全球海洋网格化数据集与缺氧区扩张：基于机器学习技术的溶解氧重建（1960-2021）

《International Journal of Digital Earth》：Global ocean gridded dataset and hypoxic zone expansion: reconstructed dissolved oxygen (1960–2021) based on machine learning technique

　　

由于全球变暖和人类活动导致的过量营养物质输入，海洋脱氧现象逐渐加剧。然而，全球原位溶解氧（DO）观测的稀疏时空分布对理解世界海洋中DO的时空变化构成了重大挑战。在本研究中，研究人员采用SOM-FFNN方法重建了1960年至2021年的全球月均溶解氧数据集，具有高空间（1°×1°）和垂直（至2000米）分辨率。与现有产品相比，该模型表现出较低的均方根误差（RMSE=15.36 μmol/kg）、较高的决定系数（R²=0.96），并且与长期观测高度一致，优于其他可用数据集。对该数据集的分析表明，自20世纪80年代末以来，全球海洋的总氧含量持续下降，过去十年的损耗速率几乎是1980–2010年期间的两倍。进一步研究揭示，低氧区域在水平和垂直方向均有所扩张，且这种扩张在过去十年中也在加剧。这些发现强调了海洋脱氧的加速性质以及低氧栖息地的日益扩大。

**研究背景与问题**
全球变暖和人类活动导致的营养盐过度输入，使海洋脱氧（ocean deoxygenation）现象日益加剧。溶解氧（dissolved oxygen, DO）是维持海洋生态系统稳定性的关键环境因子，也是海水健康的重要指标。然而，全球原位DO观测数据在时空分布上极为稀疏，严重制约了对世界大洋DO时空变化规律的理解。现有研究多依赖数值模拟（如海洋环流模型）或空间插值（如反距离加权、最优插值）构建数据集，但前者无法全面考虑影响DO的所有因素，性能欠佳，且常用模型低估了氧浓度变化速率；后者仅对观测数据进行平滑插值，未充分考虑DO与其他辅助变量（温度、盐度等）的关系，在数据缺失区域误差较大。因此，亟需开发一种能够整合多源信息、长期覆盖且高精度的全球DO数据集，以揭示海洋脱氧的时空演变特征。

**研究内容与意义**
为克服上述局限，研究人员利用自组织映射（self-organizing map, SOM）聚类与前馈神经网络（feedforward neural network, FFNN）相结合的方法，重建了1960–2021年全球月均溶解氧网格化数据集，空间分辨率为1°×1°，垂直范围从海表至2000米，共41个标准层。该数据集不仅覆盖时间跨度超过60年，且垂直深度优于现有产品。验证结果显示，模型均方根误差（RMSE）为15.36 μmol/kg，决定系数（R²）达0.96，与长期观测高度一致，误差低于其他同类数据集。基于该数据集的分析表明，全球海洋自1980年代末以来持续失去氧含量，过去十年（2010–2021）的损耗速率（约703 Tmol/十年）约为1980–2010年期间（约303 Tmol/十年）的两倍。进一步分析发现，低氧区（DO < 60 μmol/kg）在水平方向和垂直方向均显著扩张，且扩张趋势在过去十年中加剧。这些发现揭示了海洋脱氧正在加速，低氧栖息地范围不断扩大。该研究为理解海洋脱氧的生态与生物地球化学后果提供了重要基础，论文发表在《International Journal of Digital Earth》。

**关键技术方法**
研究人员主要采用以下关键技术：
1. **自组织映射（SOM）空间聚类**：利用气候态温度、盐度和DO数据，通过无监督学习将全球海洋划分为12个生物地球化学区（biogeochemical provinces），以减少区域异质性对模型的影响。
2. **前馈神经网络（FFNN）回归建模**：针对每个区域独立训练FFNN模型，输入协变量包括观测深度、经度、纬度、海底层深度、温度、盐度、位势密度，以及经三角函数无量纲化处理的月份、经纬度变量。通过网格搜索优化隐藏层层数（1–10层）、神经元数（10–1000）、学习率（1×10^-5–1×10^-2）和丢弃率（0–0.2），采用6折交叉验证选择最优超参数。
3. **数据来源与处理**：训练数据来自IAP数据集（Gouretski et al., 2024），该数据集整合了WOD和Argo浮标的质控DO剖面，共计840万条剖面。协变量网格数据（温度、盐度）来自Cheng et al.（2017, 2020）的观测网格产品，海底层深度来自GEBCO高分辨率地形数据。数据被垂直划分为41个标准层，并水平划分为1°×1°网格，取相同时空数据平均值形成标准训练集。

**研究结果**
**4.1 全球海洋氧损耗的加剧**
通过计算全球海洋每个三维网格点的水体体积（基于Haversine公式）和溶解氧含量，研究人员分析了1960–2021年不同深度区间的氧含量变化。结果显示，0–2000米水柱的总氧含量在1960年代至1980年代中期略有增加，随后持续下降。其中，0–1000米层氧含量增加速率约为98.5 Tmol/十年，1000–2000米层约为34 Tmol/十年。自1980年代末起，DO呈逐渐下降趋势，2000年后加速，至2021年达到最低水平。累积氧损失约1.18%（约1.24 Pmol）。1980–2010年期间平均氧损失速率为303 Tmol/十年，而过去十年（2010–2021）急剧增至703 Tmol/十年，约为前者的两倍。不同海洋区域的敏感性实验均显示一致的下降趋势，表明全球脱氧趋势并非采样异质性造成的假象。按深度分层，表层（0–200米）占总氧损失的12%，贡献比（损失占比/体积占比）为1.2；中层（200–1000米）占总损失的58%，贡献比高达1.45，为各层最高；深层（1000–2000米）占总损失的30%，贡献比为0.6，变化幅度相对较小。

**4.2 海洋缺氧的加速扩大**
针对中层水域氧下降速率最快的特征，研究人员进一步分析了低氧区（DO < 60 μmol/kg）的体积变化。1960–2021年间，全球低氧区体积呈现显著且持续的上升趋势，1980年代末后增长加速，21世纪后尤为明显。至2021年，低氧区体积约为（1.08±0.087）×10⁹ km³，相比1960年的（0.92±0.104）×10⁹ km³显著增加。同时，低氧区的平均厚度从20世纪下半叶的850–870米增至2021年的约915米，表明垂直扩张显著。对比1960年和2021年500米深度低氧区边界，太平洋、印度洋和北大西洋的低氧边界外移明显，显示了水平扩张。这些变化与海洋变暖导致的热结构改变、上层水体层化增强以及深层通风效率降低密切相关，可能还受区域呼吸耗氧增加等生物地球化学过程调节。

**讨论与结论**
研究人员开发的SOM-FFNN数据集在深度范围和时间跨度上优于现有产品，验证表明其可靠地捕捉了DO的垂直结构和时间变化。基于该数据集，研究确认了全球海洋自20世纪末以来氧含量的持续下降，且过去十年的损耗速率远高于此前水平。低氧区不仅在水平方向跨海盆扩张，还在垂直方向增厚，呈现多维度的缺氧加剧态势。这些变化可能与海洋变暖诱导的层化增强、通风减弱以及区域呼吸耗氧需求增加有关。该数据集为评估脱氧与生物群落及其他物理参数的相互作用提供了宝贵基础，有助于深入理解海洋氧库衰退的生态与生物地球化学效应。研究结论强调，全球海洋脱氧正在加速，低氧区域日益扩大，这对海洋生态系统和人类社会具有深远影响。