Huwa propost metodu ta 'tagħlim mhux sorveljat biex jiddetermina provinċji ekoloġiċi tal-baħar globali (eko-provinċji) ibbażat fuq struttura tal-komunità tal-plankton u data dwar il-fluss tan-nutrijenti.Il-metodu ta 'provinċja ekoloġika integrata sistematika (SAGE) jista' jidentifika provinċji ekoloġiċi f'mudelli ta 'ekosistema mhux lineari ħafna.Sabiex tadatta għall-kovarjanza mhux Gaussian tad-dejta, SAGE juża t-inkorporazzjoni każwali tal-ġar (t-SNE) biex tnaqqas id-dimensjonalità.Bl-għajnuna tal-applikazzjoni tal-istorbju bbażata fuq l-algoritmu tar-raggruppament spazjali bbażat fuq id-densità (DBSCAN), jistgħu jiġu identifikati aktar minn mitt provinċja ekoloġika.Bl-użu tal-mappa tal-konnettività b'differenzi ekoloġiċi bħala miżura tad-distanza, provinċja ekoloġika aggregata robusta (AEP) hija definita oġġettivament permezz ta 'provinċji ekoloġiċi nested.Bl-użu tal-AEPs, ġie esplorat il-kontroll tar-rata tal-provvista tan-nutrijenti fuq l-istruttura tal-komunità.L-eko-provinċja u l-AEP huma uniċi u jistgħu jgħinu fl-interpretazzjoni tal-mudell.Jistgħu jiffaċilitaw it-tqabbil bejn il-mudelli u jistgħu jtejbu l-fehim u l-monitoraġġ tal-ekosistemi tal-baħar.
Il-provinċji huma reġjuni fejn il-bijoġeografija kumplessa fuq il-baħar jew l-art hija organizzata f'żoni koerenti u sinifikanti (1).Dawn il-provinċji huma importanti ħafna biex iqabblu u jikkuntrastaw postijiet, jikkaratterizzaw l-osservazzjonijiet, il-monitoraġġ u l-protezzjoni.L-interazzjonijiet kumplessi u mhux lineari li jipproduċu dawn il-provinċji jagħmlu metodi ta 'tagħlim tal-magni (ML) mhux sorveljat adattati ħafna għad-determinazzjoni tal-provinċji oġġettivament, minħabba li l-kovarjanza fid-dejta hija kumplessa u mhux Gaussiana.Hawnhekk, huwa propost metodu ML, li jidentifika sistematikament provinċji ekoloġiċi tal-baħar uniċi (eko-provinċji) mill-mudell fiżiku/ekosistema globali tridimensjonali (3D) ta 'Darwin (2).It-terminu "unika" jintuża biex jindika li ż-żona identifikata ma tikkoinċidix biżżejjed ma' żoni oħra.Dan il-metodu jissejjaħ il-metodu System Integrated Ecological Province (SAGE).Sabiex titwettaq klassifikazzjoni utli, metodu ta 'algoritmu jeħtieġ li jippermetti (i) klassifikazzjoni globali u (ii) analiżi fuq skala multipla li tista' tiġi mnaqqsa/aggregata fl-ispazju u fil-ħin (3).F'din ir-riċerka, l-ewwel ġie propost il-metodu SAGE u ġew diskussi l-provinċji ekoloġiċi identifikati.L-eko-provinċji jistgħu jippromwovu l-fehim tal-fatturi li jikkontrollaw l-istruttura tal-komunità, jipprovdu għarfien utli għall-istrateġiji ta 'monitoraġġ, u jgħinu jsegwu l-bidliet fl-ekosistema.
Il-provinċji terrestri huma ġeneralment ikklassifikati skont xebh fil-klima (preċipitazzjoni u temperatura), ħamrija, veġetazzjoni u fawna, u jintużaw għal ġestjoni awżiljarja, riċerka dwar il-bijodiversità u kontroll tal-mard (1, 4).Il-provinċji tal-baħar huma aktar diffiċli biex jiġu definiti.Ħafna mill-organiżmi huma mikroskopiċi, b'konfini fluwidi.Longhurst et al.(5) Ipprovda waħda mill-ewwel klassifikazzjonijiet globali tal-Ministeru tal-Oċeanografija bbażata fuq kundizzjonijiet ambjentali.Id-definizzjoni ta 'dawn il-provinċji "Longhurst" tinkludi varjabbli bħar-rata ta' taħlit, stratifikazzjoni, u irradjanza, kif ukoll l-esperjenza estensiva ta 'Longhurst bħala oċeanografu tal-baħar, li għandu kundizzjonijiet importanti oħra għall-ekosistemi tal-baħar.Longhurst intuża b'mod estensiv, pereżempju, biex jevalwa l-produzzjoni primarja u l-flussi tal-karbonju, jgħin is-sajd, u jippjana attivitajiet ta' osservazzjoni in situ (5-9).Sabiex il-provinċji jiġu definiti b'mod aktar oġġettiv, intużaw metodi bħal loġika fuzzy u clustering/statistika reġjonali mhux sorveljata (9-14).L-iskop ta 'tali metodi huwa li jiġu identifikati strutturi sinifikanti li jistgħu jidentifikaw provinċji fid-dejta ta' osservazzjoni disponibbli.Pereżempju, provinċji tal-baħar dinamiċi (12) jużaw mapep li jorganizzaw lilhom infushom biex inaqqsu l-istorbju, u jużaw raggruppament ġerarkiku (ibbażat fuq is-siġar) biex jiddeterminaw prodotti tal-kulur tal-baħar derivati minn satelliti reġjonali [chlorophyll a (Chl-a), għoli tal-linja tal-Fluworexxenza normalizzata u materja organika maħlula ikkulurita] u l-kamp fiżiku (temperatura u salinità tal-wiċċ tal-baħar, topografija dinamika assoluta u silġ tal-baħar).
L-istruttura tal-komunità tal-plankton hija ta 'tħassib minħabba li l-ekoloġija tagħha għandha influwenza kbira fuq livelli ogħla ta' nutrijenti, assorbiment tal-karbonju u klima.Madankollu, għadu mira ta 'sfida u elużiva li tiġi ddeterminata provinċja ekoloġika globali bbażata fuq l-istruttura tal-komunità tal-plankton.Satelliti bil-kulur tal-baħar jistgħu potenzjalment jipprovdu għarfien dwar il-klassifikazzjoni tal-fitoplankton tal-qamħ oħxon jew jissuġġerixxu l-vantaġġi ta 'gruppi funzjonali (15), iżda bħalissa mhumiex kapaċi jipprovdu informazzjoni dettaljata dwar l-istruttura tal-komunità.Stħarriġ reċenti [eż. Tara Ocean (16)] qed jipprovdi kejl bla preċedent tal-istruttura tal-komunità;bħalissa, hemm biss osservazzjonijiet in-situ skarsi fuq skala globali (17).Studji preċedenti ddeterminaw fil-biċċa l-kbira l- "Provinċja Biogeochemical" (12, 14, 18) ibbażata fuq id-determinazzjoni ta 'xebh bijokimiċi (bħal produzzjoni primarja, Chl u dawl disponibbli).Hawnhekk, il-mudell numeriku jintuża biex joħroġ [Darwin(2)], u l-provinċja ekoloġika hija determinata skont l-istruttura tal-komunità u l-fluss tan-nutrijenti.Il-mudell numeriku użat f'dan l-istudju għandu kopertura globali u jista 'jitqabbel ma' data eżistenti tal-kamp (17) u oqsma ta 'rilevament remot (Nota S1).Id-dejta tal-mudell numeriku użata f'dan l-istudju għandha l-vantaġġ ta 'kopertura globali.L-ekosistema mudell tikkonsisti minn 35 speċi ta 'fitoplankton u 16-il speċi ta' żooplankton (jekk jogħġbok irreferi għall-materjali u l-metodi).It-tipi ta 'plankton tal-mudell jinteraġixxu b'mod mhux lineari ma' strutturi ta 'kovarjanza mhux Gauss, għalhekk metodi dijanjostiċi sempliċi mhumiex adattati għall-identifikazzjoni ta' mudelli uniċi u konsistenti fi strutturi komunitarji emerġenti.Il-metodu SAGE introdott hawn jipprovdi mod ġdid biex jiċċekkja l-output ta 'mudelli Darwin kumplessi.
Il-kapaċitajiet trasformattivi qawwija tax-xjenza tad-dejta/teknoloġija ML jistgħu jippermettu soluzzjonijiet ta 'mudelli kumplessi ħafna biex jiżvelaw strutturi kumplessi iżda robusti fil-kovarjanza tad-dejta.Metodu robust huwa definit bħala metodu li jista' jirriproduċi fedelment ir-riżultati f'medda ta' żball partikolari.Anke f'sistemi sempliċi, id-determinazzjoni ta 'mudelli u sinjali robusti tista' tkun sfida.Sakemm tiġi determinata r-raġuni li twassal għall-mudell osservat, il-kumplessità emerġenti tista' tidher ikkumplikata/diffiċli biex tissolva.Il-proċess ewlieni tal-iffissar tal-kompożizzjoni tal-ekosistema huwa ta 'natura mhux lineari.L-eżistenza ta 'interazzjonijiet mhux lineari tista' tħawwad klassifikazzjoni robusta, għalhekk huwa meħtieġ li jiġu evitati metodi li jagħmlu suppożizzjonijiet b'saħħithom dwar id-distribuzzjoni statistika bażika tal-kovarjanza tad-dejta.Dejta ta' dimensjoni għolja u mhux lineari hija komuni fl-oċeanografija u jista' jkollha struttura ta' kovarjanza b'topoloġija kumplessa u mhux Gaussiana.Għalkemm data bi struttura ta' kovarjanza mhux Gaussjana tista' tfixkel il-klassifikazzjoni robusta, il-metodu SAGE huwa ġdid minħabba li huwa ddisinjat biex jidentifika raggruppamenti b'topoloġiji arbitrarji.
L-għan tal-metodu SAGE huwa li jidentifika b'mod oġġettiv mudelli emerġenti li jistgħu jgħinu aktar fehim ekoloġiku.Wara fluss tax-xogħol ibbażat fuq cluster simili għal (19), il-varjabbli tal-fluss ekoloġiku u tan-nutrijenti jintużaw biex jiddeterminaw l-uniku cluster fid-dejta, imsejjaħ il-provinċja ekoloġika.Il-metodu SAGE propost f'dan l-istudju (Figura 1) l-ewwel inaqqas id-dimensjonijiet minn 55 sa 11-il dimensjoni billi jingħaqad il-gruppi funzjonali tal-plankton definiti a priori (ara Materjali u Metodi).Bl-użu tal-metodu t-random neighbor embedding (t-SNE), id-daqs jitnaqqas aktar billi tipproġetta l-probabbiltà fl-ispazju 3D.Raggruppament mhux sorveljat jista' jidentifika żoni ekoloġikament qrib [raggruppament spazjali bbażat fuq id-densità (DBSCAN) għal applikazzjonijiet ibbażati fuq l-istorbju].Kemm t-SNE kif ukoll DBSCAN huma applikabbli għad-dejta tal-mudell numeriku tal-ekosistema mhux lineari inerenti.Imbagħad ipproġetta mill-ġdid il-provinċja ekoloġika li tirriżulta fuq l-art.Ġew identifikati aktar minn mitt provinċji ekoloġiċi uniċi, adattati għal riċerka reġjonali.Sabiex jiġi kkunsidrat il-mudell tal-ekosistema globalment konsistenti, il-metodu SAGE jintuża biex jaggrega l-provinċji ekoloġiċi fi provinċji ekoloġiċi aggregati (AEP) biex ittejjeb l-effettività tal-provinċji ekoloġiċi.Il-livell ta’ aggregazzjoni (imsejjaħ “kumplessità”) jista’ jiġi aġġustat għal-livell ta’ dettall meħtieġ.Iddetermina l-kumplessità minima ta 'AEP robusta.Il-fokus tal-għażla huwa l-metodu SAGE u l-esplorazzjoni tal-iżgħar kumplessità każijiet AEP biex tiddetermina l-kontroll tal-istruttura tal-komunità ta 'emerġenza.Ix-xejriet jistgħu mbagħad jiġu analizzati biex jipprovdu għarfien ekoloġiku.Il-metodu introdott hawn jista 'jintuża wkoll għat-tqabbil tal-mudelli b'mod aktar estensiv, pereżempju, billi jiġu evalwati l-postijiet ta' provinċji ekoloġiċi simili misjuba f'mudelli differenti biex jenfasizzaw differenzi u xebh, sabiex jitqabblu mudelli.
(A) Dijagramma skematika tal-fluss tax-xogħol għad-determinazzjoni tal-provinċja ekoloġika;bl-użu tas-somma fil-grupp funzjonali biex tnaqqas id-dejta oriġinali 55-dimensjonali għal output tal-mudell 11-dimensjonali, inkluża l-bijomassa ta 'seba' plankton funzjonali/nutrijenti u erba 'rati ta' provvista ta 'nutrijenti.Valur negliġibbli u żona ta 'kopertura tas-silġ durabbli.Id-dejta ġiet standardizzata u standardizzata.Ipprovdi data 11-dimensjonali lill-algoritmu t-SNE biex tenfasizza kombinazzjonijiet ta' karatteristiċi statistikament simili.DBSCAN se jagħżel bir-reqqa l-cluster biex jistabbilixxi l-valur tal-parametru.Finalment ipproġetta d-dejta lura għall-projezzjoni tal-latitudni/lonġitudni.Jekk jogħġbok innota li dan il-proċess huwa ripetut 10 darbiet minħabba li tista 'tiġi ġġenerata każwali żgħira bl-applikazzjoni ta' t-SNE.(B) jispjega kif tikseb l-AEP billi tirrepeti l-fluss tax-xogħol f'(A) 10 darbiet.Għal kull waħda minn dawn l-10 implimentazzjonijiet, il-matriċi tad-differenza inter-provinċjali Bray-Curtis (BC) ġiet determinata abbażi tal-bijomassa ta '51 tip ta' fitoplankton.Iddetermina d-differenza BC bejn provinċji, mill-kumplessità 1 AEP għal kumplessità sħiħa 115. Il-punt ta' referenza BC huwa stabbilit mill-Provinċja ta' Longhurst.
Il-metodu SAGE juża l-output tal-mudell numeriku globali 3D fiżiku/ekosistema biex jiddefinixxi l-provinċja ekoloġika [Darwin (2);ara Materjali u Metodi u Nota S1].Il-komponenti tal-ekosistema huma komposti minn 35 speċi ta’ fitoplankton u 16-il speċi ta’ żooplankton, b’seba’ gruppi funzjonali predefiniti: prokarjoti u ewkarjoti adattati għal ambjenti b’livell baxx ta’ nutrijenti, coccidia b’kisja ta’ karbonat tal-kalċju, u fissazzjoni qawwija ta’ nitroġenu Nutrijenti tan-nitroġenu (ġeneralment neqsin). nutrijenti importanti), b'kisi siliċiku, jistgħu jagħmlu fotosinteżi oħra tal-plankton u flagellati ta' nutrijenti mħallta li jirgħu u rgħajja taż-żooplankton.Il-firxa tad-daqs hija 0.6 sa 2500μm dijametru sferiku ekwivalenti.Il-mudell tad-distribuzzjoni tad-daqs tal-fitoplankton u l-grupp funzjonali jaqbad il-karatteristiċi ġenerali li dehru fl-osservazzjonijiet bis-satellita u fil-post (ara l-Figuri S1 sa S3).Ix-xebh bejn il-mudell numeriku u l-oċean osservat jindika li provinċji definiti mill-mudell jistgħu jkunu applikabbli għall-oċean in-situ.Jekk jogħġbok innota li dan il-mudell jaqbad biss ċerta diversità ta 'fitoplankton, u ċerti firxiet ta' furzar fiżiku u kimiku biss tal-oċean in situ.Il-metodu SAGE jista 'jippermetti lin-nies jifhmu aħjar il-mekkaniżmu ta' kontroll reġjonali ħafna tal-istruttura tal-komunità mudell.
Billi tinkludi biss is-somma tal-bijomassa tal-wiċċ (b'ħin medju ta '20 sena) f'kull grupp funzjonali tal-plankton, id-dimensjonalità tad-dejta tista' titnaqqas.Wara li studji preċedenti wrew ir-rwol ewlieni tagħhom fl-iffissar tal-istruttura tal-komunità, inkluda wkoll termini tas-sors tal-wiċċ għal flussi ta 'nutrijenti (provvista ta' nitroġenu, ħadid, fosfat u aċidu siliċiku) [eż. (20, 21)] .Is-somma ta 'gruppi funzjonali tnaqqas il-problema minn 55 (51 plankton u 4 flussi ta' nutrijenti) għal 11-il dimensjoni.F'dan l-istudju inizjali, minħabba r-restrizzjonijiet komputazzjonali imposti mill-algoritmu, il-varjabbiltà fil-fond u fil-ħin ma ġewx ikkunsidrati.
Il-metodu SAGE huwa kapaċi jidentifika relazzjonijiet importanti bejn proċessi mhux lineari u karatteristiċi ewlenin ta 'interazzjonijiet bejn il-bijomassa tal-grupp funzjonali u l-fluss tan-nutrijenti.L-użu ta 'dejta 11-dimensjonali bbażata fuq metodi ta' tagħlim mill-bogħod Ewklide (bħal K-means) ma jistax jikseb provinċji affidabbli u riproduċibbli (19, 22).Dan għaliex l-ebda forma Gaussian ma tinsab fid-distribuzzjoni bażika tal-kovarjanza tal-elementi ewlenin li jiddefinixxu l-provinċja ekoloġika.Il-K-means taċ-ċelloli Voronoi (linji dritti) ma jistgħux iżommu d-distribuzzjoni bażika mhux Gaussiana.
Il-bijomassa ta 'seba' gruppi funzjonali tal-plankton u erba 'flussi ta' nutrijenti jiffurmaw vettur x 11-dimensjonali.Għalhekk, x huwa qasam tal-vettur fuq il-grilja tal-mudell, fejn kull element xi jirrappreżenta vettur 11-dimensjonali definit fuq il-grilja orizzontali tal-mudell.Kull indiċi i jidentifika b'mod uniku punt tal-grilja fuq l-isfera, fejn (lon, lat) = (ϕi, θi).Jekk il-bijomassa tal-unità tal-grilja mudell hija inqas minn 1.2 × 10-3mg Chl/m3 jew ir-rata ta 'kopertura tas-silġ taqbeż is-70%, il-log tad-dejta tal-bijomassa jintuża u jintrema.Id-dejta hija normalizzata u standardizzata, għalhekk id-dejta kollha hija fil-medda ta '[0 sa 1], il-medja titneħħa u skalata għall-varjanza tal-unità.Dan isir sabiex il-karatteristiċi (il-bijomassa u l-fluss tan-nutrijenti) ma jkunux limitati mill-kuntrast fil-firxa ta 'valuri possibbli.Il-clustering għandu jaqbad ir-relazzjoni tal-bidla mid-distanza tal-probabbiltà ewlenija bejn il-karatteristiċi aktar milli mid-distanza ġeografika.Billi tikkwantifika dawn id-distanzi, joħorġu karatteristiċi importanti, filwaqt li dettalji mhux meħtieġa jintremew.Mil-lat ekoloġiku, dan huwa meħtieġ minħabba li xi tipi ta 'fitoplankton bi ftit bijomassa jista' jkollhom effetti bijoġeokimiċi akbar, bħall-iffissar tan-nitroġenu minn batterji dijazotrophic.Meta tiġi standardizzata u normalizzata d-dejta, dawn it-tipi ta 'kovarjati se jiġu enfasizzati.
Billi tenfasizza l-prossimità tal-karatteristiċi fi spazju ta 'dimensjoni għolja f'rappreżentazzjoni ta' dimensjoni baxxa, l-algoritmu t-SNE jintuża biex jagħmel reġjuni simili eżistenti aktar ċari.Xogħol preċedenti mmirat lejn il-bini ta 'netwerks newrali profondi għal applikazzjonijiet ta' telerilevament uża t-SNE, li wera l-ħila tiegħu fis-separazzjoni tal-karatteristiċi ewlenin (23).Dan huwa pass meħtieġ biex jiġi identifikat raggruppament robust fid-dejta tal-karatteristiċi filwaqt li jiġu evitati soluzzjonijiet mhux konverġenti (nota S2).Bl-użu ta' qlub Gaussian, t-SNE jippreserva l-proprjetajiet statistiċi tad-dejta billi jimmappa kull oġġett ta' dimensjoni għolja għal punt fl-ispazju tal-fażi 3D, u b'hekk jiżgura li l-probabbiltà ta 'oġġetti simili fid-direzzjonijiet għolja u baxxa tkun għolja f'livell għoli. spazju dimensjonali (24).Minħabba sett ta' N oġġetti ta' dimensjoni għolja x1,...,xN, l-algoritmu t-SNE inaqqas billi jimminimizza d-diverġenza Kullback-Leibler (KL) (25).Id-diverġenza KL hija miżura ta 'kemm hija differenti distribuzzjoni tal-probabbiltà minn distribuzzjoni ta' probabbiltà ta 'referenza tat-tieni, u tista' tevalwa b'mod effettiv il-possibbiltà ta 'korrelazzjoni bejn rappreżentazzjonijiet ta' dimensjoni baxxa ta 'karatteristiċi ta' dimensjoni għolja.Jekk xi huwa l-i-th oġġett fl-ispazju N-dimensjonali, xj huwa l-j-th oġġett fl-ispazju N-dimensjonali, yi huwa l-i-th oġġett fl-ispazju ta 'dimensjonali baxxa, u yj huwa l-j-th oġġett fil-baxx -spazju dimensjonali, allura t -SNE jiddefinixxi l-probabbiltà ta 'xebh ppj∣i = exp(-∥xi-xj∥2/2σi2)∑k≠iexp(-∥xi-xk∥2/2σi2), u għas-sett tat-tnaqqis tad-dimensjonijiet q∣j = (1+ ∥ yi-yj∥2)-1∑k≠i(1 +∥yj-yk∥2)-1
Figura 2A turi l-effett tat-tnaqqis tal-bijomassa u l-vettori tal-fluss tan-nutrijenti tal-kombinazzjoni 11-dimensjonali għal 3D.Il-motivazzjoni tal-applikazzjoni t-SNE tista 'titqabbel mal-motivazzjoni tal-analiżi tal-komponenti prinċipali (PCA), li tuża l-attribut tal-varjanza biex tenfasizza l-erja/attribut tad-dejta, u b'hekk tnaqqas id-dimensjonalità.Il-metodu t-SNE instab li huwa superjuri għall-PCA billi jipprovdi riżultati affidabbli u riproduċibbli għall-Eko-Ministeru (ara Nota S2).Dan jista 'jkun minħabba li l-assunzjoni ta' ortogonalità tal-PCA mhix adattata għall-identifikazzjoni ta 'interazzjonijiet kritiċi bejn karatteristiċi interattivi mhux lineari ħafna, minħabba li l-PCA jiffoka fuq strutturi ta' kovarjanza lineari (26).Bl-użu ta' data ta' telerilevament, Lunga et al.(27) juri kif tuża l-metodu SNE biex tenfasizza karatteristiċi spettrali kumplessi u mhux lineari li jiddevjaw mid-distribuzzjoni Gaussjana.
(A) Rata ta 'provvista ta' nutrijenti mudellata, bijomassa tal-grupp funzjonali ta 'fitoplankton u żooplankton mfassla mill-algoritmu t-SNE u kkulurita skond il-provinċja bl-użu ta' DBSCAN.Kull punt jirrappreżenta punt fl-ispazju ta 'dimensjoni għolja, kif muri fil-Figura 6B, il-biċċa l-kbira tal-punti jinqabdu.Ix-xaftijiet jirreferu għal daqsijiet "t-SNE" 1, 2 u 3. (B) Il-projezzjoni ġeografika tal-provinċja misjuba minn DBSCAN fuq il-grilja tal-latitudni-lonġitudni tal-oriġini.Il-kulur għandu jitqies bħala kwalunkwe kulur, iżda għandu jikkorrispondi għal (A).
Il-punti fit-t-SNE scatter plot fil-Figura 2A huma rispettivament assoċjati mal-latitudni u l-lonġitudni.Jekk iż-żewġ punti fil-Figura 2A huma qrib xulxin, huwa minħabba li l-bijomassa u l-flussi tan-nutrijenti tagħhom huma simili, mhux minħabba l-prossimità ġeografika.Il-kuluri fil-Figura 2A huma raggruppamenti skoperti bl-użu tal-metodu DBSCAN (28).Meta tfittex osservazzjonijiet densi, l-algoritmu DBSCAN juża d-distanza fir-rappreżentazzjoni 3D bejn il-punti (ϵ = 0.39; għal informazzjoni dwar din l-għażla, ara Materjali u Metodi), u n-numru ta 'punti simili huwa meħtieġ biex jiddefinixxi l-cluster (hawnhekk). 100 punt, jekk jogħġbok ara hawn fuq).Il-metodu DBSCAN ma jagħmel l-ebda suppożizzjoni dwar il-forma jew in-numru ta 'clusters fid-dejta, kif muri hawn taħt:
3) Għall-punti kollha identifikati bħala fid-distanza ġewwa, irrepeti l-pass 2 b'mod iterattiv biex tiddetermina l-konfini tar-raggruppament.Jekk in-numru ta 'punti huwa akbar mill-valur minimu stabbilit, huwa indikat bħala cluster.
Dejta li ma tissodisfax il-membru minimu tal-cluster u d-distanza ϵ metrika titqies bħala "ħoss" u mhix assenjata kulur.DBSCAN huwa algoritmu veloċi u skalabbli bi prestazzjoni O(n2) fl-agħar każ.Għall-analiżi attwali, mhuwiex fil-fatt każwali.In-numru minimu ta' punti huwa determinat minn evalwazzjoni esperta.Wara li taġġusta d-distanza wara, ir-riżultat mhuwiex stabbli biżżejjed fil-medda ta '≈±10.Din id-distanza hija ssettjata bl-użu tal-konnettività (Figura 6A) u l-perċentwal tal-kopertura tal-oċean (Figura 6B).Il-konnettività hija definita bħala n-numru kompost ta 'clusters u hija sensittiva għall-parametru ϵ.Konnettività aktar baxxa tindika twaħħil insuffiċjenti, li r-reġjuni jiġbru flimkien b'mod artifiċjali.Konnettività għolja tindika żżejjed.Huwa konċepibbli li jintuża minimu ogħla, iżda jekk il-minimu jaqbeż ca, huwa impossibbli li tinkiseb soluzzjoni affidabbli.135 (Għal aktar dettalji, ara Materjali u Metodi).
Il-115-il raggruppament identifikati fil-Figura 2A huma pproġettati lura fuq id-dinja fil-Figura 2B.Kull kulur jikkorrispondi għal taħlita koerenti ta 'fatturi bijoġeokimiċi u ekoloġiċi identifikati minn DBSCAN.Ladarba r-raggruppamenti jiġu determinati, l-assoċjazzjoni ta' kull punt fil-Figura 2A ma' latitudni u lonġitudni speċifiċi tintuża biex tipproġetta r-raggruppamenti lura lejn iż-żona ġeografika.Figura 2B turi dan bl-istess kuluri ta 'cluster bħal Figura 2A.Kuluri simili m'għandhomx jiġu interpretati bħala xebh ekoloġiku, minħabba li huma assenjati mill-ordni li fiha l-clusters jiġu skoperti mill-algoritmu.
Iż-żona fil-Figura 2B tista 'tkun kwalitattivament simili għal żona stabbilita fil-fiżika u/jew bijoġeokimika tal-oċean.Pereżempju, ir-raggruppamenti fl-Oċean tan-Nofsinhar huma simetriċi fiż-żona, b'vortiċi oligotrofiċi jidhru, u t-tranżizzjoni qawwija tindika l-influwenza tal-irjieħ kummerċjali.Pereżempju, fil-Paċifiku ekwatorjali, jidhru reġjuni differenti relatati maż-żieda.
Sabiex wieħed jifhem l-ambjent ekoloġiku tal-Eko-Provinċja, intużat varjazzjoni tal-indiċi tad-differenza Bray-Curtis (BC) (29) biex tiġi evalwata l-ekoloġija fil-cluster.L-indikatur BC huwa dejta statistika użata biex tikkwantifika d-differenza fl-istruttura tal-komunità bejn żewġ siti differenti.Il-kejl BC huwa applikabbli għall-bijomassa ta' 51 speċi ta' fitoplankton u żooplankton BCninj = 1-2CninjSni + Snj
BCninj jirreferi għax-xebh bejn il-kombinazzjoni ni u l-kombinazzjoni nj, fejn Cninj huwa l-valur minimu ta 'tip wieħed ta' bijomassa li jeżisti fiż-żewġ kombinazzjonijiet ni u nj, u Sni jirrappreżenta s-somma tal-bijomassa kollha li jeżistu fiż-żewġ kombinazzjonijiet ni u Snj.Id-differenza BC hija simili għall-kejl tad-distanza, iżda topera fi spazju mhux Ewklidju, li x'aktarx ikun aktar adattat għad-dejta ekoloġika u l-interpretazzjoni tagħha.
Għal kull cluster identifikat fil-Figura 2B, ix-xebh tal-BC intra-provinċjali u inter-provinċjali jista 'jiġi vvalutat.Id-differenza BC fi provinċja tirreferi għad-differenza bejn il-valur medju tal-provinċja u kull punt fil-provinċja.Id-differenza bejn provinċji QK tirreferi għax-xebh bejn provinċja waħda u provinċji oħra.Figura 3A turi matriċi BC simmetrika (0, iswed: kompletament korrispondenti; 1, abjad: kompletament differenti).Kull linja fil-graff turi mudell fid-dejta.Il-Figura 3B turi s-sinifikat ġeografiku tar-riżultati ta 'BC fil-Figura 3A għal kull provinċja.Għal provinċja f'żona ta 'nutrizzjoni baxxa u ta' nutrijenti baxxi, il-Figura 3B turi li s-simetrija ta 'żoni kbar madwar l-ekwatur u l-Oċean Indjan hija bażikament simili, iżda l-latitudnijiet ogħla u ż-żoni ta' upwelling huma differenti b'mod sinifikanti.
(A) Il-grad ta 'differenza BC evalwat għal kull provinċja bbażata fuq il-medja globali tal-wiċċ globali medja ta' 20 sena ta '51 plankton.Innota s-simetrija mistennija tal-valuri.(B) Il-projezzjoni spazjali ta 'kolonna (jew ringiela).Għal provinċja f'ċirku distrofiku, id-distribuzzjoni globali tal-miżura ta 'xebh BC ġiet evalwata, u ġiet evalwata l-medja globali ta' 20 sena.Iswed (BC = 0) tfisser l-istess żona, u abjad (BC = 1) tfisser ebda xebh.
Figura 4A turi d-differenza f'BC f'kull provinċja fil-Figura 2B.Determinat bl-użu tal-kombinazzjoni medja taż-żona medja f'grupp, u d-determinazzjoni tad-differenza bejn il-BC u l-medja ta 'kull punt tal-grilja fil-provinċja, juri li l-metodu SAGE jista' jissepara sew 51 speċi bbażati fuq ix-xebh ekoloġiku Tip ta ' data tal-mudell.Id-dissimilarità medja ġenerali tal-cluster BC tal-51 tip kollha hija 0.102±0.0049.
(A, B, u D) Id-differenza BC fi ħdan il-provinċja hija evalwata bħala d-differenza BC medja bejn kull komunità punt tal-grilja u l-provinċja medja, u l-kumplessità ma titnaqqasx.(2) Id-differenza medja globali intra-provinċjali BC hija 0.227±0.117.Dan huwa l-punt ta' referenza tal-klassifikazzjoni bbażata fuq il-motivazzjoni ekoloġika proposta minn dan ix-xogħol [linja ħadra f'(C)].(C) Differenza medja intra-provinċjali BC: Il-linja sewda tirrappreżenta d-differenza intra-provinċjali BC b'kumplessità dejjem tiżdied.2σ ġej minn 10 repetizzjonijiet tal-proċess ta 'identifikazzjoni tal-eko-provinċja.Għall-kumplessità totali tal-provinċji skoperti minn DBSCAN, (A) turi li d-differenza BC fil-provinċja hija 0.099, u l-klassifikazzjoni tal-kumplessità proposta minn (C) hija 12, li tirriżulta f'dissimilarità BC ta '0.200 fil-provinċja.kif turi l-istampa.(D).
Fil-Figura 4B, il-bijomassa ta '51 tip ta' plankton tintuża biex tirrappreżenta d-differenza ekwivalenti BC fil-provinċja ta 'Longhurst.Il-medja ġenerali ta 'kull provinċja hija 0.227, u d-devjazzjoni standard tal-punti tal-grilja b'referenza għad-differenza fil-provinċja BC hija 0.046.Dan huwa akbar mill-cluster identifikat fil-Figura 1B.Minflok, bl-użu tas-somma tas-seba 'gruppi funzjonali, id-differenza medja intra-istaġun BC f'Longhurst żdiedet għal 0.232.
Il-mappa globali tal-eko-provinċja tipprovdi dettalji kkomplikati ta 'interazzjonijiet ekoloġiċi uniċi u sar titjib fl-użu tal-istruttura tal-ekosistema kollha tal-Provinċja ta' Longhurst.Il-Ministeru tal-Ekoloġija huwa mistenni li jipprovdi ħarsa lejn il-proċess tal-kontroll tal-ekosistema tal-mudell numeriku, u din l-għarfien se jgħin fl-esplorazzjoni tax-xogħol fuq il-post.Għall-iskop ta 'din ir-riċerka, mhuwiex possibbli li jintwerew għal kollox aktar minn mitt provinċja.It-taqsima li jmiss tintroduċi l-metodu SAGE li jiġbor fil-qosor il-provinċji.
Wieħed mill-għanijiet tal-provinċja huwa li jippromwovi l-fehim tal-post u l-ġestjoni tal-provinċja.Biex tiddetermina sitwazzjonijiet ta 'emerġenza, il-metodu fil-Figura 1B juri l-bejta ta' provinċji ekoloġikament simili.L-eko-provinċji huma miġbura flimkien abbażi ta' xebh ekoloġiku, u tali grupp ta' provinċji jissejjaħ AEP.Issettja "kumplessità" aġġustabbli bbażata fuq in-numru totali ta 'provinċji li għandhom jiġu kkunsidrati.It-terminu "kumplessità" jintuża għaliex jippermetti li l-livell ta 'attributi ta' emerġenza jiġi aġġustat.Sabiex jiġu definiti aggregazzjonijiet sinifikanti, id-differenza medja intra-provinċjali BC ta' 0.227 minn Longhurst tintuża bħala l-punt ta' referenza.Taħt dan il-punt ta' referenza, il-provinċji magħquda m'għadhomx meqjusa utli.
Kif muri fil-Figura 3B, il-provinċji ekoloġiċi globali huma koerenti.Bl-użu tad-differenzi inter-provinċjali BC, wieħed jista 'jara li xi konfigurazzjonijiet huma "komuni" ħafna.Ispirati mill-ġenetika u l-metodi tat-teorija tal-graffs, "graffs konnessi" jintużaw biex issolvi > 100 provinċja bbażati fuq il-provinċji l-aktar simili għalihom.Il-metrika tal-"konnettività" hawnhekk hija determinata bl-użu ta' nuqqas ta' xebh interprovinċjali BC (30).In-numru ta' provinċji bi spazju akbar għall-klassifikazzjoni ta'> 100 provinċja hawnhekk jista' jissejjaħ kumplessità.AEP huwa prodott li jikkategorizza aktar minn 100 provinċja bħala l-aktar provinċji ekoloġiċi dominanti/eqreb.Kull provinċja ekoloġika hija assenjata lill-provinċja ekoloġika dominanti/konnessa ħafna li hija l-aktar simili għalihom.Din l-aggregazzjoni ddeterminata mid-differenza BC tippermetti approċċ imniżżel għall-ekoloġija globali.
Il-kumplessità magħżula tista 'tkun kwalunkwe valur minn 1 sal-kumplessità sħiħa tal-FIG.2A.F'kumplessità aktar baxxa, AEP jista 'jiddeġenera minħabba l-pass tat-tnaqqis tad-dimensjoni probabilistika (t-SNE).Id-deġenerazzjoni tfisser li l-provinċji ekoloġiċi jistgħu jiġu assenjati għal AEPs differenti bejn iterazzjonijiet, u b'hekk tinbidel iż-żona ġeografika koperta.Il-Figura 4C turi t-tixrid tad-differenzi BC fi ħdan il-provinċji f'AEPs ta 'kumplessità dejjem tiżdied f'10 implimentazzjonijiet (illustrazzjoni fil-Figura 1B).Fil-Figura 4C, 2σ (żona blu) hija miżura ta 'degradazzjoni f'10 implimentazzjonijiet, u l-linja ħadra tirrappreżenta l-punt ta' referenza Longhurst.Il-fatti wrew li l-kumplessità ta '12 tista' żżomm id-differenza BC fil-provinċja taħt il-punt ta 'referenza Longhurst fl-implimentazzjonijiet kollha u żżomm degradazzjoni 2σ relattivament żgħira.Fil-qosor, il-kumplessità minima rakkomandata hija 12 AEPs, u d-differenza medja intra-provinċja BC evalwata bl-użu ta '51 tip ta' plankton hija 0.198±0.013, kif muri fil-Figura 4D.Bl-użu tas-somma ta 'seba' gruppi funzjonali tal-plankton, id-differenza BC medja fi ħdan il-provinċja hija 2σ minflok 0.198±0.004.It-tqabbil bejn id-differenzi BC ikkalkulati mal-bijomassa totali tas-seba' gruppi funzjonali jew il-bijomassa tal-51 tip ta' plankton kollha juri li għalkemm il-metodu SAGE huwa applikabbli għas-sitwazzjoni 51-dimensjonali, huwa għall-bijomassa totali tas-seba' gruppi funzjonali Għat-taħriġ.
Skont l-iskop ta’ kwalunkwe riċerka, jistgħu jiġu kkunsidrati livelli differenti ta’ kumplessità.Studji reġjonali jistgħu jeħtieġu kumplessità sħiħa (jiġifieri, il-115 provinċja kollha).Bħala eżempju u għaċ-ċarezza, ikkunsidra l-kumplessità minima rakkomandata ta’ 12.
Bħala eżempju tal-utilità tal-metodu SAGE, 12-il AEPs b'kumplessità minima ta '12 huma użati hawn biex jesploraw il-kontroll tal-istruttura tal-komunità ta' emerġenza.Il-Figura 5 turi l-għarfien ekoloġiku miġbura mill-AEP (minn A sa L): Fl-istojkjometrija ta 'Redfield, il-firxa ġeografika (Figura 5C), il-kompożizzjoni tal-bijomassa tal-grupp funzjonali (Figura 5A) u l-provvista ta' nutrijenti (Figura 5B) huma mwettqa minn N Zoomed.Il-proporzjon (N:Si:P:Fe, 1:1:16:16 × 103) huwa muri.Għall-pannell tal-aħħar, P immultiplikat b'16 u Fe immultiplikat b'16 × 103, għalhekk il-bar graph hija ekwivalenti għar-rekwiżiti nutrittivi tal-fitoplankton.
Il-provinċji huma kklassifikati fi 12-il AEPs A sa L. (A) Bijomassa (mgC/m3) ta 'ekosistemi fi 12-il provinċja.(B) Ir-rata tal-fluss tan-nutrijent ta 'nitroġenu inorganiku maħlul (N), ħadid (Fe), fosfat (P) u aċidu siliċiku (Si) (mmol/m3 fis-sena).Fe u P huma mmultiplikati b'16 u 16 × 103, rispettivament, sabiex l-istrixxi jkunu standardizzati għal rekwiżiti ta 'stojkjometrija fitoplankton.(C) Innota d-differenza bejn ir-reġjuni polari, iċ-ċikluni subtropikali u r-reġjuni maġġuri staġjonali/li qed jogħlew.L-istazzjonijiet tal-monitoraġġ huma mmarkati kif ġej: 1, SEDJI;2, ALOHA;3, stazzjon P;u 4, BATS.
L-AEP identifikata hija unika.Hemm xi simetrija madwar l-ekwatur fl-Oċean Atlantiku u Paċifiku, u żona simili iżda mkabbra teżisti fl-Oċean Indjan.Xi AEPs iħaddnu n-naħa tal-punent tal-kontinent assoċjata mat-tlugħ.Il-Kurrent Ċirkumpolari tal-Pol tan-Nofsinhar huwa meqjus bħala karatteristika żonali kbira.Iċ-ċiklun subtropikali huwa serje kumplessa ta 'AEP oligotrofika.F'dawn il-provinċji, il-mudell familjari tad-differenzi tal-bijomassa bejn vortiċi oligotrofiċi ddominati mill-plankton u reġjuni polari sinjuri fid-diatom huwa ovvju.
AEPs b'bijomassa totali ta' fitoplankton simili ħafna jista' jkollhom strutturi komunitarji differenti ħafna u jkopru żoni ġeografiċi differenti, bħal D, H, u K, li għandhom bijomassa fitoplankton totali simili.AEP H teżisti prinċipalment fl-Oċean Indjan ekwatorjali, u hemm aktar batterji dijażotrofiċi.AEP D jinstab f'diversi baċiri, iżda huwa partikolarment prominenti fil-Paċifiku madwar żoni ta 'rendiment għoli madwar l-upwelling ekwatorjali.Il-forma ta 'din il-provinċja tal-Paċifiku hija reminixxenti ta' ferrovija tal-mewġ planetarju.Hemm ftit diazobacteria fl-AEP D, u aktar koni.Meta mqabbel maż-żewġ provinċji l-oħra, AEP K jinstab biss fl-artijiet għolja tal-Oċean Artiku, u hemm aktar dijatomi u inqas planktons.Ta 'min jinnota li l-ammont ta' plankton f'dawn it-tliet reġjuni huwa wkoll differenti ħafna.Fosthom, l-abbundanza tal-plankton ta 'AEP K hija relattivament baxxa, filwaqt li dik ta' AEP D u H hija relattivament għolja.Għalhekk, minkejja l-bijomassa tagħhom (u għalhekk simili għal Chl-a), dawn il-provinċji huma pjuttost differenti: L-ittestjar tal-provinċja bbażati fuq Chl jista 'ma jaqbadx dawn id-differenzi.
Huwa ovvju wkoll li xi AEPs b'bijomassa differenti ħafna jistgħu jkunu simili f'termini ta' struttura tal-komunità tal-fitoplankton.Pereżempju, dan huwa viżibbli fl-AEP D u E. Huma qrib xulxin, u fl-Oċean Paċifiku, AEP E huwa qrib l-AEPJ produttiv ħafna.Bl-istess mod, m'hemm l-ebda rabta ċara bejn il-bijomassa tal-fitoplankton u l-abbundanza taż-żooplankton.
AEP jista 'jinftiehem f'termini tan-nutrijenti pprovduti lilhom (Figura 5B).Id-dijatomi jeżistu biss fejn hemm provvista biżżejjed ta 'aċidu siliċiku.Ġeneralment, iktar ma tkun għolja l-provvista ta 'aċidu siliċiku, iktar tkun għolja l-bijomassa tad-diatomi.Id-dijatomi jistgħu jidhru f'AEP A, J, K u L. Il-proporzjon tal-bijomassa tad-diatom relattiva għal fitoplankton ieħor huwa determinat mill-N, P u Fe pprovduti relattiv għad-domanda tad-diatom.Pereżempju, AEP L huwa ddominat minn dijatomi.Meta mqabbel ma 'nutrijenti oħra, Si għandu l-ogħla provvista.B'kuntrast, minkejja produttività ogħla, AEP J għandha inqas dijatomi u inqas provvista ta 'silikon (kollha u relattiva għal nutrijenti oħra).
Il-batterji tad-dijażonju għandhom il-kapaċità li jiffissaw in-nitroġenu, iżda jikbru bil-mod (31).Huma jeżistu flimkien ma 'fitoplankton ieħor, fejn il-ħadid u l-fosfru huma eċċessivi meta mqabbla mad-domanda għal nutrijenti mhux dijażonju (20, 21).Ta 'min jinnota li l-bijomassa dijazotrophic hija relattivament għolja, u l-provvista ta' Fe u P hija relattivament kbira relattiva għall-provvista ta 'N. B'dan il-mod, għalkemm il-bijomassa totali f'AEP J hija ogħla, il-bijomassa diazonium f'AEP H hija akbar minn dak f'J. Jekk jogħġbok innota li AEP J u H huma ġeografikament differenti ħafna, u H jinsab fl-Oċean Indjan ekwatorjali.
Jekk l-istruttura unika tal-ekosistema ma tkunx maqsuma fi provinċji, l-għarfien miksub mit-12-il mudelli ta 'kumplessità baxxa tat-12-il AEP mhux se jkun daqshekk ċar.L-AEP iġġenerat minn SAGE jiffaċilita t-tqabbil koerenti u simultanju ta' informazzjoni kumplessa u ta' dimensjoni għolja minn mudelli tal-ekosistema.AEP effettivament jenfasizza għaliex Chl mhuwiex metodu tajjeb u alternattiv biex tiddetermina l-istruttura tal-komunità jew l-abbundanza taż-żooplankton f'livelli ogħla ta 'nutrijenti.Analiżi dettaljata ta 'suġġetti ta' riċerka li għaddejjin hija lil hinn mill-ambitu ta 'dan l-artikolu.Il-metodu SAGE jipprovdi mod biex tesplora mekkaniżmi oħra fil-mudell li huwa aktar faċli biex timmaniġġa milli viewing minn punt għal punt.
Il-metodu SAGE huwa propost biex jgħin jiċċara data ekoloġika estremament kumplessa minn mudelli numeriċi fiżiċi/bijoġeokimiċi/ekosistema globali.Il-provinċja ekoloġika hija ddeterminata mill-bijomassa totali ta 'gruppi funzjonali cross-plankton, l-applikazzjoni tal-algoritmu ta' tnaqqis tad-dimensjoni tal-probabbiltà t-SNE u r-raggruppament bl-użu tal-metodu ML mhux sorveljat DBSCAN.It-teorija tad-differenza/graff inter-provinċjali BC għall-metodu tat-tbejjit hija applikata biex tiġi derivata AEP robusta li tista 'tintuża għal interpretazzjoni globali.F'termini ta' kostruzzjoni, l-Eko-Provinċja u l-AEP huma uniċi.It-tbejjit tal-AEP jista' jiġi aġġustat bejn il-kumplessità sħiħa tal-provinċja ekoloġika oriġinali u l-limitu minimu rakkomandat ta' 12-il AEP.It-tbejjit u d-determinazzjoni tal-kumplessità minima tal-AEP huma kkunsidrati bħala passi ewlenin, minħabba li l-probabbiltà t-SNE tiddeġenera AEPs ta' <12-il kumplessità.Il-metodu SAGE huwa globali, u l-kumplessità tiegħu tvarja minn> 100 AEP sa 12. Għal sempliċità, l-enfasi attwali hija fuq il-kumplessità ta '12 AEP globali.Ir-riċerka futura, speċjalment l-istudji reġjonali, tista 'ssib subsett spazjali iżgħar ta' l-eko-provinċji globali utli, u tista 'tiġi aggregata f'żona iżgħar biex tieħu vantaġġ mill-istess għarfien ekoloġiku diskuss hawn.Jipprovdi suġġerimenti dwar kif dawn il-provinċji ekoloġiċi u l-għarfien miksub minnhom jistgħu jintużaw għal aktar fehim ekoloġiku, jiffaċilitaw il-paragun tal-mudelli, u potenzjalment itejbu l-monitoraġġ tal-ekosistemi tal-baħar.
Il-provinċja ekoloġika u l-AEP identifikati bil-metodu SAGE huma bbażati fuq id-dejta fil-mudell numeriku.B'definizzjoni, il-mudell numeriku huwa struttura simplifikata, li tipprova taqbad l-essenza tas-sistema fil-mira, u mudelli differenti se jkollhom distribuzzjoni differenti ta 'plankton.Il-mudell numeriku użat f'dan l-istudju ma jistax jaqbad bis-sħiħ xi wħud mill-mudelli osservati (pereżempju, fl-istimi Chl għar-reġjun ekwatorjali u l-Oċean tan-Nofsinhar).Parti żgħira biss tad-diversità fl-oċean reali tinqabad, u l-meso u sub-mesoscales ma jistgħux jiġu solvuti, li jistgħu jaffettwaw il-fluss tan-nutrijenti u l-istruttura tal-komunità fuq skala iżgħar.Minkejja dawn in-nuqqasijiet, jirriżulta li l-AEP hija utli ħafna biex tgħin biex jifhmu mudelli kumplessi.Billi tevalwa fejn jinstabu provinċji ekoloġiċi simili, AEP tipprovdi għodda ta 'tqabbil ta' mudell numeriku potenzjali.Il-mudell numeriku attwali jaqbad il-mudell ġenerali tal-konċentrazzjoni ta 'fitoplankton Chl-a ta' telerilevament u d-distribuzzjoni tad-daqs tal-plankton u l-grupp funzjonali (Nota S1 u Figura S1) (2, 32).
Kif muri mil-linja tal-kontorn 0.1 mgChl-a/m-3, AEP hija maqsuma f'żona oligotrofika u żona mesotrofika (Figura S1B): AEP B, C, D, E, F u G huma żoni oligotrofiċi, u ż-żoni li jifdal huma li jinsab Ogħla Chl-a.AEP juri xi korrispondenza mal-Provinċja ta' Longhurst (Figura S3A), pereżempju, l-Oċean tan-Nofsinhar u l-Paċifiku ekwatorjali.F'xi reġjuni, AEP ikopri reġjuni multipli ta' Longhurst, u viċi versa.Peress li l-intenzjoni tad-delimitazzjoni tal-provinċji f'din iż-żona u Longhurst hija differenti, huwa mistenni li jkun hemm differenzi.AEPs multipli fi provinċja ta 'Longhurst jindikaw li ċerti żoni b'bijoġeokimika simili jista' jkollhom strutturi ta 'ekosistema differenti ħafna.AEP juri ċerta korrispondenza ma 'stati fiżiċi, kif żvelat bl-użu ta' tagħlim mhux sorveljat (19), bħal fi stati ta 'upwelling għoli (per eżempju, l-Oċean tan-Nofsinhar u l-Paċifiku ekwatorjali; Figura S3, C u D).Dawn il-korrispondenzi jindikaw li l-istruttura tal-komunità tal-plankton hija influwenzata ħafna mid-dinamika tal-oċeani.F'żoni bħat-Tramuntana tal-Atlantiku, AEP jaqsam provinċji fiżiċi.Il-mekkaniżmu li jikkawża dawn id-differenzi jista 'jinkludi proċessi bħat-trasport tat-trab, li jista' jwassal għal programmi nutrittivi kompletament differenti anke taħt kundizzjonijiet fiżiċi simili.
Il-Ministeru tal-Ekoloġija u AEP irrimarka li l-użu ta 'Chl waħdu ma jistax jidentifika komponenti ekoloġiċi, kif diġà rrealizzat il-komunità tal-ekoloġija tal-baħar.Dan jidher f'AEPs b'bijomassa simili iżda b'kompożizzjoni ekoloġika differenti b'mod sinifikanti (bħal D u E).B'kuntrast, AEPs bħal D u K għandhom bijomassa differenti ħafna iżda kompożizzjoni ekoloġika simili.AEP tenfasizza li r-relazzjoni bejn il-bijomassa, il-kompożizzjoni ekoloġika u l-abbundanza taż-żooplankton hija kumplessa.Pereżempju, għalkemm AEP J jispikka f'termini ta 'phytoplankton u bijomassa tal-plankton, AEP's A u L għandhom bijomassa tal-plankton simili, iżda A għandha abbundanza ogħla ta' plankton.AEP tenfasizza li l-bijomassa tal-fitoplankton (jew Chl) ma tistax tintuża biex tbassar il-bijomassa taż-żooplankton.Iż-żooplankton huwa l-pedament tal-katina tal-ikel tas-sajd, u stimi aktar preċiżi jistgħu jwasslu għal ġestjoni aħjar tar-riżorsi.Satelliti futuri bil-kulur tal-baħar [pereżempju, PACE (plankton, aerosol, sħab, u ekosistema tal-baħar)] jistgħu jkunu f'pożizzjoni aħjar biex jgħinu fl-istima tal-istruttura tal-komunità tal-fitoplankton.L-użu tat-tbassir AEP jista' potenzjalment jiffaċilita l-istima taż-żooplankton mill-ispazju.Metodi bħal SAGE, flimkien ma 'teknoloġiji ġodda, u aktar u aktar data fuq il-post disponibbli għal stħarriġ tal-verità fuq l-art (bħal Tara u riċerka ta' segwitu), jistgħu flimkien jieħdu pass lejn il-monitoraġġ tas-saħħa tal-ekosistema bbażat fuq is-satellita.
Il-metodu SAGE jipprovdi mod konvenjenti biex jevalwaw xi mekkaniżmi li jikkontrollaw il-karatteristiċi tal-provinċja, bħall-bijomassa/Chl, il-produzzjoni primarja netta u l-istruttura tal-komunità.Pereżempju, l-ammont relattiv ta 'diatoms huwa stabbilit minn żbilanċ fil-provvista ta' Si, N, P, u Fe relattiv għar-rekwiżiti stojkjometriċi fitoplankton.B'rata ta 'provvista bilanċjata, il-komunità hija ddominata minn dijatomi (L).Meta r-rata tal-provvista tkun żbilanċjata (jiġifieri, il-provvista tas-silikon hija inqas mid-domanda tan-nutrijenti tad-diatomi), id-diatomi jammontaw għal porzjon żgħir biss Share (K).Meta l-provvista ta 'Fe u P taqbeż il-provvista ta' N (per eżempju, E u H), il-batterji dijazotrophic se jikbru b'mod vigoruż.Permezz tal-kuntest ipprovdut mill-AEP, l-esplorazzjoni tal-mekkaniżmi ta' kontroll se ssir aktar utli.
L-Eko-Provinċja u l-AEP huma żoni bi strutturi komunitarji simili.Is-serje ta' żmien minn ċertu post fi ħdan provinċja ekoloġika jew AEP tista' titqies bħala punt ta' referenza u tista' tirrappreżenta ż-żona koperta mill-provinċja ekoloġika jew AEP.Stazzjonijiet ta' monitoraġġ fuq il-post fit-tul jipprovdu serje ta' żmien bħal din.Is-settijiet ta' data fuq il-post fit-tul se jkomplu jkollhom rwol inkalkulabbli.Mill-perspettiva tal-monitoraġġ tal-istruttura tal-komunità, il-metodu SAGE jista 'jitqies bħala mod biex jgħin jiddetermina l-aktar post utli ta' siti ġodda.Pereżempju, is-serje taż-żmien mill-valutazzjoni tal-ħabitat oligotrofiku fit-tul (ALOHA) tinsab fl-AEP B taż-żona oligotrofika (Figura 5C, tikketta 2).Minħabba li ALOHA huwa qrib il-konfini ta 'AEP ieħor, is-serje tal-ħin tista' ma tkunx rappreżentattiva taż-żona kollha, kif issuġġerit qabel (33).Fl-istess AEP B, is-serje tal-ħin SEATS (Serje ta' Ħin tax-Xlokk tal-Asja) tinsab fil-Lbiċ tat-Tajwan (34), aktar 'il bogħod mill-konfini ta' AEPs oħra (Figura 5C, tikketta 1), u tista 'tintuża bħala post aħjar għall-monitoraġġ. AEPB.Is-serje tal-ħin BATS (Istudju tas-Serje tal-Ħin tal-Atlantiku tal-Bermuda) (Figura 5C, tikketta 4) fl-AEPC hija qrib ħafna tal-konfini bejn AEP C u F, li tindika li l-monitoraġġ tal-AEP C bl-użu tas-serje tal-ħin BATS jista’ jkun direttament problematiku.L-istazzjon P f'AEP J (Figura 5C, tikketta 3) huwa 'l bogħod mill-konfini AEP, għalhekk huwa aktar rappreżentattiv.L-Eko-Provinċja u l-AEP jistgħu jgħinu biex jistabbilixxu qafas ta 'monitoraġġ adattat għall-valutazzjoni tal-bidliet globali, minħabba li l-permess tal-provinċji biex jivvalutaw fejn it-teħid ta' kampjuni fuq il-post jista 'jipprovdi għarfien ewlieni.Il-metodu SAGE jista' jiġi żviluppat aktar biex jiġi applikat għad-dejta tal-klima biex tiġi vvalutata l-varjabbiltà li tiffranka l-ħin.
Is-suċċess tal-metodu SAGE jinkiseb permezz ta 'applikazzjoni bir-reqqa ta' metodi tax-xjenza tad-dejta/ML u għarfien speċifiku għad-dominju.Speċifikament, t-SNE jintuża biex iwettaq tnaqqis tad-dimensjonalità, li jippreserva l-istruttura tal-kovarjanza ta 'dejta ta' dimensjoni għolja u jiffaċilita l-viżwalizzazzjoni tat-topoloġija tal-kovarjanza.Id-dejta hija rranġata fil-forma ta 'strixxi u kovarjanzi (Figura 2A), li tindika li miżuri purament ibbażati fuq id-distanza (bħal K-means) mhumiex xierqa minħabba li normalment jużaw distribuzzjoni bażi Gaussian (ċirkolari) (diskuss fin-Nota S2) .Il-metodu DBSCAN huwa adattat għal kwalunkwe topoloġija ta 'kovarjanza.Sakemm tagħti attenzjoni lill-issettjar tal-parametri, tista 'tiġi pprovduta identifikazzjoni affidabbli.L-ispiża komputazzjonali tal-algoritmu t-SNE hija għolja, li tillimita l-applikazzjoni attwali tagħha għal ammont akbar ta 'dejta, li jfisser li huwa diffiċli li tapplika għal oqsma profondi jew li jvarjaw fil-ħin.Ix-xogħol fuq l-iskalabbiltà tat-t-SNE għadu għaddej.Peress li d-distanza KL hija faċli biex tiġi parallelizzata, l-algoritmu t-SNE għandu potenzjal tajjeb għall-espansjoni fil-futur (35).S'issa, metodi promettenti oħra ta 'tnaqqis tad-dimensjonijiet li jistgħu jnaqqsu aħjar id-daqs jinkludu tekniki ta' approssimazzjoni u projezzjoni tal-manifold unifikati (UMAP), iżda hija meħtieġa evalwazzjoni fil-kuntest tad-dejta tal-oċeani.It-tifsira ta 'skalabbiltà aħjar hija, pereżempju, il-klassifikazzjoni tal-klimi globali jew mudelli b'kumplessità differenti fuq saff imħallat.Żoni li jonqsu milli jiġu kklassifikati minn SAGE fi kwalunkwe provinċja jistgħu jitqiesu bħala t-tikek suwed li jifdal fil-Figura 2A.Ġeografikament, dawn iż-żoni huma prinċipalment f'żoni staġjonali ħafna, li jissuġġerixxi li l-qbid ta 'provinċji ekoloġiċi li jinbidlu maż-żmien se jipprovdi kopertura aħjar.
Sabiex jinbena l-metodu SAGE, intużaw ideat minn sistemi kumplessi / xjenza tad-dejta, bl-użu tal-abbiltà li tiddetermina gruppi ta 'gruppi funzjonali (il-possibbiltà li tkun qrib ħafna fi spazju 11-dimensjonali) u tiddetermina provinċji.Dawn il-provinċji juru volumi speċifiċi fl-ispazju tal-fażi 3D t-SNE tagħna.Bl-istess mod, il-parti Poincaré tista 'tintuża biex tevalwa l-"volum" tal-ispazju tal-istat okkupat mit-trajettorja biex tiddetermina l-imġieba "normali" jew "kaotika" (36).Għall-output tal-mudell statiku 11-dimensjonali, il-volum okkupat wara li d-dejta tiġi kkonvertita fi spazju ta 'fażi 3D jista' jiġi spjegat bl-istess mod.Ir-relazzjoni bejn iż-żona ġeografika u ż-żona fl-ispazju tal-fażi 3D mhix sempliċi, iżda tista 'tiġi spjegata f'termini ta' xebh ekoloġiku.Għal din ir-raġuni, hija ppreferuta l-miżura tad-differenza BC aktar konvenzjonali.
Ix-xogħol fil-futur ser juża mill-ġdid il-metodu SAGE għal data li tinbidel staġjonalment biex tevalwa l-varjabbiltà spazjali tal-provinċji identifikati u l-AEP.L-għan futur huwa li jintuża dan il-metodu biex jgħin jiddetermina liema provinċji jistgħu jiġu determinati permezz ta 'kejl bis-satellita (bħal Chl-a, riflessività ta' telerilevament u temperatura tal-wiċċ tal-baħar).Dan se jippermetti valutazzjoni tar-remote sensing tal-komponenti ekoloġiċi u monitoraġġ flessibbli ħafna tal-provinċji ekoloġiċi u l-varjabbiltà tagħhom.
L-għan ta 'din ir-riċerka huwa li tintroduċi l-metodu SAGE, li jiddefinixxi provinċja ekoloġika permezz tal-istruttura unika tal-komunità tal-plankton tagħha.Hawnhekk, se tiġi pprovduta informazzjoni aktar dettaljata dwar il-mudell fiżiku/bijoġeokimiku/ekosistema u l-għażla tal-parametri tal-algoritmi t-SNE u DBSCAN.
Il-komponenti fiżiċi tal-mudell jiġu mill-istima taċ-ċirkolazzjoni tal-oċeani u l-klima [ECCOv4;(37) l-istima tal-istat globali deskritta minn (38).Ir-riżoluzzjoni nominali tal-istima tal-istat hija 1/5.Il-metodu tal-inqas kwadri bil-metodu multiplikatur Lagrangian jintuża biex jinkisbu l-kundizzjonijiet inizjali u tal-konfini u l-parametri interni tal-mudell aġġustati bl-osservazzjoni, u b'hekk jiġġenera mudell taċ-ċiklu ġenerali tal-MIT (MITgcm) li jaħdem b'xejn (MITgcm) (39), il-mudell Wara l-ottimizzazzjoni, ir-riżultati jistgħu jiġu ssorveljati u osservati.
Il-bijoġeokimika/ekosistema għandha deskrizzjoni aktar kompleta (jiġifieri ekwazzjonijiet u valuri tal-parametri) f'(2).Il-mudell jaqbad iċ-ċirkolazzjoni ta 'C, N, P, Si u Fe permezz ta' għadajjar inorganiċi u organiċi.Il-verżjoni użata hawn tinkludi 35 speċi ta 'phytoplankton: 2 speċi ta' mikroprokarjoti u 2 speċi ta 'mikroewkarjoti (adattati għal ambjenti b'nutrijenti baxxi), 5 speċi ta 'Cryptomonas sphaeroides (b'kisja ta' karbonat tal-kalċju), 5 speċi ta 'diazonium (Jista' jiffissa n-nitroġenu, għalhekk mhuwiex limitat) id-disponibbiltà ta 'nitroġenu inorganiku maħlul), 11-il diatomema (li jiffurmaw kopertura siliċi), 10 flagellati veġetattivi mħallta (jistgħu photosynthesize u jieklu plankton ieħor) u 16 Zooplankton (jirgħu fuq plankton ieħor).Dawn jissejħu "gruppi funzjonali bijoġeokimiċi" minħabba li għandhom effetti differenti fuq il-bijoġeokimika tal-baħar (40, 41) u spiss jintużaw fl-osservazzjoni u studji tal-mudell.F'dan il-mudell, kull grupp funzjonali huwa magħmul minn diversi planktons ta 'daqsijiet differenti, b'medda ta' 0.6 sa 2500 μm dijametru sferiku ekwivalenti.
Il-parametri li jaffettwaw it-tkabbir, ir-ragħa u l-għarqa tal-fitoplankton huma relatati mad-daqs, u hemm differenzi speċifiċi bejn is-sitt gruppi funzjonali tal-fitoplankton (32).Minkejja l-oqfsa fiżiċi differenti, ir-riżultati tal-51 komponent tal-plankton tal-mudell intużaw f'numru ta 'studji reċenti (42-44).
Mill-1992 sal-2011, il-mudell tal-akkoppjar fiżiku/bijoġeokimiku/ekosistema dam għal 20 sena.L-output tal-mudell jinkludi bijomassa tal-plankton, konċentrazzjoni ta 'nutrijenti u rata ta' provvista ta 'nutrijenti (DIN, PO4, Si u Fe).F'dan l-istudju, il-medja ta' 20 sena ta' dawn l-outputs intużat bħala l-input tal-Provinċja Ekoloġika.Chl, id-distribuzzjoni tal-bijomassa tal-plankton u l-konċentrazzjoni tan-nutrijenti u d-distribuzzjoni tal-gruppi funzjonali huma mqabbla ma 'osservazzjonijiet bis-satellita u in-situ [ara (2, 44), Nota S1 u l-figura.S1 sa S3].
Għall-metodu SAGE, is-sors ewlieni ta 'randomness ġej mill-pass t-SNE.Randomness tfixkel ir-ripetibbiltà, li jfisser li r-riżultati mhumiex affidabbli.Il-metodu SAGE jittestja b'mod rigoruż ir-robustezza billi jiddetermina sett ta 'parametri ta' t-SNE u DBSCAN, li jistgħu jidentifikaw gruppi b'mod konsistenti meta jiġu ripetuti.Id-determinazzjoni tal-"perplessità" tal-parametru t-SNE tista' tinftiehem bħala d-determinazzjoni tal-grad sa liema l-immappjar minn dimensjonijiet għoljin għal baxxi għandu jirrispetta l-karatteristiċi lokali jew globali tad-dejta.Laħqet il-konfużjoni ta '400 u 300 iterazzjoni.
Għall-algoritmu ta 'raggruppament DBSCAN, id-daqs minimu u l-metrika tad-distanza tal-punti tad-dejta fil-cluster jeħtieġ li jiġu determinati.In-numru minimu huwa determinat taħt il-gwida ta 'esperti.Dan l-għarfien jaf x'jaqbel mal-qafas u r-riżoluzzjoni attwali tal-immudellar numeriku.In-numru minimu huwa 100. Valur minimu ogħla (inqas minn <135 qabel ma l-limitu ta 'fuq ta' aħdar isir usa ') jista' jiġi kkunsidrat, iżda ma jistax jissostitwixxi l-metodu ta 'aggregazzjoni bbażat fuq in-nuqqas ta' xebh BC.Il-grad ta 'konnessjoni (Figura 6A) jintuża biex jissettja l-parametru ϵ, li jwassal għal kopertura ogħla (Figura 6B).Il-konnettività hija definita bħala n-numru kompost ta 'clusters u hija sensittiva għall-parametru ϵ.Konnettività aktar baxxa tindika twaħħil insuffiċjenti, li r-reġjuni jiġbru flimkien b'mod artifiċjali.Konnettività għolja tindika żżejjed.It-twaħħil żejjed huwa wkoll problematiku, minħabba li juri li l-ipoteki inizjali każwali jistgħu jwasslu għal riżultati mhux riproduċibbli.Bejn dawn iż-żewġ estremi, żieda qawwija (ġeneralment imsejħa "minkeb") tindika l-aħjar ϵ.Fil-Figura 6A, tara żieda qawwija fiż-żona tal-plateau (isfar,> 200 clusters), segwita minn tnaqqis qawwi (aħdar, 100 clusters), sa madwar 130, imdawwar bi ftit clusters (blu, <60 clusters) ).F'mill-inqas 100 żona blu, jew raggruppament wieħed jiddomina l-oċean kollu (ϵ <0.42), jew il-biċċa l-kbira tal-oċean mhuwiex ikklassifikat u jitqies bħala storbju (ϵ> 0.99).Iż-żona safra għandha distribuzzjoni ta' cluster varjabbli ħafna u li ma tistax tiġi riprodotta.Hekk kif ϵ jonqos, il-ħoss jiżdied.Iż-żona ħadra li qed tiżdied f'daqqa tissejjaħ minkeb.Dan huwa reġjun ottimali.Għalkemm tintuża l-probabbiltà t-SNE, id-differenza BC fi ħdan il-provinċja xorta tista 'tintuża biex tiddetermina raggruppament affidabbli.Bl-użu tal-Figura 6 (A u B), issettja ϵ għal 0.39.Iktar ma jkun kbir in-numru minimu, iżgħar tkun il-probabbiltà li tintlaħaq il-ϵ li tippermetti klassifikazzjoni affidabbli, u akbar tkun iż-żona ħadra b'valur akbar minn 135. It-tkabbir ta 'din iż-żona jindika li l-minkeb se jkun aktar diffiċli biex jinstab jew mhux eżistenti.
Wara li jiġu stabbiliti l-parametri ta 't-SNE, in-numru totali ta' raggruppamenti misjuba se jintuża bħala miżura ta 'konnettività (A) u l-perċentwal ta' dejta allokata lill-cluster (B).It-tikka ħamra tindika l-aħjar kombinazzjoni ta 'kopertura u konnettività.In-numru minimu huwa stabbilit skond in-numru minimu relatat mal-ekoloġija.
Għal materjali supplimentari għal dan l-artikolu, jekk jogħġbok ara http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/22/eaay4740/DC1
Dan huwa artiklu ta' aċċess miftuħ imqassam taħt it-termini tal-Liċenzja ta' Attribuzzjoni Creative Commons.L-artiklu jippermetti użu, distribuzzjoni, u riproduzzjoni mingħajr restrizzjonijiet fi kwalunkwe mezz taħt il-kundizzjoni li x-xogħol oriġinali jiġi kkwotat kif suppost.
Nota: Nitolbuk biss tipprovdi l-indirizz elettroniku tiegħek sabiex il-persuna li tirrakkomanda lill-paġna tkun taf li trid li tara l-email u li mhix spam.Aħna mhux se naqbdu l-ebda indirizz elettroniku.
Din il-mistoqsija tintuża biex tittestja jekk intix viżitatur u tevita s-sottomissjoni awtomatika ta' spam.
Il-Ministeru Globali tal-Ekoloġija tal-Baħar huwa determinat li jsolvi problemi kumplessi u juża ML mhux sorveljat biex jesplora strutturi komunitarji.
Il-Ministeru Globali tal-Ekoloġija tal-Baħar huwa determinat li jsolvi problemi kumplessi u juża ML mhux sorveljat biex jesplora strutturi komunitarji.
Ħin tal-post: Jan-12-2021