海岸锋面作为漂浮海洋垃圾热点区指示器的十年遥感统计建模研究

本研究针对漂浮海洋垃圾(FMD)对海岸生态系统的威胁，通过分析2002-2012年美国东北海岸的卫星遥感数据与实地采样数据，建立逻辑回归模型揭示海岸锋面及其形成过程（包括辐合、流向流速等）对FMD聚集的显著影响，首次提出以锋面频率(FF)≥500 pcs/km2 为阈值的热点识别方法，为全球海岸带生态保护提供高效监测工具。

　　

海洋塑料污染已成为全球性环境危机，每年约有600-1500万吨塑料从陆地进入海洋，其中70-80%的漂浮海洋垃圾(FMD)最终聚集在海岸带区域。这些塑料碎片不仅破坏珊瑚礁、海草床等关键生态系统，还通过食物链威胁从浮游生物到海龟、鲸类等高等捕食者的生存。更令人担忧的是，海洋锋面——那些分隔不同水团的强梯度带——既是海洋生物的"食堂"，又意外成为FMD的"收集器"。这种空间重叠使得海洋生物遭遇缠绕和误食风险倍增，但传统监测方法难以精准定位这些动态变化的污染热点区。

针对这一难题，Phuc T. D. Le等研究人员在《Environmental Pollution》发表的研究中，创新性地将卫星遥感与统计建模相结合。研究团队选取美国东北海岸的缅因湾和楠塔基特陆架区作为典型研究区，这里不仅存在五种特征性锋面系统（如缅因海岸锋、乔治浅滩锋等），还拥有2002-2012年间SEA（海教育协会）采集的500组FMD实测数据。通过整合1公里分辨率的MODIS夜间海表温度数据、有限尺寸李雅普诺夫指数(FSLE)等多元海洋参数，研究建立了包含9种逻辑回归模型的预测体系。

技术方法上，研究采用Cayula-Cornillon直方图法从每日SST数据提取锋面，计算锋面出现频率(FF)；结合AVISO+卫星高度计获取的FSLE（表征水团辐合强度）和哥白尼海洋服务系统的海流数据；最终通过AIC逐步回归筛选最佳模型，并采用k折交叉验证评估预测准确性。所有数据统一重采样至1公里网格，确保空间匹配性。

【海洋锋面与FMD的定量关系】
研究发现FF与FMD密度呈显著非线性相关，二阶多项式(FF²
)在所有最佳模型中均具有统计显著性。当锋面出现频率达5-10%时，FMD密度可达1-5×10³
pcs/km²
，验证了锋面作为"自然陷阱"的聚集效应。特别值得注意的是，乔治浅滩潮汐混合锋和陆架断裂锋等持久性锋面系统显示出最强的FMD截留能力。

【关键驱动因子识别】
在检验的五个环境变量中，水深对FMD分布无显著影响，而海流方向的三阶多项式(current direction³
)和FSLE的高阶项(FSLE²
, FSLE³
)在模型中表现突出。其中FSLE>0.075 day^-1
的强辐合区与离岸FMD热点高度吻合，解释了模型预测中出现的70%以上高概率区。

【热点预测模型比较】
四组最佳模型（2.2、2.3、3.2、3.3）的空间预测显示：基于V2变量组（FF²
+流向）的二元回归模型对近岸热点预测更精准，准确率达81.6%；而包含FSLE的V3变量组模型则能更好捕捉陆架断裂锋的延伸热点。交叉验证表明，以500 pcs/km²
为阈值的分类模型性能最优。

【空间分布特征】
预测地图成功识别出四大FMD聚集区：科德角湾锋面区（概率>60%）、罗德岛沿岸中陆架锋、陆架断裂锋（延伸200公里以上）以及芬迪湾强潮汐锋面区。这些区域恰与关键海洋生物栖息地重叠，如北大西洋露脊鲸的索饵场和濒危海龟迁徙通道。

讨论部分指出，该研究首次系统证实海岸锋面的形成机制（锋生作用）与FMD聚集的因果关系，突破了以往仅关注锋面静态特征的限制。模型中将FSLE等高阶项纳入考量，成功解释了约15%的预测偏差，这为理解亚中尺度过程对微塑料输运的影响提供了新视角。值得注意的是，芬迪湾虽无实测数据验证，但模型预测的高风险区与该区域海底垃圾调查结果(137 pcs/km²
)呈现一致性，间接佐证了方法的可靠性。

该研究的现实意义在于：① 建立了一套基于免费卫星数据的低成本监测框架，特别适合缺乏现场调查能力的发展中国家；② 提出的500 pcs/km²
阈值可作为全球海岸带FMD风险评估的参考标准；③ 预测热点与生物多样性关键区的空间关联，能指导保护区的动态管理。作者建议未来研究应增加风速、波浪等强迫场数据，并在不同气候带海岸开展模型验证，以完善这一预警系统。这项成果为实施精准海洋塑料治理提供了科学基础，对实现联合国可持续发展目标14.1（防治海洋污染）具有重要实践价值。