ond ar ucheldiroedd Cefnfor yr Arctig y ceir AEP K, ac mae mwy o ddiatomau a llai o blanctonau.Mae'n werth nodi bod maint y plancton yn y tri rhanbarth hyn hefyd yn wahanol iawn.Yn eu plith, mae digonedd plancton AEP K yn gymharol isel, tra bod cyflenwad AEP D a H yn gymharol uchel.Felly, er gwaethaf eu biomas (ac felly'n debyg i Chl-a), mae'r taleithiau hyn yn dra gwahanol: efallai na fydd profion talaith yn seiliedig ar Chl yn dal y gwahaniaethau hyn.
Mae hefyd yn amlwg y gall rhai AEPs â biomas gwahanol iawn fod yn debyg o ran strwythur cymunedol ffytoplancton.Er enghraifft, mae hyn i'w weld yn AEP D ac E. Maent yn agos at ei gilydd, ac yn y Cefnfor Tawel, mae AEP E yn agos at yr AEPJ hynod gynhyrchiol.Yn yr un modd, nid oes cysylltiad clir rhwng biomas ffytoplancton a helaethrwydd sŵoplancton.
Gellir deall AEP yn nhermau'r maetholion a ddarperir iddynt (Ffigur 5B).Dim ond lle mae cyflenwad digonol o asid silicig y mae diatomau yn bodoli.Yn gyffredinol, po uchaf yw'r cyflenwad o asid silicig, yr uchaf yw biomas diatomau.Gellir gweld diatomau yn AEP A, J, K ac L. Mae cymhareb biomas diatom o'i gymharu â ffytoplancton eraill yn cael ei bennu gan yr N, P ac Fe a ddarperir o'i gymharu â'r galw diatom.Er enghraifft, diatomau sy'n dominyddu AEP L.O'i gymharu â maetholion eraill, Si sydd â'r cyflenwad uchaf.Mewn cyferbyniad, er gwaethaf cynhyrchiant uwch, mae gan AEP J lai o ddiatomau a llai o gyflenwad silicon (i gyd ac yn gymharol â maetholion eraill).
Mae gan facteria diazonium y gallu i sefydlogi nitrogen, ond maent yn tyfu'n araf (31).Maent yn cydfodoli â ffytoplancton eraill, lle mae haearn a ffosfforws yn ormodol o gymharu â'r galw am faetholion nad ydynt yn diazonium (20, 21).Mae'n werth nodi bod y biomas diazotrophic yn gymharol uchel, ac mae cyflenwad Fe a P yn gymharol fawr o'i gymharu â chyflenwad N. Yn y modd hwn, er bod cyfanswm y biomas yn AEP J yn uwch, mae biomas diazonium yn AEP H yn mwy na'r hyn yn J. Sylwch fod AEP J a H yn wahanol iawn yn ddaearyddol, a bod H wedi'i leoli yng Nghefnfor India cyhydedd.
Os nad yw'r strwythur ecosystem unigryw wedi'i rannu'n daleithiau, ni fydd y mewnwelediadau a gafwyd o'r 12 model cymhlethdod isaf AEP mor glir.Mae'r AEP a gynhyrchir gan SAGE yn hwyluso cymhariaeth gydlynol ac ar yr un pryd o wybodaeth gymhleth a dimensiwn uchel o fodelau ecosystem.Mae AEP yn pwysleisio i bob pwrpas pam nad yw Chl yn ddull da ac amgen o bennu strwythur cymunedol neu helaethrwydd sŵoplancton ar lefelau maetholion uwch.Mae dadansoddiad manwl o bynciau ymchwil parhaus y tu hwnt i gwmpas yr erthygl hon.Mae'r dull SAGE yn darparu ffordd o archwilio mecanweithiau eraill yn y model sy'n haws eu trin na gwylio pwynt-i-bwynt.
Cynigir y dull SAGE i helpu i egluro data ecolegol hynod gymhleth o fodelau rhifiadol ffisegol/biogeocemegol/ecosystem byd-eang.Mae'r dalaith ecolegol yn cael ei bennu gan gyfanswm biomas grwpiau swyddogaethol traws-plancton, cymhwyso algorithm lleihau dimensiwn tebygolrwydd t-SNE a'r clystyru gan ddefnyddio'r dull ML heb oruchwyliaeth DBSCAN.Cymhwysir y ddamcaniaeth gwahaniaeth/graff graff rhwng taleithiol ar gyfer dull nythu er mwyn cael AEP cadarn y gellir ei ddefnyddio ar gyfer dehongli byd-eang.O ran adeiladu, mae'r Eco-Dalaith a'r AEP yn unigryw.Gellir addasu'r AEP nythu rhwng cymhlethdod llawn y dalaith ecolegol wreiddiol a'r trothwy lleiaf a argymhellir o 12 AEP.Mae nythu a phennu cymhlethdod AEP lleiaf yn cael eu hystyried fel camau allweddol, oherwydd bod y tebygolrwydd t-SNE yn dirywio AEPs o <12 cymhlethdod.Mae'r dull SAGE yn fyd-eang, ac mae ei gymhlethdod yn amrywio o> 100 AEP i 12. Er mwyn symlrwydd, mae'r ffocws presennol ar gymhlethdod 12 AEP byd-eang.Mae’n bosibl y bydd ymchwil yn y dyfodol, yn enwedig astudiaethau rhanbarthol, yn gweld is-set ofodol lai o’r eco-daleithiau byd-eang yn ddefnyddiol, a gellir ei hagregu mewn ardal lai i fanteisio ar yr un mewnwelediadau ecolegol a drafodir yma.Mae’n rhoi awgrymiadau ar sut y gellir defnyddio’r taleithiau ecolegol hyn a’r mewnwelediadau a geir ohonynt ar gyfer dealltwriaeth ecolegol bellach, hwyluso cymhariaeth modelau, ac o bosibl gwella’r gwaith o fonitro ecosystemau morol.
Mae'r dalaith ecolegol a'r AEP a nodir gan y dull SAGE yn seiliedig ar y data yn y model rhifiadol.Yn ôl diffiniad, mae'r model rhifiadol yn strwythur symlach, sy'n ceisio dal hanfod y system darged, a bydd gan wahanol fodelau ddosbarthiad plancton gwahanol.Ni all y model rhifiadol a ddefnyddiwyd yn yr astudiaeth hon ddal rhai o'r patrymau a arsylwyd yn llawn (er enghraifft, yn amcangyfrifon Chl ar gyfer y rhanbarth cyhydeddol a Chefnfor y De).Dim ond rhan fach o'r amrywiaeth yn y cefnfor go iawn sy'n cael ei ddal, ac ni ellir datrys y meso a'r is-mesoscales, a allai effeithio ar fflwcs maetholion a strwythur cymunedol ar raddfa lai.Er gwaethaf y diffygion hyn, mae'n ymddangos bod AEP yn ddefnyddiol iawn wrth helpu i ddeall modelau cymhleth.Trwy werthuso lle mae taleithiau ecolegol tebyg i'w cael, mae AEP yn darparu offeryn cymharu modelau rhifiadol posibl.Mae'r model rhifiadol presennol yn dal y patrwm cyffredinol o grynodiad ffytoplancton Chl-a synhwyro o bell a dosbarthiad maint plancton a grŵp swyddogaethol (Nodyn S1 a Ffigur S1) (2, 32).
Fel y dangosir gan y llinell gyfuchlin 0.1 mgChl-a/m-3, mae AEP wedi'i rannu'n ardal oligotroffig ac ardal mesotroffig (Ffigur S1B): mae AEP B, C, D, E, F a G yn ardaloedd oligotroffig, ac mae'r ardaloedd sy'n weddill yn ardaloedd oligotroffig. lleoli Uwch Chl-a.Mae AEP yn dangos peth gohebiaeth â Thalaith Longhurst (Ffigur S3A), er enghraifft, Cefnfor y De a'r Môr Tawel cyhydeddol.Mewn rhai rhanbarthau, mae AEP yn cwmpasu sawl rhanbarth Longhurst, ac i'r gwrthwyneb.Gan fod y bwriad o gyfyngu ar daleithiau yn yr ardal hon a Longhurst yn wahanol, disgwylir y bydd gwahaniaethau.Mae AEPs lluosog mewn talaith Longhurst yn nodi y gallai fod gan rai ardaloedd â biogeocemeg tebyg strwythurau ecosystem gwahanol iawn.Mae AEP yn dangos cyfatebiaeth benodol â chyflyrau ffisegol, fel y datgelwyd gan ddefnyddio dysgu heb oruchwyliaeth (19), megis mewn cyflyrau ymchwydd uchel (er enghraifft, Cefnfor y De a'r Môr Tawel cyhydeddol; Ffigur S3, C a D).Mae'r gohebiaethau hyn yn dangos bod strwythur cymunedol plancton yn cael ei ddylanwadu'n gryf gan ddeinameg y cefnfor.Mewn ardaloedd fel Gogledd yr Iwerydd, mae AEP yn croesi taleithiau ffisegol.Gall y mecanwaith sy'n achosi'r gwahaniaethau hyn gynnwys prosesau fel cludo llwch, a all arwain at raglenni maeth hollol wahanol hyd yn oed o dan amodau corfforol tebyg.
Tynnodd y Weinyddiaeth Ecoleg ac AEP sylw at y ffaith na all defnyddio Chl yn unig nodi cydrannau ecolegol, fel y mae'r gymuned ecoleg forol eisoes wedi sylweddoli.Gwelir hyn mewn AEPs gyda chyfansoddiad ecolegol tebyg o ran biomas ond sy'n sylweddol wahanol (fel D ac E).Mewn cyferbyniad, mae gan AEPs fel D a K fiomas gwahanol iawn ond cyfansoddiad ecolegol tebyg.Mae AEP yn pwysleisio bod y berthynas rhwng biomas, cyfansoddiad ecolegol a helaethrwydd sŵoplancton yn gymhleth.Er enghraifft, er bod AEP J yn sefyll allan o ran ffytoplancton a biomas plancton, mae gan AEP's A ac L fiomas plancton tebyg, ond mae gan A helaethrwydd plancton uwch.Mae AEP yn pwysleisio na ellir defnyddio biomas ffytoplancton (neu Chl) i ragfynegi biomas sŵoplancton.Sŵoplancton yw sylfaen y gadwyn fwyd pysgodfeydd, a gallai amcangyfrifon mwy cywir arwain at reoli adnoddau’n well.Efallai y bydd lloerennau lliw morol yn y dyfodol [er enghraifft, PACE (plancton, aerosol, cwmwl, ac ecosystem forol)] mewn sefyllfa well i helpu i amcangyfrif strwythur cymunedol ffytoplancton.Gall defnyddio rhagfynegiad AEP hwyluso amcangyfrif sŵoplancton o'r gofod.Gall dulliau fel SAGE, ynghyd â thechnolegau newydd, a mwy a mwy o ddata maes sydd ar gael ar gyfer arolygon gwirionedd tir (fel Tara ac ymchwil ddilynol), gymryd cam ar y cyd tuag at fonitro iechyd ecosystemau ar sail lloeren.
Mae'r dull SAGE yn darparu ffordd gyfleus o werthuso rhai mecanweithiau sy'n rheoli nodweddion talaith, megis biomas/Chl, cynhyrchu cynradd net, a strwythur cymunedol.Er enghraifft, mae swm cymharol diatomau yn cael ei osod gan anghydbwysedd yn y cyflenwad o Si, N, P, ac Fe o'i gymharu â'r gofynion stoichiometrig ffytoplancton.Ar gyfradd gyflenwi gytbwys, diatomau (L) sy'n dominyddu'r gymuned.Pan fo'r gyfradd gyflenwi yn anghytbwys (hynny yw, mae'r cyflenwad o silicon yn is na'r galw am faetholion diatomau), mae diatomau yn cyfrif am gyfran fach yn unig o Gyfran (K).Pan fydd cyflenwad Fe a P yn fwy na'r cyflenwad N (er enghraifft, E a H), bydd y bacteria diazotroffig yn tyfu'n egnïol.Trwy'r cyd-destun a ddarperir gan AEP, bydd archwilio mecanweithiau rheoli yn dod yn fwy defnyddiol.
Mae'r Eco-Dalaith a'r AEP yn ardaloedd sydd â strwythurau cymunedol tebyg.Gellir ystyried y gyfres amser o leoliad penodol o fewn talaith ecolegol neu AEP fel pwynt cyfeirio a gall gynrychioli'r ardal a gwmpesir gan y dalaith ecolegol neu AEP.Mae gorsafoedd monitro hirdymor ar y safle yn darparu cyfresi amser o'r fath.Bydd setiau data in-situ hirdymor yn parhau i chwarae rhan anfesuradwy.O safbwynt monitro strwythur cymunedol, gellir gweld y dull SAGE fel ffordd o helpu i benderfynu ar leoliad mwyaf defnyddiol safleoedd newydd.Er enghraifft, mae'r gyfres amser o'r asesiad cynefin oligotroffig hirdymor (ALOHA) yn AEP B yr ardal oligotroffig (Ffigur 5C, label 2).Oherwydd bod ALOHA yn agos at ffin AEP arall, efallai na fydd y gyfres amser yn gynrychioliadol o'r ardal gyfan, fel yr awgrymwyd yn flaenorol (33).Yn yr un AEP B, mae'r gyfres amser SEATS (Cyfres Amser De-ddwyrain Asia) wedi'i lleoli yn ne-orllewin Taiwan (34), ymhellach o ffiniau AEPs eraill (Ffigur 5C, label 1), a gellir ei ddefnyddio fel lleoliad gwell i fonitro AEPB.Mae cyfres amser BATS (Astudiaeth Cyfres Amser Iwerydd Bermuda) (Ffigur 5C, label 4) yn AEPC yn agos iawn at y ffin rhwng AEP C ac F, sy'n nodi y gallai monitro AEP C gan ddefnyddio cyfres amser BATS fod yn broblem uniongyrchol yn uniongyrchol.Mae Gorsaf P yn AEP J (Ffigur 5C, label 3) ymhell o ffin AEP, felly mae'n fwy cynrychioliadol.Gall yr Eco-Dalaith a’r AEP helpu i sefydlu fframwaith monitro sy’n addas ar gyfer asesu newidiadau byd-eang, oherwydd bod caniatâd y taleithiau i asesu lle gall samplu ar y safle ddarparu mewnwelediadau allweddol.Gellir datblygu dull SAGE ymhellach i'w gymhwyso i ddata hinsawdd i asesu amrywioldeb arbed amser.
Cyflawnir llwyddiant y dull SAGE trwy gymhwyso gwyddor data / dulliau ML yn ofalus a gwybodaeth parth-benodol.Yn benodol, defnyddir t-SNE i leihau maint dimensiwn, sy'n cadw strwythur cydamrywiant data dimensiwn uchel ac yn hwyluso delweddu topoleg cyfamrywiant.Mae'r data wedi'u trefnu ar ffurf streipiau a chyfnewidiadau (Ffigur 2A), sy'n nodi nad yw mesurau sy'n seiliedig ar bellter yn unig (fel K-moddion) yn briodol oherwydd eu bod fel arfer yn defnyddio dosbarthiad sail Gaussian (cylchlythyr) (a drafodir yn Nodyn S2) .Mae'r dull DBSCAN yn addas ar gyfer unrhyw dopoleg cydamrywiant.Cyn belled â'ch bod yn talu sylw i osod paramedrau, gellir darparu adnabod dibynadwy.Mae cost gyfrifiadol yr algorithm t-SNE yn uchel, sy'n cyfyngu ar ei gymhwysiad presennol i swm mwy o ddata, sy'n golygu ei bod yn anodd ei gymhwyso i feysydd dwfn neu amrywiol amser.Mae gwaith ar scalability t-SNE yn mynd rhagddo.Gan fod pellter KL yn hawdd i'w gyfochrog, mae gan yr algorithm t-SNE botensial da ar gyfer ehangu yn y dyfodol (35).Hyd yn hyn, mae dulliau lleihau maint dimensiwn addawol eraill a all leihau maint yn well yn cynnwys technegau brasamcanu a rhagamcanu manifold unedig (UMAP), ond mae angen gwerthuso yng nghyd-destun data cefnforol.Ystyr gwell scalability yw, er enghraifft, dosbarthu hinsoddau byd-eang neu fodelau o gymhlethdod gwahanol ar haen gymysg.Gellir ystyried ardaloedd sy'n methu â chael eu dosbarthu yn ôl SAGE mewn unrhyw dalaith fel y dotiau du sy'n weddill yn Ffigur 2A.Yn ddaearyddol, mae'r ardaloedd hyn yn bennaf mewn ardaloedd tymhorol iawn, sy'n awgrymu y bydd cipio taleithiau ecolegol sy'n newid dros amser yn darparu gwell cwmpas.
Er mwyn llunio’r dull SAGE, defnyddiwyd syniadau o systemau cymhleth/gwyddor data, gan ddefnyddio’r gallu i bennu clystyrau o grwpiau gweithredol (y posibilrwydd o fod yn agos iawn mewn gofod 11-dimensiwn) a phennu taleithiau.Mae'r taleithiau hyn yn darlunio cyfeintiau penodol yn ein gofod cyfnod t-SNE 3D.Yn yr un modd, gellir defnyddio rhan Poincaré i werthuso “cyfaint” gofod y wladwriaeth a feddiannir gan y taflwybr i bennu ymddygiad “normal” neu “anhrefnus” (36).Ar gyfer yr allbwn model 11-dimensiwn statig, gellir esbonio'r cyfaint a feddiannir ar ôl i'r data gael ei drawsnewid yn ofod cyfnod 3D yn yr un modd.Nid yw'r berthynas rhwng ardal ddaearyddol ac ardal mewn gofod cyfnod 3D yn syml, ond gellir ei hesbonio yn nhermau tebygrwydd ecolegol.Am y rheswm hwn, ffefrir y mesur annhebygrwydd BC mwy confensiynol.
Bydd gwaith yn y dyfodol yn ailddefnyddio dull SAGE ar gyfer newid data yn dymhorol i asesu amrywioldeb gofodol y taleithiau a nodwyd a AEP.Y nod yn y dyfodol yw defnyddio'r dull hwn i helpu i benderfynu pa daleithiau y gellir eu pennu trwy fesuriadau lloeren (fel Chl-a, adlewyrchedd synhwyro o bell a thymheredd wyneb y môr).Bydd hyn yn caniatáu asesiad synhwyro o bell o gydrannau ecolegol a monitro hyblyg iawn o daleithiau ecolegol a'u hamrywiaeth.
Pwrpas yr ymchwil hwn yw cyflwyno dull SAGE, sy'n diffinio talaith ecolegol trwy ei strwythur cymunedol plancton unigryw.Yma, darperir gwybodaeth fanylach am y model ffisegol/biogeocemegol/ecosystem a dewis paramedr yr algorithmau t-SNE a DBSCAN.
Daw cydrannau ffisegol y model o'r amcangyfrif o gylchrediad cefnforol a hinsawdd [ECCOv4;(37) yr amcangyfrif cyflwr byd-eang a ddisgrifiwyd gan (38).Y penderfyniad enwol o amcangyfrif y wladwriaeth yw 1/5.Defnyddir y dull sgwariau lleiaf gyda dull lluosydd Lagrangian i gael yr amodau cychwynnol a therfyn a pharamedrau model mewnol wedi'u haddasu trwy arsylwi, a thrwy hynny gynhyrchu model beicio cyffredinol MIT sy'n rhedeg yn rhydd (MITgcm) (39), y model Ar ôl optimeiddio, gall y canlyniadau cael ei olrhain a'i arsylwi.
Mae gan y biogeocemeg/ecosystem ddisgrifiad mwy cyflawn (hy hafaliadau a gwerthoedd paramedr) yn (2).Mae'r model yn dal cylchrediad C, N, P, Si a Fe trwy byllau anorganig ac organig.Mae'r fersiwn a ddefnyddir yma yn cynnwys 35 rhywogaeth o ffytoplancton: 2 rywogaeth o ficroprocaryotau a 2 rywogaeth o ficroewcaryotau (sy'n addas ar gyfer amgylcheddau isel eu maeth), 5 rhywogaeth o Cryptomonas sphaeroides (gyda gorchudd calsiwm carbonad), 5 rhywogaeth o diazonium (Yn gallu trwsio nitrogen, felly nid yw'n gyfyngedig) argaeledd nitrogen anorganig toddedig), 11 diatom (sy'n ffurfio gorchudd siliceaidd), 10 fflangell llystyfiant cymysg (gall ffotosyntheseiddio a bwyta plancton arall) ac 16 Sŵoplancton (pori ar blancton arall).Gelwir y rhain yn "grwpiau swyddogaethol biogeocemegol" oherwydd eu bod yn cael effeithiau gwahanol ar fiogeocemeg morol (40, 41) ac fe'u defnyddir yn aml mewn astudiaethau arsylwi a model.Yn y model hwn, mae pob grŵp swyddogaethol yn cynnwys sawl plancton o wahanol feintiau, gyda rhychwant o 0.6 i 2500 μm diamedr sfferig cyfatebol.
Mae'r paramedrau sy'n effeithio ar dwf ffytoplancton, pori a suddo yn gysylltiedig â maint, ac mae gwahaniaethau penodol rhwng y chwe grŵp swyddogaethol ffytoplancton (32).Er gwaethaf y gwahanol fframweithiau ffisegol, mae canlyniadau 51 o gydrannau plancton y model wedi'u defnyddio mewn nifer o astudiaethau diweddar (42-44).
Rhwng 1992 a 2011, roedd y model cyplu ffisegol/biogeocemegol/ecosystem yn rhedeg am 20 mlynedd.Mae allbwn y model yn cynnwys biomas plancton, crynodiad maetholion a chyfradd cyflenwi maetholion (DIN, PO4, Si a Fe).Yn yr astudiaeth hon, defnyddiwyd cyfartaledd 20 mlynedd yr allbynnau hyn fel mewnbwn y Dalaith Ecolegol.Mae Chl, dosbarthiad biomas plancton a chrynodiad maetholion a dosbarthiad grwpiau gweithredol yn cael eu cymharu ag arsylwadau lloeren ac yn y fan a'r lle [gweler (2, 44), Nodyn S1 a'r ffigur.S1 i S3].
Ar gyfer y dull SAGE, mae prif ffynhonnell hap yn dod o'r cam t-SNE.Mae haprwydd yn rhwystro ailadroddadwyedd, sy'n golygu bod y canlyniadau'n annibynadwy.Mae'r dull SAGE yn profi'r cadernid yn drylwyr trwy bennu set o baramedrau t-SNE a DBSCAN, a all nodi clystyrau'n gyson wrth eu hailadrodd.Gellir deall bod pennu “dryswch” y paramedr t-SNE yn pennu i ba raddau y dylai'r mapio o ddimensiynau uchel i isel barchu nodweddion lleol neu fyd-eang y data.Wedi cyrraedd y dryswch o 400 a 300 o iteriadau.
Ar gyfer yr algorithm clystyru DBSCAN, mae angen pennu isafswm maint a metrig pellter y pwyntiau data yn y clwstwr.Mae'r nifer lleiaf yn cael ei bennu o dan arweiniad arbenigwyr.Mae'r wybodaeth hon yn gwybod beth sy'n cyd-fynd â'r fframwaith modelu a datrysiad rhifiadol cyfredol.Yr isafswm yw 100. Gellir ystyried isafswm gwerth uwch (llai na <135 cyn i'r terfyn uchaf o wyrdd ddod yn ehangach), ond ni all ddisodli'r dull agregu yn seiliedig ar annhebygrwydd BC.Defnyddir gradd y cysylltiad (Ffigur 6A) i osod y paramedr ϵ, sy'n ffafriol i sylw uwch (Ffigur 6B).Diffinnir cysylltedd fel nifer cyfansawdd y clystyrau ac mae'n sensitif i'r paramedr ϵ.Mae cysylltedd is yn awgrymu nad ydynt yn ffitio'n ddigonol, yn grwpio rhanbarthau gyda'i gilydd yn artiffisial.Mae cysylltedd uchel yn arwydd o orffitio.Mae gorffitio hefyd yn broblematig, oherwydd mae'n dangos y gall dyfalu cychwynnol ar hap arwain at ganlyniadau na ellir eu hatgynhyrchu.Rhwng y ddau begwn hyn, mae cynnydd sydyn (a elwir yn “benelin fel arfer”) yn dynodi’r ϵ gorau.Yn Ffigur 6A, rydych chi'n gweld cynnydd sydyn yn ardal y llwyfandir (melyn,> 200 o glystyrau), ac yna gostyngiad sydyn (gwyrdd, 100 o glystyrau), hyd at tua 130, wedi'i amgylchynu gan ychydig iawn o glystyrau (glas, <60 clwstwr) ).Mewn o leiaf 100 o ardaloedd glas, mae naill ai un clwstwr yn dominyddu'r cefnfor cyfan (ϵ <0.42), neu nid yw'r rhan fwyaf o'r cefnfor wedi'i ddosbarthu ac fe'i hystyrir yn sŵn (ϵ> 0.99).Mae gan yr ardal felen ddosraniad clwstwr hynod amrywiol na ellir ei atgynhyrchu.Wrth i ϵ leihau, mae'r sŵn yn cynyddu.Gelwir yr ardal werdd sy'n cynyddu'n sydyn yn benelin.Mae hon yn rhanbarth optimaidd.Er bod y tebygolrwydd t-SNE yn cael ei ddefnyddio, gellir dal i ddefnyddio'r annhebygrwydd BC o fewn y dalaith i bennu clystyru dibynadwy.Gan ddefnyddio Ffigur 6 (A a B), gosodwch ϵ i 0.39.Po fwyaf yw'r lleiafswm nifer, y lleiaf yw'r tebygolrwydd o gyrraedd y ϵ sy'n caniatáu dosbarthiad dibynadwy, a'r mwyaf yw'r ardal werdd sydd â gwerth mwy na 135. Mae ehangu'r ardal hon yn nodi y bydd y penelin yn fwy anodd dod o hyd iddo neu beidio. bodoli.
Ar ôl gosod paramedrau t-SNE, bydd cyfanswm y clystyrau a ganfyddir yn cael eu defnyddio fel mesur o gysylltedd (A) a chanran y data a ddyrennir i'r clwstwr (B).Mae'r dot coch yn nodi'r cyfuniad gorau o sylw a chysylltedd.Mae'r nifer lleiaf yn cael ei osod yn ôl y nifer lleiaf sy'n gysylltiedig ag ecoleg.
Am ddeunyddiau atodol ar gyfer yr erthygl hon, gweler http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/22/eaay4740/DC1
Erthygl mynediad agored yw hon a ddosberthir o dan delerau Trwydded Attribution Creative Commons.Mae'r erthygl yn caniatáu defnydd, dosbarthiad ac atgynhyrchu anghyfyngedig mewn unrhyw gyfrwng ar yr amod bod y gwaith gwreiddiol yn cael ei ddyfynnu'n gywir.
Nodyn: Dim ond fel bod y person rydych chi'n ei argymell i'r dudalen yn gwybod eich bod chi eisiau iddyn nhw weld yr e-bost rydyn ni'n gofyn i chi ddarparu eich cyfeiriad e-bost ac nad yw'n sbam.Ni fyddwn yn dal unrhyw gyfeiriadau e-bost.
Defnyddir y cwestiwn hwn i brofi a ydych chi'n ymwelydd ac i atal rhag cyflwyno sbam yn awtomatig.
Mae'r Weinyddiaeth Fyd-eang Ecoleg Forol yn benderfynol o ddatrys problemau cymhleth ac yn defnyddio ML heb oruchwyliaeth i archwilio strwythurau cymunedol.
Mae'r Weinyddiaeth Fyd-eang Ecoleg Forol yn benderfynol o ddatrys problemau cymhleth ac yn defnyddio ML heb oruchwyliaeth i archwilio strwythurau cymunedol.
Amser post: Ionawr-12-2021