基于XGBoost的全球海洋表层pCO2反演及中尺度涡旋对其精度的影响机制研究

本研究针对全球海洋表层二氧化碳分压(pCO2)动态监测难题，创新性引入海面高度(SSH)参数，采用XGBoost算法构建了日分辨率反演模型(R2=0.95，RMSE=10.52μatm)，首次量化了中尺度涡旋通过调控营养盐通量和斜压不稳定性对反演精度的区域差异性影响，为全球碳循环研究提供了高精度数据支撑。

　　

海洋作为地球最大的碳汇，每年吸收约26%的人为排放CO₂，其表层二氧化碳分压(pCO₂)的精确监测对理解碳循环至关重要。然而现有全球pCO₂产品存在时空分辨率不足（多为月均值）、未考虑中尺度涡旋影响等缺陷，导致难以捕捉瞬态海洋动力学过程对碳通量的调制作用。特别是占海洋动能90%的中尺度涡旋，可通过垂直输运改变营养盐分布和海水理化性质，但这一关键过程对pCO₂反演精度的影响机制尚未阐明。

针对这一科学瓶颈，中国研究团队在《Science of The Total Environment》发表创新成果。研究团队整合1998-2021年多源卫星数据，首次将海面高度(SSH)作为动力学指标纳入特征变量，采用XGBoost算法构建了全球日分辨率pCO₂反演模型。关键技术包括：基于SOCATv2022数据集构建训练集，运用SHAP值进行特征重要性分析，通过序列特征剔除法评估变量贡献，并利用涡旋追踪数据集识别气旋/反气旋涡旋区域进行误差归因分析。

【数据与方法】
研究选取海表温度(SST)、叶绿素a(Chl-a)、盐度(SSS)、混合层深度(MLD)和SSH作为输入参数，其中SSH的引入创新性地将海洋动力过程参数化。模型训练采用10折交叉验证，超参数通过网格搜索优化。

【模型性能】
全变量模型取得突破性精度(R²=0.95，RMSE=10.52μatm)，较前人研究提升显著。SHAP分析显示SSH贡献度达18.7%，其引入使R²提升10%、RMSE降低38%，证实海洋动力过程对pCO₂变动的关键调控作用。

【区域差异】
模型在大西洋表现最佳，但在北太平洋冬季存在系统性高估。涡旋活跃区误差分析表明，气旋涡内pCO₂低估12.7±9.3μatm，反气旋涡则高估8.5±6.1μatm，这与涡旋诱导的营养盐垂向通量差异直接相关。

【讨论与结论】
该研究首次揭示中尺度涡旋通过两种机制影响反演精度：1)生物泵效应，气旋涡上升流带来富营养冷水导致pCO₂动态偏离统计规律；2)斜压不稳定性引发的次中尺度过程造成参数非线性响应。成果不仅为全球碳通量估算提供高时空分辨率数据产品，更建立了"海洋动力-生物地球化学-遥感反演"的跨尺度关联框架，对深化理解海洋碳汇时空变异机制具有重要科学价值。