预测波罗的海西部历史性缺氧区域：多模型整合研究揭示环境基线

推荐：为评估人类活动前波罗的海西部缺氧状况，研究人员整合统计模型(GAM)、机制模型(ERGOM)和机器学习模型(GPBoost)，重建1949-1969年近底层氧亏(<6 mg/l)空间分布。结果显示缺氧(<2 mg/l)仅占1-3%面积，但氧亏区域达11-37%，为生态指标目标制定提供高置信度基线数据。

　　

波罗的海作为半封闭陆间海，长期面临富营养化导致的缺氧威胁。尽管现代监测体系已建立，但人类活动显著影响前的历史氧亏基线仍不明确——这直接关系到欧盟海洋战略框架指令(MSFD)中"良好环境状态"目标的科学设定。更棘手的是，1960年代前的观测数据稀少且时空分布不均，传统插值方法难以奏效。

德国莱布尼茨波罗的海研究所海岸地理组(Leibniz Institute for Baltic Sea Research Warnemünde)的研究团队创新性地采用三模型融合策略：广义加性模型(GAM)通过月际因子、盐度(S)、温度(T)等参数建立统计关系；机制模型ERGOM耦合水动力与生物地球化学过程；高斯过程提升(GPBoost)算法则整合观测与模型数据。研究聚焦1949-1969年8-10月近底层氧浓度，定义缺氧(<2 mg/l)、中度氧亏(<4 mg/l)和轻度氧亏(<6 mg/l)三级阈值。

技术方法上，团队利用丹麦奥胡斯大学历史监测数据库的1140个氧浓度剖面，GAM模型引入深度(z)和二维空间平滑项；ERGOM模型采用1海里分辨率网格和152层垂直分层；GPBoost则通过10折交叉验证优化超参数，结合SHAP值解析特征重要性。

研究结果显示：

1. 模型性能差异：GAM解释65%氧浓度变异，ERGOM在卡特加特海峡存在1.44-3.41 mg/l的RMSE，GPBoost综合表现最佳(R²=0.47)。
2. 空间分布特征：高置信度缺氧区仅23 km²位于大贝尔特海峡，而氧亏<6 mg/l区域占全研究区11-37%，基尔湾(59-82%)和梅克伦堡湾(49-63%)最严重。
3. 关键不确定因素：底边界层(BBL)氧梯度估计差异显著，ERGOM因包含沉积物矿化过程预测面积最大，但缺乏厘米级观测验证。

讨论部分指出，三模型融合显著提升历史重建可靠性，但BBL动态仍是核心挑战。研究建议未来生态指标应结合历史基线与生物耐受阈值，例如考虑关键物种不同生活史阶段的氧需求时间阈值。该成果发表于《Marine Pollution Bulletin》，不仅为波罗的海管理提供科学基准，其多模型框架更为全球沿海缺氧研究树立方法论典范。值得注意的是，机制模型预测的梅克伦堡湾16%缺氧面积可能偏高，而统计模型对卡特加特26%氧亏的估计需谨慎解读——这凸显了在数据稀缺区域整合多源信息的重要性。