Gözegçiliksiz okuw usuly, plankton jemgyýetiniň gurluşyna we ýokumly akym maglumatlaryna esaslanýan global deňiz ekologiki welaýatlaryny (eko-welaýatlary) kesgitlemek teklip edilýär.Ulgamlaýyn integrirlenen ekologiki welaýat (SAGE) usuly, ýokary çyzykly ekosistema modellerinde ekologiki welaýatlary kesgitläp biler.Maglumatlaryň Gauss däl birleşmesine uýgunlaşmak üçin SAGE ölçeg derejesini peseltmek üçin t tötänleýin goňşy goýmagy (t-SNE) ulanýar.Dykyzlyga esaslanýan giňişlik toparlanyşygy (DBSCAN) algoritmine esaslanýan ses programmasynyň kömegi bilen ýüzden gowrak ekologiki welaýaty kesgitläp bolýar.Ekologiki tapawutlar bilen baglanyşyk kartasyny uzak aralyk ölçegi hökmünde ulanyp, berk ekologik welaýat (AEP) höwürtgelenen ekologiki welaýatlar arkaly obýektiw kesgitlenýär.AEP-leri ulanyp, jemgyýetiň gurluşyna ýokumly üpjünçiligiň derejesine gözegçilik edildi.Eko-welaýat we AEP özboluşly we modeli düşündirmäge kömek edip biler.Modelleriň arasyndaky deňeşdirmeleri ýeňilleşdirip bilerler we deňiz ekosistemalaryna düşünmegi we gözegçiligi güýçlendirip bilerler.
Welaýatlar deňizdäki ýa-da gury ýerdäki çylşyrymly biogeografiýanyň sazlaşykly we manyly ýerlere bölünen sebitleridir (1).Bu welaýatlar, gözegçilikleri, gözegçiligi we goragy häsiýetlendirýän ýerleri deňeşdirmek we gapma-garşy etmek üçin örän möhümdir.Bu welaýatlary öndürýän çylşyrymly we çyzykly däl täsirler, gözegçilik edilmedik maşyn öwrenmek (ML) usullaryny welaýatlary obýektiw kesgitlemek üçin örän amatly edýär, sebäbi maglumatlardaky ylalaşyk çylşyrymly we Gauss däl.Bu ýerde Darwin global üç ölçegli (3D) fiziki / ekosistema modelinden (2) täsin deňiz ekologiki welaýatlaryny (eko-welaýatlary) yzygiderli kesgitleýän ML usuly teklip edilýär.“Üýtgeşik” adalgasy kesgitlenen sebitiň beýleki sebitler bilen ýeterlik derejede gabat gelmeýändigini görkezmek üçin ulanylýar.Bu usula Ulgam toplumlaýyn ekologiki welaýat (SAGE) usuly diýilýär.Peýdaly klassifikasiýany amala aşyrmak üçin algoritm usuly (i) global klassifikasiýa we (ii) giňişlikde we wagtda höwürtgelenip / jemlenip bilinjek köp ölçegli derňewlere rugsat bermeli (3).Bu gözlegde ilki bilen SAGE usuly teklip edildi we kesgitlenen ekologiki welaýatlar ara alnyp maslahatlaşyldy.Eko-welaýatlar jemgyýetiň gurluşyna gözegçilik edýän faktorlara düşünmäge kömek edip biler, gözegçilik strategiýalary üçin peýdaly düşünjeleri berip biler we ekosistemadaky üýtgeşmeleri yzarlamaga kömek edip biler.
Welaýat welaýatlary, adatça, howanyň (ýagyş we temperatura), toprakda, ösümliklerde we haýwanat dünýäsinde meňzeşliklere görä toparlara bölünýär we kömekçi dolandyryş, biodürlüligi öwrenmek we kesellere gözegçilik etmek üçin ulanylýar (1, 4).Deňiz welaýatlaryny kesgitlemek has kyn.Organizmleriň köpüsi, suwuk araçäkleri bolan mikroskopikdir.Longhurst we başgalar.(5) Okeanografiýa ministrliginiň daşky gurşaw şertlerine esaslanýan ilkinji global klassifikasiýalarynyň birini berdi.Bu “Longhurst” welaýatlarynyň kesgitlemesinde garyşyk tizligi, gatlak we ýalňyşlyk ýaly üýtgeýjiler, şeýle hem Longhurstyň deňiz ekosistemalary üçin beýleki möhüm şertleri bolan deňiz okeanografy hökmünde baý tejribesi bar.Longhurst, ilkinji önümçilige we uglerod akymlaryna baha bermek, balykçylyga kömek bermek we situasiýa gözegçilik çärelerini meýilleşdirmek üçin giňden ulanyldy (5-9).Welaýatlary has obýektiw kesgitlemek üçin, bulaşyk logika we sebitleýin gözegçilik edilmedik toparlara bölüniş / statistika ýaly usullar ulanyldy (9-14).Şeýle usullaryň maksady, bar bolan synlaýyş maglumatlarynda welaýatlary kesgitläp biljek manyly gurluşlary kesgitlemekdir.Mysal üçin, dinamiki deňiz welaýatlary (12) sesleri azaltmak üçin öz-özüni düzýän kartalary ulanýarlar we sebit emeli hemralaryndan [hlorofil a (Chl-a), kadalaşdyrylan Floresan çyzygynyň beýikligi we deňiz reňk önümlerini kesgitlemek üçin iýerarhiki (agaç esasly) toparlary ulanýarlar. reňkli erän organiki maddalar] we fiziki meýdan (deňiz üstündäki temperatura we duzlulyk, mutlak dinamiki topografiýa we deňiz buzy).
Planktonyň jemgyýetçilik gurluşy aladalandyrýar, sebäbi ekologiýasy ýokumly maddalaryň ýokary derejesine, uglerodyň siňdirilmegine we howasyna uly täsir edýär.Muňa garamazdan, plankton jemgyýetiniň gurluşyna esaslanýan global ekologiki welaýaty kesgitlemek henizem kyn we düşnüksiz maksat.Deňiz reňkli emeli hemralar fitoplanktonyň gödek däneli klassifikasiýasy barada düşünje berip biler ýa-da funksional toparlaryň artykmaçlyklaryny teklip edip biler (15), emma häzirki wagtda jemgyýetiň gurluşy barada jikme-jik maglumat berip bilmeýärler.Soňky gözlegler [mysal üçin Tara Okean (16)] jemgyýetçilik gurluşynyň görlüp-eşidilmedik ölçeglerini üpjün edýär;häzirki wagtda dünýä derejesinde diňe seýrek ýagdaýlarda synlar bar (17).Öňki gözlegler biohimiki meňzeşlikleri (esasy önümçilik, Chl we elýeterli ýagtylyk ýaly) kesgitlemek esasynda “Biogeohimiýa welaýatyny” (12, 14, 18) kesgitledi.Bu ýerde san modeli [Darwin (2)] öndürmek üçin ulanylýar we ekologiki welaýat jemgyýetiň gurluşyna we ýokumly akymyna görä kesgitlenýär.Bu gözlegde ulanylýan san modeli global gurşawy öz içine alýar we bar bolan meýdan maglumatlary (17) we uzakdan duýgur meýdanlary (S1 belligi) bilen deňeşdirip bolar.Bu gözlegde ulanylýan san model maglumatlary global gurşawyň artykmaçlygyna eýe.Model ekosistemasy fitoplanktonyň 35 görnüşinden we zooplanktonyň 16 görnüşinden ybarat (materiallara we usullara serediň).Model plankton görnüşleri, Gauss däl kowariýa gurluşlary bilen çyzykly täsir edýär, şonuň üçin ýönekeý anyklaýyş usullary döreýän jemgyýetçilik gurluşlarynda üýtgeşik we yzygiderli nagyşlary kesgitlemek üçin amatly däl.Bu ýerde girizilen SAGE usuly, Darwin çylşyrymly modelleriniň çykyşyny barlamagyň täze usuly bilen üpjün edýär.
Maglumat ylmy / ML tehnologiýasynyň kuwwatly özgerdiş mümkinçilikleri, gaty çylşyrymly model çözgütlerine maglumat kovariansynda çylşyrymly, ýöne berk gurluşlary ýüze çykarmaga mümkinçilik berip biler.Ygtybarly usul, belli bir ýalňyşlyk aralygynda netijeleri wepalylyk bilen köpeldip biljek usul hökmünde kesgitlenýär.Simpleönekeý ulgamlarda-da ygtybarly nagyşlary we signallary kesgitlemek kyn bolup biler.Syn edilen nagşa alyp barýan esas kesgitlenýänçä, ýüze çykýan çylşyrymlylyk çylşyrymly / çözmek kyn bolup biler.Ekosistemanyň düzümini kesgitlemegiň esasy prosesi tebigatda çyzykly däl.Çyzykly däl täsirleriň bolmagy ygtybarly klassifikasiýany bulaşdyryp biler, şonuň üçin maglumatlar kovariansynyň esasy statistik paýlanyşy barada güýçli çaklamalary öňe sürýän usullardan gaça durmaly.Okeanografiýada ýokary ölçegli we çyzykly däl maglumatlar giňden ýaýrandyr we çylşyrymly, Gauss däl topologiýasy bilen birleşýän gurluşa eýe bolup biler.Gauss däl kowariýa gurluşy bolan maglumatlar ygtybarly klassifikasiýa päsgel berip bilse-de, SAGE usuly täze, sebäbi ol özbaşdak topologiýalar bilen toparlary kesgitlemek üçin döredildi.
SAGE usulynyň maksady, mundan beýläk ekologiki düşünişmäge kömek edip biljek ýüze çykýan nagyşlary obýektiw kesgitlemekdir.(19) meňzeş klaster esasly iş prosesinden soň, ekologiki welaýat diýlip atlandyrylýan maglumatlaryň ýeke-täk toparyny kesgitlemek üçin ekologiki we ýokumly akym üýtgeýjileri ulanylýar.Bu gözlegde teklip edilen SAGE usuly (1-nji surat) ilki bilen kesgitlenýän plankton funksional toparlaryny jemlemek bilen ölçegleri 55-den 11-e çenli peseldýär (Seret materiallar we usullar).T-tötänleýin goňşy ornaşdyrmak (t-SNE) usulyny ulanyp, ähtimallygyny 3D giňişligine proýektirlemek arkaly ululygy hasam azalýar.Gözegçilik edilmeýän toparlar, ekologiýa taýdan ýakyn ýerleri kesgitläp biler [ses esasly programmalar üçin dykyzlyk esasly giňişlik toparlanyşygy (DBSCAN)].T-SNE we DBSCAN ikisi hem çyzykly däl ekosistemanyň san model maglumatlaryna degişlidir.Soňra ýüze çykan ekologiki welaýaty ýer ýüzüne ýazyň.Sebitleýin gözleg üçin amatly ýüzden gowrak ekologiki welaýat kesgitlenildi.Global derejede yzygiderli ekosistemanyň modeline garamak üçin SAGE usuly, ekologiki welaýatlaryň netijeliligini ýokarlandyrmak üçin ekologiki welaýatlary jemlenen ekologiki welaýatlara (AEP) jemlemek üçin ulanylýar.Toplumyň derejesi (“çylşyrymlylyk” diýilýär) zerur jikme-jiklik derejesine sazlanyp bilner.Ygtybarly AEP-iň iň pes çylşyrymlylygyny kesgitläň.Saýlawyň esasy maksady, SAGE usuly we adatdan daşary ýagdaý gurluşynyň gözegçiligini kesgitlemek üçin iň çylşyrymly AEP ýagdaýlaryny öwrenmek.Soňra nagyşlar ekologiki düşünje bermek üçin derňelip bilner.Bu ýerde girizilen usul, modelleri deňeşdirmek üçin has giňden ulanylyp bilner, mysal üçin, dürli modellerde tapylan meňzeş ekologiki welaýatlaryň ýerleşýän ýerlerine baha bermek arkaly tapawutlary we meňzeşlikleri görkezmek we modelleri deňeşdirmek üçin ulanylyp bilner.
(A) Ekologiki welaýaty kesgitlemek üçin iş prosesiniň shemasy;funksional topardaky jemini ulanyp, asyl 55 ölçegli maglumatlary 11 ölçegli model çykyşyna çenli azaltmak üçin, ýedi sany funksional / ýokumly planktonyň biomassasyny we dört sany iýmit üpjünçiliginiň derejesini öz içine alýar.Ujypsyz bahasy we çydamly buz örtügi.Maglumatlar standartlaşdyryldy we standartlaşdyryldy.Statistik taýdan meňzeş aýratynlyk kombinasiýalaryny görkezmek üçin t-SNE algoritmine 11 ölçegli maglumat beriň.DBSCAN parametr bahasyny kesgitlemek üçin klasteri üns bilen saýlar.Ahyrynda maglumatlary giňişlik / uzynlyk proýeksiýasyna gönükdiriň.Bu amalyň 10 gezek gaýtalanýandygyny ýadyňyzdan çykarmaň, sebäbi t-SNE ulanyp azajyk tötänlik döräp biler.(B) iş prosesini (A) 10 gezek gaýtalap, AEP-i nädip almalydygyny düşündirýär.Bu 10 ýerine ýetirişiň her biri üçin 51 fitoplankton görnüşiniň biomassasy esasynda welaýatara Bray-Curtis (BC) meňzeşlik matrisasy kesgitlenildi.Welaýatlaryň arasyndaky BC tapawudyny kesgitläň, 1 AEP çylşyrymlylykdan doly çylşyrymlylyga çenli 115. BC ölçegi Longhurst welaýaty tarapyndan kesgitlenýär.
SAGE usuly, ekologiki welaýaty kesgitlemek üçin global 3D fiziki / ekosistemanyň san modeliniň çykyşyny ulanýar [Darwin (2);materiallar we usullar we S1 belligi] serediň.Ekosistemanyň düzüm bölekleri fitoplanktonyň 35 görnüşinden we zooplanktonyň 16 görnüşinden ybarat, ýedi sany öňünden kesgitlenen funksional topar: az iýmitlenýän şertlere uýgunlaşdyrylan prokaryotlar we eukariotlar, kalsiý karbonat örtügi bilen koksidiýa we azotly azot ýokumly maddalar (adatça ýok) möhüm iýmit maddalary), siliksi örtük bilen beýleki plankton fotosintezini we otlaýan garyşyk iýmit baýdaklaryny we zooplankton çopanlaryny ýasap biler.Ölçeg aralygy 0,6-2500μm ekwiwalent sferiki diametri.Fitoplankton ululygynyň nusga paýlanyşy we funksional toparlaşdyryş hemrada we ýerdäki gözegçiliklerde görlen umumy aýratynlyklary alýar (S1-den S3 suratlara serediň).San modeli bilen synlanan ummanyň arasyndaky meňzeşlik, model bilen kesgitlenen welaýatlaryň in-okeana degişlidigini görkezýär.Bu modeliň diňe fitoplanktonyň dürli dürlüligini we situ ummanynda diňe fiziki we himiki zorluk aralyklaryny alýandygyny ýadyňyzdan çykarmaň.SAGE usuly adamlara nusgalyk jemgyýetçilik gurluşynyň ýokary sebitleýin dolandyryş mehanizmine has gowy düşünmäge mümkinçilik berip biler.
Her plankton funksional toparyna diňe ýerüsti biomassanyň jemi (ortaça 20 ýyl bilen) goşmak bilen, maglumatlaryň ölçegleri peselip biler.Öňki gözlegler jemgyýetiň gurluşyny döretmekde esasy roluny görkezenden soň, ýokumly akymlar (azot, demir, fosfat we kremniy kislotasy bilen üpjün etmek) üçin ýerüsti çeşme terminlerini hem öz içine alýardy (mysal üçin (20, 21)].Funksiýa toparlarynyň jemlenmegi meseläni 55 (51 plankton we 4 ýokumly akym) -dan 11 ölçege çenli azaldar.Bu başlangyç gözlegde, algoritm tarapyndan girizilen hasaplama çäklendirmeleri sebäpli çuňlugy we wagtyň üýtgemegi göz öňünde tutulmady.
SAGE usuly çyzykly däl prosesler bilen funksional topar biomassasy bilen ýokumly akymyň arasyndaky täsirleriň esasy aýratynlyklarynyň arasynda möhüm gatnaşyklary kesgitlemäge ukyplydyr.Ucewklidiň uzak aralyk okuw usullaryna esaslanýan 11 ölçegli maglumatlary ulanmak (K-serişdeleri ýaly) ygtybarly we köpelip bilýän welaýatlary alyp bilmez (19, 22).Sebäbi ekologiki welaýaty kesgitleýän esasy elementleriň bileleşiginiň esasy paýlanyşynda hiç bir Gauss şekili tapylmaýar.Woronoi öýjükleriniň K-serişdeleri (göni çyzyklar) Gauss däl esasy paýlanyşyny saklap bilmeýär.
Sevenedi plankton funksional toparyň we dört iýmit akymynyň biomassasy 11 ölçegli wektor x emele getirýär.Şonuň üçin x model setindäki wektor meýdanydyr, bu ýerde her elementi x gorizontal gözenekde kesgitlenen 11 ölçegli wektory aňladýar.Her indeks, sferadaky (lon, lat) = (ϕi, θi) gözenegiň nokadyny özboluşly kesgitleýär.Model gözenegiň birliginiň biomassasy 1,2 × 10-3mg Chl / m3-den pes bolsa ýa-da buz bilen örtügi 70% -den ýokary bolsa, biomassanyň maglumatlary gündeligi ulanylýar we taşlanýar.Maglumatlar kadalaşdyrylýar we standartlaşdyrylýar, şonuň üçin ähli maglumatlar [0 bilen 1] aralygynda bolýar, ortaça aýyrylýar we birlik görnüşine çenli ulalýar.Bu aýratynlyklaryň (biomassanyň we ýokumly akymlaryň) mümkin bolan bahalaryň diapazonyndaky kontrast bilen çäklenmezligi üçin edilýär.Klasterleşme, üýtgeýän gatnaşyklary geografiki aralykdan däl-de, aýratynlyklaryň arasyndaky esasy ähtimallyk aralygyndan almaly.Bu aralyklary kesgitlemek bilen möhüm aýratynlyklar ýüze çykýar, gereksiz jikme-jiklikler bolsa taşlanýar.Ekologiki nukdaýnazardan seredeniňde, bu zerurdyr, sebäbi az biomassasy bolan fitoplanktonyň käbir görnüşleri, diazotrofik bakteriýalar tarapyndan azotyň kesgitlenmegi ýaly has köp biogeohimiki täsirleri bolup biler.Maglumatlar standartlaşdyrylanda we kadalaşdyrylanda, bu görnüşli kovariatlar görkeziler.
Pes ölçegli şekillendirişde ýokary ölçegli giňişlikdäki aýratynlyklaryň ýakynlygyny bellemek bilen, bar bolan şuňa meňzeş sebitleri has düşnükli etmek üçin t-SNE algoritmi ulanylýar.Uzakdan duýgur programmalar üçin çuň nerw ulgamlaryny gurmaga gönükdirilen öňki iş, esasy aýratynlyklary aýyrmak ussatlygyny subut eden t-SNE ulandy (23).Bu, birleşdirilmedik çözgütlerden gaça durmak bilen aýratynlyk maglumatlarynda ygtybarly toparlanyşy kesgitlemek üçin zerur ädimdir (S2 belligi).Gauss ýadrosyny ulanyp, t-SNE her ýokary ölçegli obýekti 3D faza giňişliginde bir nokada düzmek arkaly maglumatlaryň statistik aýratynlyklaryny saklaýar we şeýlelik bilen ýokary we pes ugurlarda şuňa meňzeş obýektleriň ähtimallygynyň ýokarydygyny üpjün edýär. ölçegli giňişlik (24).N1,…, xN ýokary ölçegli obýektleriň toplumyny göz öňünde tutup, t-SNE algoritmi Kullback-Leibler (KL) tapawudyny azaltmak arkaly azalýar (25).KL tapawudy, ähtimallyk paýlanyşynyň ikinji salgylanma ähtimallygynyň paýlanyşyndan näderejede tapawudynyň ölçegidir we ýokary ölçegli aýratynlyklaryň pes ölçegli wekilçilikleriniň arasynda korrelýasiýa mümkinçiligine netijeli baha berip biler.Eger x ölçegli giňişlikde i-nji obýekt bolsa, xj N ölçegli giňişlikde j-obýekt, yi pes ölçegli giňişlikde i-nji obýekt, yj pes j-j obýekti ölçegli giňişlik, soň t -SNE meňzeşlik ähtimallygyny kesgitleýär ppj∣i = exp (-∥xi-xj∥2 / 2σi2) ∑k ≠ iexp (-∥xi-xk∥2 / 2σi2) we ölçeg peseltmek toplumy üçin q∣j = (1+ ∥ yi-yj∥2) -1∑k ≠ i (1 + ∥yj-yk∥2) -1
2A suratda 11 ölçegli kombinasiýanyň biomassasyny we ýokumly akym wektorlaryny 3D-e azaltmagyň täsiri görkezilýär.T-SNE-ni ulanmagyň höwesini, esasy komponent derňewiniň (PCA) höwesi bilen deňeşdirip bolar, maglumatlaryň sebtini / atributyny bellemek üçin ölçeg atributyny ulanýar we şeýlelik bilen ölçeg derejesini peseldýär.T-SNE usuly, Eko-ministrlik üçin ygtybarly we köpelip boljak netijeleri bermekde PCA-dan has ýokarydygy anyklandy (S2 belligine serediň).Munuň sebäbi PCA-nyň ortogonallyk çaklamasy, ýokary çyzykly däl interaktiw aýratynlyklaryň arasyndaky möhüm täsirleri kesgitlemek üçin laýyk däl bolmagy mümkin, sebäbi PCA çyzykly kovarian gurluşlaryna ünsi jemleýär (26).Uzakdan duýgur maglumatlary ulanmak, Lunga we ş.m.(27) Gaussyň paýlanyşyndan daşlaşýan çylşyrymly we çyzykly spektral aýratynlyklary görkezmek üçin SNE usulyny nädip ulanmalydygyny görkezýär.
(A) T-SNE algoritmi bilen çyzylan we DBSCAN ulanyp welaýat tarapyndan reňklenen iýmitleniş derejesi, fitoplankton we zooplankton funksional topar biomassasy.Her nokat, 6B suratda görkezilişi ýaly ýokary ölçegli giňişlikdäki bir nokady aňladýar, köp nokatlar ele alynýar.Şahtalar 1, 2 we 3 ululykdaky “t-SNE” degişlidir. (B) DBSCAN tarapyndan gelip çykan giňişlik uzynlygy gözeneginde welaýatyň geografiki proýeksiýasy.Reňk islendik reňk hökmünde kabul edilmelidir, ýöne (A) gabat gelmelidir.
2A-njy suratda t-SNE dargamakdaky nokatlar degişlilikde giňişlik we uzynlyk bilen baglanyşyklydyr.2A suratdaky iki nokat biri-birine ýakyn bolsa, olaryň biomassasy we ýokumly akymlary geografiki ýakynlyk sebäpli däl-de, meňzeşligidir.2A suratdaky reňkler, DBSCAN usuly bilen tapylan toparlardyr (28).Dykyz synlamalar gözlenende, DBSCAN algoritmi nokatlaryň arasyndaky 3D şekillendiriş aralygyndan peýdalanýar (ϵ = 0.39; bu saýlaw barada maglumat üçin materiallara we usullara serediň) we topary kesgitlemek üçin şuňa meňzeş nokatlaryň sany talap edilýär (şu ýerde) 100 bal, ýokarda serediň).DBSCAN usuly, aşakda görkezilişi ýaly maglumatlardaky toparlaryň görnüşi ýa-da sany barada hiç hili çaklama etmeýär:
3) Içindäki aralykda kesgitlenen ähli nokatlar üçin, klaster araçägini kesgitlemek üçin 2-nji ädimi gaýtalaň.Ballaryň sany bellenen iň pes bahadan köp bolsa, topar hökmünde bellenilýär.
Toparyň iň az agzasyna we aralyk ölçeglerine laýyk gelmeýän maglumatlar “ses” hasaplanýar we reňk berilmeýär.DBSCAN iň erbet ýagdaýda O (n2) öndürijiligi bilen çalt we ulalýan algoritmdir.Häzirki derňew üçin aslynda tötänleýin däl.Ballaryň iň az mukdary bilermenleriň baha bermegi bilen kesgitlenýär.Aralygy sazlandan soň, netije ≈ ± 10 aralygynda ýeterlik derejede durnukly däl.Bu aralyk baglanyşyk (6A surat) we ummanyň örtüginiň göterimi (6B surat) arkaly kesgitlenýär.Baglanyşyk toparlaryň umumy sany hökmünde kesgitlenýär we ϵ parametrine duýgur.Aşaky baglanyşyk sebitleriň emeli usulda toparlanmagynyň ýeterlik däldigini görkezýär.Connectokary birikme artykmaçlygy görkezýär.Has ýokary minimal ulanmak mümkin, ýöne iň pes derejesi ca-dan ýokary bolsa, ygtybarly çözgüt tapmak mümkin däl.135 (Has giňişleýin maglumat üçin materiallara we usullara serediň).
2A suratda görkezilen 115 topar, 2B-nji suratda ýene ýere öwrüler.Her reňk DBSCAN tarapyndan kesgitlenen biogeohimiki we ekologiki faktorlaryň utgaşdyrylan kombinasiýasyna gabat gelýär.Toparlar kesgitlenenden soň, toparlary geografiki sebite gönükdirmek üçin 2A suratdaky her nokadyň belli bir giňişlik we uzynlyk bilen birleşmegi ulanylýar.2B suratda muny 2A surat bilen birmeňzeş topar reňkleri görkezýär.Meňzeş reňkleri ekologiki meňzeşlik hökmünde düşündirmeli däl, sebäbi algoritm tarapyndan toparlaryň tapylmagy tertibi bilen kesgitlenýär.
2B-nji suratdaky meýdan, okeanyň fiziki we / ýa-da biogeohimiýasynda kesgitlenen meýdana hil taýdan meňzeş bolup biler.Mysal üçin, Günorta ummanyň toparlary zona-simmetrik bolup, oligotrofik duralgalar peýda bolýar we ýiti geçiş söwda ýelleriniň täsirini görkezýär.Mysal üçin, ekwatorial Pacificuwaş ummanynda ýokarlanmak bilen baglanyşykly dürli sebitler görünýär.
Eko-welaýatyň ekologiki gurşawyna düşünmek üçin klasterdäki ekologiýa baha bermek üçin “Bray-Curtis” (BC) tapawut indeksiniň (29) üýtgemegi ulanyldy.BC görkezijisi, iki dürli sahypanyň arasyndaky jemgyýetçilik gurluşynyň tapawudyny kesgitlemek üçin ulanylýan statistik maglumatlardyr.BC ölçegi fitoplanktonyň we zooplanktonyň 51 görnüşiniň biomassasyna degişlidir BCninj = 1-2CninjSni + Snj
BCninj ni we nj kombinasiýasynyň arasyndaky meňzeşligi aňladýar, bu ýerde Cninj ni we nj kombinasiýalarynda bar bolan biomassanyň bir görnüşiniň iň pes bahasydyr we Sni ni we Snj kombinasiýalarynda bar bolan biomassanyň jemini aňladýar.BC tapawudy aralyk ölçeglerine meňzeýär, ýöne ekologiki maglumatlar we düşündiriş üçin has amatly bolmagy ähtimal Ewklid däl giňişlikde işleýär.
2B-nji suratda görkezilen her bir topar üçin, welaýatlaryň arasynda we welaýatlar arasyndaky meňzeşlige baha berilip bilner.Bir welaýatyň içindäki BC tapawudy, welaýatyň ortaça bahasy bilen welaýatyň her nokadynyň arasyndaky tapawudy aňladýar.BC welaýatlarynyň arasyndaky tapawut, bir welaýat bilen beýleki welaýatlaryň arasyndaky meňzeşligi aňladýar.3A suratda BC simmetrik matrisa görkezilýär (0, gara: düýbünden laýyk; 1, ak: düýbünden başgaça).Grafadaky her setir maglumatlarda bir nagyş görkezýär.3B suratda, her welaýat üçin 3A suratda BC netijeleriniň geografiki ähmiýeti görkezilýär.Az iýmitlenýän we az iýmitlenýän sebit üçin 3B-nji surat, ekwatoryň we Hindi ummanynyň töweregindäki uly ýerleriň simmetriýasynyň esasan meňzeşdigini, ýöne has ýokary giňişlikleriň we beýik ýerleriň düýpgöter tapawutlydygyny görkezýär.
(A) Miladydan öňki tapawudyň derejesi, her bir welaýat üçin 20 ýyllyk ortaça ýerüsti ortaça 51 plankton esasynda bahalandyryldy.Gymmatlyklaryň garaşylýan simmetriýasyna üns beriň.(B) Sütüniň (ýa-da hataryň) giňişlikdäki proýeksiýasy.Distrofiki töwerekdäki bir welaýat üçin BC meňzeşlik ölçeginiň global paýlanyşyna baha berildi we dünýädäki 20 ýyllyk ortaça baha berildi.Gara (BC = 0) şol bir meýdany, ak (BC = 1) meňzeşligi aňlatmaýar.
4A suratda, 2B suratda her welaýatda miladydan öňki tapawudy görkezilýär.Bir toparda ortaça meýdanyň ortaça utgaşmasyny ulanmak we miladydan öňki döwür bilen welaýatdaky her bir gözenegiň nokadynyň arasyndaky tapawudy kesgitlemek bilen SAGE usulynyň ekologiki meňzeşlik görnüşine esaslanyp 51 görnüşi aýryp biljekdigini görkezýär. nusga maglumatlary.Miladydan öňki 51 görnüşiň umumy ortaça tapawudy 0.102 ± 0,0049.
(A, B we D) Welaýatyň içindäki BC tapawudy, her bir nokat nokady jemgyýeti bilen ortaça welaýatyň arasyndaky BC tapawudy hasaplanýar we çylşyrymlylygy azalmaýar.(2) Welaýat boýunça dünýädäki ortaça ortaça tapawut 0,227 ± 0.117.Bu, bu iş tarapyndan teklip edilen ekologiki höweslendiriş esasly klassifikasiýanyň esasydyr [C).(C) Miladydan öňki welaýatlaryň arasyndaky ortaça tapawut: Gara çyzyk çylşyrymlylygyň ýokarlanmagy bilen welaýatlaryň arasyndaky tapawudy görkezýär.2σ eko-welaýaty kesgitlemek prosesiniň 10 gezek gaýtalanmagyndan gelýär.DBSCAN tarapyndan açylan welaýatlaryň umumy çylşyrymlylygy üçin, (A) welaýatda miladydan öňki tapawudyň 0.099, (C) tarapyndan teklip edilen çylşyrymlylyk klassifikasiýasynyň bolsa 12 bolandygyny görkezýär, netijede welaýatda BC-den 0.200 tapawutlanýar.suratdan görnüşi ýaly.(D)
4B suratda, Longhurst welaýatynda miladydan öňki ekwiwalent tapawudy görkezmek üçin 51 sany plankton görnüşiniň biomassasy ulanylýar.Her welaýatyň ortaça ortaça mukdary 0.227, BC welaýatynyň tapawudyna salgylanyp, gözenegiň nokatlarynyň adaty gyşarmasy 0.046.Bu, 1B suratda görkezilen topardan has uludyr.Muňa derek, ýedi sany funksional toparyň jemini ulanyp, Longhurstda miladydan öňki möwsümdäki ortaça tapawudy 0,232-e ýetdi.
Global eko-welaýat kartasy, täsin ekologiki täsirleriň çylşyrymly jikme-jikliklerini hödürleýär we Longhurst welaýatynyň ähli ekosistemanyň gurluşyny ulanmakda gowulaşmalar edildi.Ekologiýa ministrliginiň sanly model ekosistemasyna gözegçilik etmek prosesi barada düşünje bermegine garaşylýar we bu düşünje meýdan işleriniň öwrenilmegine kömek eder.Bu gözlegiň maksady üçin ýüzden gowrak welaýaty doly görkezmek mümkin däl.Indiki bölüm welaýatlary jemleýän SAGE usuly bilen tanyşdyrýar.
Welaýatyň maksatlaryndan biri, welaýatyň ýerleşişine we dolandyrylyşyna düşünmegi ösdürmekdir.Adatdan daşary ýagdaýlary kesgitlemek üçin 1B suratda ekologiýa meňzeş welaýatlaryň höwürtgeleri görkezilýär.Eko-welaýatlar ekologiki meňzeşlige esaslanyp toparlara bölünýär we welaýatlara şeýle toparlara AEP diýilýär.Göz öňünde tutulmaly welaýatlaryň umumy sanyna görä sazlap boljak “çylşyrymlylygy” düzüň.“Çylşyrymlylyk” adalgasy, adatdan daşary ýagdaýlaryň derejesini sazlamaga mümkinçilik berýänligi üçin ulanylýar.Manyly jemleri kesgitlemek üçin, esasy görkeziji hökmünde Longhurstdan welaýatda içerki ortaça 0,227 tapawudy ulanylýar.Bu görkezijiniň aşagynda birleşdirilen welaýatlar indi peýdaly hasap edilmeýär.
3B suratda görkezilişi ýaly global ekologiki welaýatlar sazlaşykly.Miladydan öňki welaýatlar arasyndaky tapawutlary ulanyp, käbir konfigurasiýalaryň “adaty” bolandygyny görmek bolýar.Genetika we grafiki teoriýa usullary bilen ylhamlanan “birikdirilen grafikler”, iň meňzeş welaýatlara esaslanyp> 100 welaýaty tertiplemek üçin ulanylýar.Bu ýerdäki “baglanyşyk” ölçegi miladydan öňki welaýatlaryň arasyndaky tapawudyň kömegi bilen kesgitlenýär (30).> 100 welaýaty klassifikasiýa etmek üçin has giň meýdany bolan welaýatlaryň sanyny bu ýerde çylşyrymly diýip atlandyryp bolar.AEP 100-den gowrak welaýaty iň agdyklyk edýän / iň ýakyn ekologiki welaýatlar hökmünde kategoriýalaşdyrýan önümdir.Her bir ekologiki welaýat, olara has meňzeýän agalyk ediji / ýokary derejede baglanyşykly ekologiýa welaýatyna bellendi.Miladydan öňki tapawut bilen kesgitlenen bu jemleniş, global ekologiýa içerki çemeleşmäge mümkinçilik berýär.
Saýlanan çylşyrymlylyk, 1-den FIG-iň doly çylşyrymlylygyna çenli islendik baha bolup biler.2A.Has pes çylşyrymlylykda, ähtimallyk ölçeglerini azaltmak ädimi (t-SNE) sebäpli AEP ýaramazlaşyp biler.Degenerasiýa, ekologiki welaýatlaryň gaýtalanmalaryň arasynda dürli AEP-lere bellenip biljekdigini we şeýlelik bilen geografiki sebiti üýtgedip biljekdigini aňladýar.4C-nji suratda, 10 ýerine ýetirişde çylşyrymlylygyň artýan AEP-lerinde welaýatlaryň arasynda BC tapawudynyň ýaýramagy görkezilýär (1B suratdaky surat).4C-nji suratda 2σ (gök meýdan) 10 ýerine ýetirişde zaýalanmak çäresi, ýaşyl çyzyk bolsa Longhurst görkezijisini görkezýär.Faktlar, 12 çylşyrymlylygyň welaýatda BC tapawudyny Longhurst görkezijisinden aşakda saklap biljekdigini we 2σ peselmegini saklap biljekdigini subut etdi.Gysgaça aýtsak, maslahat berilýän iň az çylşyrymlylyk 12 AEP, 4 sany suratda görkezilişi ýaly 51 sany plankton görnüşini ulanyp bahalandyrylan ortaça içerki tapawut 0,198 ± 0.013.Planktonyň ýedi sany funksional toparynyň jemini ulanyp, welaýatda BC-iň ortaça tapawudy 0,198 ± 0,004 ýerine 2σ bolýar.BCedi funksiýaly toparyň umumy biomassasy ýa-da 51 sany plankton görnüşiniň biomassasy bilen hasaplanan BC tapawudynyň arasyndaky deňeşdirme, SAGE usulynyň 51 ölçegli ýagdaýa degişlidigine garamazdan, ýedi funksional toparyň umumy biomassasy üçin degişlidigini görkezýär. Okuw üçin.
Islendik gözlegiň maksadyna baglylykda dürli çylşyrymlylyk derejeleri göz öňünde tutulyp bilner.Sebitleýin gözlegler doly çylşyrymlylygy talap edip biler (ýagny 115 welaýatyň hemmesi).Mysal we aýdyňlyk üçin iň az maslahat berilýän 12 çylşyrymlylygy göz öňünde tutuň.
SAGE usulynyň peýdalylygynyň mysaly hökmünde bu ýerde gyssagly jemgyýetçilik gurluşynyň gözegçiligini öwrenmek üçin iň az 12 çylşyrymly 12 AEP ulanylýar.5-nji suratda AEP (A-dan L-a çenli) toparlanan ekologiki düşünjeler görkezilýär: Redfild stoiometriýasynda geografiki dereje (5C surat), funksional topar biomassanyň düzümi (5A surat) we ýokumly üpjünçilik (5B surat) N Zoomed tarapyndan ýerine ýetirilýär.Gatnaşyk (N: Si: P: Fe, 1: 1: 16: 16 × 103) görkezilýär.Soňky panel üçin P 16, Fe 16 × 103 köpeldildi, şonuň üçin çyzgy grafigi fitoplanktonyň iýmit talaplaryna deňdir.
Welaýatlar 12 welaýatda ekosistemalaryň 12 AEPs A-dan L. (A) biomassasyna (mgC / m3) bölünýär.(B) Erän organiki azotyň (N), demir (Fe), fosfat (P) we kremniy kislotasynyň (Si) (mmol / m3) ýokumly akym derejesi.Fe we P degişlilikde 16 we 16 × 103 köpeldilýär, şonuň üçin zolaklar fitoplankton stohiometriýanyň talaplaryna laýyk gelýär.(C) Polýar sebitleriň, subtropiki siklonlaryň we möwsümleýin / ýokarlanýan sebitleriň arasyndaky tapawuda üns beriň.Gözegçilik stansiýalary aşakdaky ýaly bellendi: 1, SEATS;2, ALOHA;3, P bekedi;we 4, BATS.
Kesgitlenen AEP özboluşlydyr.Atlantik we Pacificuwaş ummanynda ekwatoryň töwereginde käbir simmetriýa bar we şuňa meňzeş, ýöne ulaldylan ýer Hindi ummanynda bar.Käbir AEP-ler ýokary galmak bilen baglanyşykly materigiň günbatar tarapyny gujaklaýarlar.Günorta polýusyň aýlaw akymy uly zonal aýratynlyk hökmünde kabul edilýär.Subtropiki siklon oligotrofiki AEP-iň çylşyrymly tapgyrydyr.Bu welaýatlarda planktonyň agdyklyk edýän oligotrofik duralgalary we diatoma baý polýar sebitleriniň arasyndaky biomassanyň tapawudynyň tanyş nusgasy äşgärdir.
Gaty meňzeş fitoplankton biomassasy bolan AEP-ler dürli jemgyýetçilik gurluşlaryna eýe bolup, fitoplankton biomassasyna meňzeş D, H we K ýaly dürli geografiki sebitleri öz içine alyp biler.AEP H esasan ekwatorial Hindi ummanynda bar we diazotrofik bakteriýalar has köp.AEP D birnäçe howuzda duş gelýär, ýöne theuwaş ummanda ekwatorial dikelişiň töwereginde ýokary hasylly ýerlerde has meşhurdyr.Pacificuwaş ummanyň bu welaýatynyň görnüşi, planeta tolkun otlusyny ýada salýar.AEP D-de diazobakteriýalar we konuslar az.Beýleki iki welaýat bilen deňeşdirilende, AEP K diňe Demirgazyk buz ummanynyň belentliklerinde duş gelýär, diatomlar we plankonlar az.Bu üç sebitdäki planktonyň mukdarynyň hem başgaçadygyny bellemelidiris.Olaryň arasynda AEP K-iň plankton bollygy birneme pes, AEP D we H bolsa has ýokary.Şol sebäpden, biomassasyna garamazdan (we şonuň üçin Chl-a meňzeş) bu welaýatlar düýbünden başga: Çl esasly welaýat synaglary bu tapawutlary ele alyp bilmez.
Şeýle hem, dürli biomassasy bolan käbir AEP-leriň fitoplankton jemgyýet gurluşy taýdan meňzeş bolup biljekdigi äşgärdir.Mysal üçin, bu AEP D we E-de görünýär, biri-birine ýakyn, Pacificuwaş ummanda AEP E ýokary öndürijilikli AEPJ-e ýakyn.Şonuň ýaly-da, fitoplankton biomassasy bilen zooplankton bollygynyň arasynda anyk baglanyşyk ýok.
AEP-e özlerine berilýän iýmitler nukdaýnazaryndan düşünip bolar (5B-nji surat).Diatomlar diňe kremniy kislotanyň ýeterlik bolan ýerinde bar.Adatça, kremniy kislotanyň üpjünçiligi näçe ýokary bolsa, diatomlaryň biomassasy şonça ýokarydyr.Diatomlary AEP A, J, K we L-de görmek bolýar, diatom biomassasynyň beýleki fitoplankton bilen gatnaşygy diatom islegine görä berlen N, P we Fe tarapyndan kesgitlenýär.Mysal üçin, AEP L diatomlarda agdyklyk edýär.Beýleki ýokumly maddalar bilen deňeşdirilende, Si iň ýokary üpjünçilige eýe.Munuň tersine, has ýokary öndürijilige garamazdan, AEP J-de az diatom we kremniniň üpjünçiligi az (hemmesi we beýleki ýokumly maddalara degişlidir).
Diazonium bakteriýalarynyň azoty düzetmek ukyby bar, ýöne haýal ösýär (31).Demir we fosfor, diazonium däl iýmitlere bolan islege görä aşa köp bolan beýleki fitoplankton bilen bilelikde ýaşaýarlar (20, 21).Diazotrofiki biomassanyň birneme ýokarydygyny we Fe bilen P-iň üpjünçiliginiň N. üpjünçiligine garanyňda has ulydygyny bellemelidiris. Şeýlelik bilen, AEP J-de biomassanyň umumy mukdary has ýokary bolsa-da, AEP H-de diazonium biomassasy J.-den has uly, AEP J we H geografiki taýdan gaty tapawutlydygyny, H ekwatorial Hindi ummanynda ýerleşýändigini ýadyňyzdan çykarmaň.
Üýtgeşik ekosistemanyň gurluşy welaýatlara bölünmese, 12 AEP-iň iň çylşyrymly modellerinden alnan düşünjeler beýle düşnükli bolmaz.SAGE tarapyndan döredilen AEP, ekosistemanyň modellerinden çylşyrymly we ýokary ölçegli maglumatlary yzygiderli we bir wagtda deňeşdirmegi aňsatlaşdyrýar.AEP, Chl-iň has ýokary iýmit derejesinde jemgyýetçilik gurluşyny ýa-da zooplankton bollygyny kesgitlemek üçin gowy we alternatiw usul däldigini netijeli nygtaýar.Dowam edýän gözleg temalarynyň jikme-jik seljermesi bu makalanyň çäginden daşda.SAGE usuly, nokatdan nokada seretmekden has aňsat modeldäki beýleki mehanizmleri öwrenmegiň usulyny üpjün edýär.
SAGE usuly, global fiziki / biogeohimiki / ekosistemanyň san modellerinden gaty çylşyrymly ekologiki maglumatlary aýdyňlaşdyrmaga kömek etmek teklip edilýär.Ekologiki welaýat, planktonly funksional toparlaryň umumy biomassasy, t-SNE ähtimallyk derejesini peseltmek algoritminiň ulanylmagy we gözegçilik edilmedik ML usuly DBSCAN bilen toparlanmagy bilen kesgitlenýär.Höwürtge usuly üçin welaýatlar arasyndaky tapawut / grafik teoriýasy, global düşündiriş üçin ulanyp boljak ygtybarly AEP almak üçin ulanylýar.Gurluşyk taýdan Eko-welaýat we AEP özboluşlydyr.AEP höwürtgeleri asyl ekologiki welaýatyň çylşyrymlylygy bilen 12 AEP-iň maslahat berilýän iň pes çäginiň arasynda sazlanyp bilner.AEP-iň iň pes çylşyrymlylygyny höwürtgelemek we kesgitlemek esasy ädimler hasaplanýar, sebäbi t-SNE ähtimallygy <12 çylşyrymly AEP-leri bozýar.SAGE usuly globaldyr we çylşyrymlylygy> 100 AEP-den 12-e çenli üýtgeýär. Ityönekeýlik üçin häzirki üns 12 global AEP-iň çylşyrymlylygyna gönükdirilýär.Geljekki gözlegler, esasanam sebitleýin gözlegler, global eko-welaýatlaryň has kiçi giňişligini peýdaly tapyp biler we bu ýerde ara alnyp maslahatlaşylan şol bir ekologiki düşünjelerden peýdalanmak üçin has kiçi bir ýere jemlenip biler.Bu ekologiki welaýatlaryň we olardan alnan düşünjeleriň ekologiki düşünişmek, model deňeşdirmesini ýeňilleşdirmek we deňiz ekosistemalaryna gözegçiligi gowulandyrmak üçin nädip ulanyp boljakdygy barada teklipler berýär.
SAGE usuly bilen kesgitlenen ekologiki welaýat we AEP san modelindäki maglumatlara esaslanýar.Kesgitleme boýunça, san modeli maksatly ulgamyň düýp manysyny ele almaga synanyşan ýönekeýleşdirilen gurluşdyr we dürli modellerde planktonyň dürli paýlanyşy bolar.Bu gözlegde ulanylan san modeli, syn edilen nagyşlaryň käbirini doly ele alyp bilmeýär (mysal üçin, Çl ekwatorial sebit we Günorta ummany üçin çaklamalarda).Hakyky ummanyň dürlüliginiň diňe ujypsyzja bölegi tutulýar we ýokumly maddalara we kiçi göwrümli jemgyýetçilik gurluşyna täsir edip biljek mezo we kiçi mesoskaleler çözülip bilinmez.Bu kemçiliklere garamazdan, AEP-iň çylşyrymly modellere düşünmäge kömek etmekde örän peýdalydygy ýüze çykýar.Şuňa meňzeş ekologiki welaýatlaryň nirede tapylandygyna baha bermek bilen, AEP potensial san modelini deňeşdirmek guralyny hödürleýär.Häzirki san modeli, uzakdan duýgur fitoplankton Chl-konsentrasiýasynyň we plankton ululygynyň we funksional toparyň paýlanyşynyň umumy nusgasyny alýar (S1 bellik we S1 surat) (2, 32).
0,1 mgChl-a / m-3 kontur çyzygynyň görkezişi ýaly, AEP oligotrofiki meýdana we mezotrofiki meýdana bölünýär (S1B surat): AEP B, C, D, E, F we G oligotrofiki ýerler, galan ýerler Higherokary Chl-a ýerleşýär.AEP, Longhurst welaýaty (S3A surat) bilen käbir hat alyşmalary görkezýär, mysal üçin Günorta ummany we ekwatorial Pacificuwaş ummany.Käbir sebitlerde AEP birnäçe Longhurst sebitini öz içine alýar we tersine.Bu sebitdäki welaýatlary we Longhursty bölmek niýeti başga bolansoň, tapawutlaryň bolmagyna garaşylýar.Longhurst welaýatynda birnäçe AEP meňzeş biogeohimiýa bilen baglanyşykly käbir sebitleriň ekosistemanyň dürli gurluşlarynyň bolup biljekdigini görkezýär.AEP, ýokary derejeli ýagdaýlarda (mysal üçin, Günorta ummany we ekwatorial Pacificuwaş ummany; S3, C we D suraty) gözegçilik edilmedik okuwyň (19) ulanylmagy bilen ýüze çykarylan fiziki ýagdaýlar bilen belli bir hat alyşýar.Bu hat alyşmalar planktonyň jemgyýetçilik gurluşynyň ummanyň dinamikasyna güýçli täsir edýändigini görkezýär.Demirgazyk Atlantik ýaly sebitlerde AEP fiziki welaýatlary kesip geçýär.Bu tapawutlary döredýän mehanizm, hatda şuňa meňzeş fiziki şertlerde-de düýbünden başga iýmitleniş programmalaryna sebäp bolup biljek tozan daşamak ýaly prosesleri öz içine alyp biler.
Ekologiýa ministrligi we AEP, deňiz ekologiýa bileleşiginiň eýýäm düşünişi ýaly, diňe Chl ulanmagyň ekologiki komponentleri kesgitläp bilmejekdigine ünsi çekdi.Bu meňzeş biomassaly, ýöne düýpgöter tapawutly ekologiki düzümi bolan AEP-lerde görünýär (D we E ýaly).Munuň tersine, D we K ýaly AEP-lerde biomassalar gaty üýtgeşik, ýöne meňzeş ekologiki düzümi bar.AEP biomassanyň, ekologiki düzümiň we zooplankton bollygynyň arasyndaky baglanyşygyň çylşyrymlydygyny nygtaýar.Mysal üçin, AEP J fitoplankton we plankton biomassasy taýdan tapawutlanýan bolsa-da, AEP-iň A we L meňzeş plankton biomassasy bar, ýöne A has ýokary plankton bollygy bar.AEP fitoplankton biomassasynyň (ýa-da Chl) zooplankton biomassasyny çaklamak üçin ulanylyp bilinmejekdigini nygtaýar.Zooplankton balykçylyk iýmit zynjyrynyň esasyny düzýär we has takyk çaklamalar çeşmeleriň has gowy dolandyrylmagyna sebäp bolup biler.Geljekdäki deňiz reňkli hemralary (mysal üçin, PACE (plankton, aerozol, bulut we deňiz ekosistemasy)] fitoplanktonyň jemgyýetçilik gurluşyna baha bermek üçin has gowy ýerleşip biler.AEP çaklamasyny ulanmak, zooplanktonyň kosmosdan bahalandyrylmagyny aňsatlaşdyryp biler.SAGE ýaly usullar, täze tehnologiýalar we ýerüsti hakykat gözlegleri üçin bar bolan has köp meýdan maglumatlary (Tara we yzygiderli gözlegler) bilelikde hemra esasly ekosistemanyň saglygyna gözegçilik etmek üçin ädim ätip biler.
SAGE usuly, biomass / Chl, sap başlangyç önümçilik we jemgyýetçilik gurluşy ýaly welaýat aýratynlyklaryna gözegçilik edýän käbir mehanizmlere baha bermegiň amatly usulyny üpjün edýär.Mysal üçin, diatomlaryň otnositel mukdary, fitoplankton stohiometrik talaplaryna görä Si, N, P we Fe üpjünçiliginiň deňsizligi bilen kesgitlenýär.Deňagramly üpjünçilik derejesinde jemgyýetde diatomlar (L) agdyklyk edýär.Üpjünçilik derejesi deňagramsyz bolanda (ýagny, kremniniň üpjünçiligi diatomlaryň ýokumly isleginden pesdir), diatomlar paýyň (K) az bölegini tutýar.Fe we P üpjünçiligi N (meselem, E we H) üpjünçiliginden ýokary bolsa, diazotrofik bakteriýalar güýçli öser.AEP tarapyndan berlen kontekstde gözegçilik mehanizmlerini öwrenmek has peýdaly bolar.
Eko-welaýat we AEP meňzeş jemgyýetçilik gurluşlary bolan sebitlerdir.Ekologiki welaýatyň ýa-da AEP-iň belli bir ýerinden wagt seriýasyna salgylanma nokady hökmünde seredilip bilner we ekologiýa welaýaty ýa-da AEP tarapyndan gurşalan sebiti görkezip biler.Uzak möhletli ýerdäki gözegçilik stansiýalary şeýle wagt seriýasyny üpjün edýär.Uzak möhletli in-situ maglumatlar toplumy hasaplap bolmajak rol oýnamagyny dowam etdirer.Jemgyýetiň gurluşyna gözegçilik etmek nukdaýnazaryndan SAGE usulyny täze saýtlaryň iň peýdaly ýerini kesgitlemäge kömek etmegiň usuly hökmünde görmek mümkin.Mysal üçin, uzak möhletli oligotrofiki ýaşaýyş ýerlerine baha bermekden (ALOHA) wagt seriýasy oligotrofiki meýdanyň AEP B-de (5C-nji surat, 2-nji bellik).ALOHA başga bir AEP-iň çägine ýakyn bolany üçin, wagt seriýasy öň teklip edilişi ýaly tutuş sebitiň wekili bolup bilmez (33).Şol bir AEP B-de wagt seriýasy SEATS (Günorta-Gündogar Aziýa Wagt seriýasy) Taýwanyň günorta-günbatarynda (34), beýleki AEP-leriň çäklerinden has uzakda ýerleşýär (5C surat, bellik 1) we gözegçilik etmek üçin has gowy ýer hökmünde ulanylyp bilner. AEPB.AEPC-de BATS (Bermuda Atlantic Time Series Study) wagt seriýasy (5C surat, 4-nji bellik) AEP C bilen F araçägine gaty ýakyn, bu bolsa BATS wagt seriýasyny ulanyp AEP C-e gözegçilik etmegiň gönüden-göni problemaly bolup biljekdigini görkezýär.AEP J-de P stansiýasy (5C-nji surat, 3-nji bellik) AEP serhedinden uzakda, şonuň üçin has köp wekilçilik edýär.Eko-welaýat we AEP global üýtgeşmelere baha bermek üçin amatly gözegçilik binýadyny döretmäge kömek edip biler, sebäbi ýerdäki nusgalaryň nirede möhümdigini kesgitläp biljek welaýatlaryň rugsady.SAGE usuly, wagt tygşytlylygynyň üýtgemegine baha bermek üçin howa maglumatlaryna ulanmak üçin hasam ösdürilip bilner.
SAGE usulynyň üstünligi, maglumat ylymlary / ML usullaryny we domen aýratyn bilimlerini seresaply ulanmak arkaly gazanylýar.Hususan-da, t-SNE ýokary ölçegli maglumatlaryň kowariýa gurluşyny saklaýan we kovariance topologiýasyny wizuallaşdyrmagy ýeňilleşdirýän ölçegleri azaltmak üçin ulanylýar.Maglumatlar zolaklar we egrem-bugramlar görnüşinde ýerleşdirilýär (2A surat), diňe uzak aralyk esasly çäreleriň (K-serişdeleri ýaly) ýerlikli däldigini görkezýär, sebäbi adatça Gauss (tegelek) esas paýlanyşyny ulanýarlar (S2 bellikde ara alnyp maslahatlaşylýar) .DBSCAN usuly islendik kovariýa topologiýasy üçin amatlydyr.Parametrleri düzmäge üns berseňiz, ygtybarly şahsyýetnama üpjün edilip bilner.T-SNE algoritminiň hasaplaýyş bahasy ýokary, bu häzirki ulanylyşyny has köp mukdarda çäklendirýär, bu bolsa çuň ýa-da wagt üýtgeýän meýdanlara ýüz tutmagyň kyndygyny aňladýar.T-SNE-iň ulalmagy boýunça işler dowam etdirilýär.KL aralygy deňeşdirmek aňsat bolansoň, t-SNE algoritminiň geljekde giňelmek üçin gowy potensialy bar (35).Häzirki wagta çenli ululygyny has peseldip biljek beýleki geljegi uly ölçegleri azaltmagyň usullary bitewi köpugurly ýakynlaşma we proýeksiýa (UMAP) usullaryny öz içine alýar, ýöne ummanyň maglumatlary kontekstinde baha bermek zerurdyr.Has oňat göwrümliligiň manysy, mysal üçin, global howa ýa-da garyşyk gatlakda dürli çylşyrymly modelleri klassifikasiýa etmekdir.SAGE tarapyndan haýsydyr bir welaýatda toparlara bölünmedik sebitlere 2A suratda galan gara nokatlar hökmünde garamak bolar.Geografiki taýdan bu ýerler esasan möwsümleýin sebitlerde bolup, wagtyň geçmegi bilen üýtgeýän ekologiki welaýatlary ele almak has gowy gurşawy üpjün eder.
SAGE usulyny döretmek üçin, funksional toparlaryň toparlaryny kesgitlemek (11 ölçegli giňişlikde gaty ýakyn bolmak mümkinçiligi) we welaýatlary kesgitlemek ukybyny ulanyp, çylşyrymly ulgamlardan / maglumat ylymlaryndan pikirler ulanyldy.Bu welaýatlar, 3D t-SNE faza giňişligimizde aýratyn göwrümleri suratlandyrýar.Şonuň ýaly-da, “Poincaré” bölegi, “adaty” ýa-da “bulam-bujar” özüni alyp barşyny kesgitlemek üçin traýektoriýanyň eýeleýän döwlet giňişliginiň “göwrümine” baha bermek üçin ulanylyp bilner (36).Statiki 11 ölçegli model çykyşy üçin maglumatlar 3D faza giňişligine öwrülenden soň tutulan ses hem edil şonuň ýaly düşündirilip bilner.3D faza giňişliginde geografiki sebit bilen meýdanyň arasyndaky baglanyşyk ýönekeý däl, ýöne ekologiki meňzeşlik bilen düşündirilip bilner.Şol sebäpli has adaty BC deňeşdirme çäresi ileri tutulýar.
Geljekki işler, kesgitlenen welaýatlaryň we AEP-iň giňişlik üýtgemegine baha bermek üçin möwsümleýin üýtgeýän maglumatlar üçin SAGE usulyny gaýtadan ulanar.Geljekki maksat, sputnik ölçegleri arkaly haýsy welaýatlary kesgitläp boljakdygyny kesgitlemek üçin bu usuly ulanmak (Chl-a, uzakdan duýgur şöhlelendiriş we deňiz üstündäki temperatura).Bu, ekologiki komponentleri uzakdan duýmaga we ekologiki welaýatlara we olaryň üýtgeýşine ýokary çeýe gözegçilik etmäge mümkinçilik berer.
Bu gözlegiň maksady, özboluşly plankton jemgyýetçilik gurluşy arkaly ekologiki welaýaty kesgitleýän SAGE usuly bilen tanyşdyrmak.Bu ýerde fiziki / biogeohimiki / ekosistemanyň modeli we t-SNE we DBSCAN algoritmleriniň parametrleri barada has jikme-jik maglumat berler.
Modeliň fiziki bölekleri, ummanyň aýlanyşyna we howasyna baha bermekden gelýär [ECCOv4;(37) (38) bilen beýan edilen global döwlet bahasy.Döwlet baha berişiniň nominal çözgüdi 1/5.Lagrangian köpeldiji usuly bilen iň kiçi kwadrat usuly başlangyç we araçäk şertlerini we gözegçilik bilen sazlanan içerki model parametrlerini almak üçin ulanylýar, şeýlelik bilen erkin işleýän MIT umumy sikl modelini (MITgcm) (39) döredýär, optimizasiýadan soň netijeler bolup biler yzarlamak we synlamak.
Biogeohimiýa / ekosistemada has doly düşündiriş bar (ýagny deňlemeler we parametr bahalary) (2).Model, organiki we organiki howuzlaryň üsti bilen C, N, P, Si we Fe aýlanyşyny alýar.Bu ýerde ulanylýan wersiýa fitoplanktonyň 35 görnüşi: mikroprokaryotlaryň 2 görnüşi we mikroukariotlaryň 2 görnüşi (az iýmitlenýän şertler üçin amatly), Kriptomonas sferoidleriniň 5 görnüşi (kalsiý karbonat örtügi bilen), 5 görnüşli diazonium (Azot düzedip biler, şonuň üçin) çäklendirilen däl) erän organiki azotyň bolmagy, 11 diatom (silis örtügi emele getirýär), 10 garyşyk wegetatiw baýdak (beýleki planktony fotosintezläp we iýip biler) we 16 Zooplankton (beýleki planktonda otlamak) barlygy.Bulara "biogeohimiki funksional toparlar" diýilýär, sebäbi deňiz biogeohimiýa (40, 41) dürli täsir edýär we köplenç gözegçilik we model gözleglerinde ulanylýar.Bu modelde, her bir işleýän topar, dürli ölçegdäki 0,6-2500 μm ekwiwalent sferiki diametri bolan dürli ululykdaky birnäçe plankondan durýar.
Fitoplanktonyň ösmegine, öri meýdanlaryna we gark bolmagyna täsir edýän parametrler ululygy bilen baglanyşyklydyr we fitoplanktonyň alty sany funksional toparynyň arasynda aýratyn tapawutlar bar (32).Dürli fiziki gurluşlara garamazdan, modeliň 51 sany plankton komponentiniň netijeleri soňky gözlegleriň köpüsinde ulanyldy (42-44).
1992-nji ýyldan 2011-nji ýyla çenli fiziki / biogeohimiki / ekosistemany birleşdirmek modeli 20 ýyl işledi.Modeliň önümine plankton biomassasy, ýokumly konsentrasiýa we ýokumly üpjünçilik tizligi (DIN, PO4, Si we Fe) girýär.Bu gözlegde, bu netijeleriň ortaça 20 ýyllyk ekologiýa welaýatynyň girişi hökmünde ulanyldy.Chl, plankton biomassasynyň we ýokumly konsentrasiýanyň paýlanyşy we funksional toparlaryň paýlanyşy hemra we ýerdäki gözegçilikler bilen deňeşdirilýär (ser. (2, 44), S1 belligi we surata.S1-den S3].
SAGE usuly üçin tötänleýin esasy çeşme t-SNE ädiminden gelýär.Tötänlik gaýtalanmaga päsgelçilik döredýär, bu netijeleriň ygtybarly däldigini aňladýar.SAGE usuly, gaýtalananda toparlary yzygiderli kesgitläp bilýän t-SNE we DBSCAN parametrleriniň toplumyny kesgitlemek arkaly berkligi barlaýar.T-SNE parametriniň “çylşyrymlylygyny” kesgitlemek, ýokarydan pes ölçeglere kartalaşdyrmagyň maglumatlaryň ýerli ýa-da global aýratynlyklaryna hormat goýmaly derejesini kesgitlemek hökmünde düşünilip bilner.400 we 300 gaýtalama bulaşyklygyna ýetdi.
Toplum algoritmi DBSCAN üçin, klasterdäki maglumatlar nokatlarynyň iň az ululygy we aralyk ölçegi kesgitlenmeli.Iň az san hünärmenleriň ýolbaşçylygynda kesgitlenýär.Bu bilim, häzirki san modelleme çarçuwasyna we çözgüdine laýyk gelýän zady bilýär.Iň pes san 100. Has ýokary minimal baha (ýaşyllygyň ýokarky çägi has giňelmezden ozal <135-den az) göz öňünde tutulyp bilner, ýöne BC-iň tapawudyna esaslanýan jemleýiş usulyny çalşyp bilmez.Baglanyş derejesi (6A surat) has ýokary gurşaw üçin amatly ϵ parametrini kesgitlemek üçin ulanylýar (6B surat).Baglanyşyk toparlaryň umumy sany hökmünde kesgitlenýär we ϵ parametrine duýgur.Aşaky baglanyşyk sebitleriň emeli usulda toparlanmagynyň ýeterlik däldigini görkezýär.Connectokary birikme artykmaçlygy görkezýär.Artykmaç geýmek hem kyn mesele, sebäbi başlangyç tötänleýin çaklamalaryň öndürijilikli netijelere sebäp bolup biljekdigini görkezýär.Bu iki äheňiň arasynda ýiti ýokarlanmak (köplenç “tirsek” diýilýär) iň gowusyny görkezýär.6A-njy suratda platon meýdanynyň (sary,> 200 topar) ep-esli ýokarlanandygyny görýärsiňiz, soň bolsa gaty az topar (gök, <60 topar) bilen gurşalan, takmynan 130-a çenli peselýär (ýaşyl, 100 topar). ).Iň azyndan 100 gök meýdanda, bir topar tutuş okeanda agdyklyk edýär (ϵ <0.42), ýa-da ummanyň köp bölegi toparlara bölünmeýär we ses hasaplanýar (ϵ> 0.99).Sary meýdanyň ýokary üýtgeýän, öndürip bolmaýan topar paýlanyşy bar.Ε azaldygyça ses artýar.Sharpiti ýokarlanýan ýaşyl meýdana tirsek diýilýär.Bu amatly sebit.T-SNE ähtimallygy ulanylsa-da, welaýatda BC-iň tapawudy henizem ygtybarly toparlary kesgitlemek üçin ulanylyp bilner.6-njy suraty (A we B) ulanyp, 0. 0,39 belläň.Iň az san näçe uly bolsa, ygtybarly klassifikasiýa mümkinçilik berýän reaching ýetmek ähtimallygy şonça-da az we bahasy 135-den uly bolan ýaşyl meýdany şonça-da köpeldýär. Bu meýdanyň ulalmagy tirsegiň tapylmagynyň has kyn boljakdygyny ýa-da ýokdugyny görkezýär. bar.
T-SNE parametrlerini kesgitläniňizden soň, tapylan toparlaryň umumy sany birikme çäresi (A) we topara (B) bölünip berlen göterim hökmünde ulanylar.Gyzyl nokat örtügiň we birikmegiň iň gowy utgaşmasyny görkezýär.Iň az san ekologiýa bilen baglanyşykly iň az san boýunça kesgitlenýär.
Bu makala üçin goşmaça materiallar üçin http://advances.sciencemag.org/cgi/content/full/6/22/eaay4740/DC1 serediň
Bu, Creative Commons Attribution Ygtyýarnamasynyň şertlerinde paýlanan açyk giriş makalasy.Makala, asyl eseriň dogry görkezilmegi şerti bilen islendik gurşawda çäklendirilmedik ulanmaga, paýlamaga we köpeltmäge mümkinçilik berýär.
Bellik: Sahypa maslahat berýän adamyňyzyň e-poçta görmegini isleýändigiňizi we spam däldigini bilmekleri üçin diňe e-poçta salgyňyzy bermegiňizi haýyş edýäris.Hiç hili e-poçta salgysyny almarys.
Bu sorag, myhman bolýandygyňyzy ýa-da spamyň awtomatiki iberilmeginiň öňüni almak üçin ulanylýar.
Global deňiz ekologiýasy ministrligi çylşyrymly meseleleri çözmegi ýüregine düwýär we jemgyýetçilik gurluşlaryny öwrenmek üçin gözegçilik edilmedik ML ulanýar.
Global deňiz ekologiýasy ministrligi çylşyrymly meseleleri çözmegi ýüregine düwýär we jemgyýetçilik gurluşlaryny öwrenmek üçin gözegçilik edilmedik ML ulanýar.
Iş wagty: 12-2021-nji ýanwar