基于卫星遥感的南太平洋岛国专属经济区海洋环境指标国家尺度评估与CMIP6约束研究

《Remote Sensing》：Satellite-Based Assessment of Marine Environmental Indicators and Their Variability in the South Pacific Island Regions: A National-Scale Perspective

本刊推荐：研究通过验证卫星数据（SST/SSS/SDD/Chl-a/NPP/SLA）在南太平洋岛国（SPICs）12个专属经济区（EEZs）的适用性，揭示海表温度（SST）和海平面异常（SLA）的普遍上升趋势，以及叶绿素a（Chl-a）和净初级生产力（NPP）的显著空间异质性。创新性融合卫星观测与CMIP6模型，提出国家尺度的统计降尺度约束框架，为岛国气候适应与海洋资源管理提供科学依据。

　　

引言

南太平洋岛国（SPICs）由散布在热带太平洋的多个岛国和区域组成，拥有广阔的海域专属经济区（EEZs）。海洋资源是这些国家可持续发展的基石，但全球气候变化使其成为最易受影响的区域之一。尽管大尺度海洋环境变化已被充分记录，但满足国家管理需求的小尺度分析仍显不足。本研究旨在通过卫星遥感数据评估SPICs区域12个EEZs的海洋环境指标变化，并耦合CMIP6模型预测，为国家尺度决策提供支持。

材料与方法

研究区域与数据来源

研究覆盖SPICs核心成员国（如巴布亚新几内亚PNG、斐济FJI、法属波利尼西亚PYF等）的12个EEZs，根据海洋生态区划方法分为三类区域。卫星数据包括海表温度（SST）、盐度（SSS）、透明度（SDD）、叶绿素a（Chl-a）、净初级生产力（NPP）和海平面异常（SLA），时间跨度为1998–2023年。现场观测数据来源于全球生物光学数据库（SOCAT、WOD等），用于验证卫星数据精度。CMIP6数据选取SSP1.26和SSP5.85情景下的SST、Chl-a和NPP投影。

分析方法

通过中值相对误差（MRE）和均方根误差（RMSE）评估卫星数据准确性；采用月异常序列计算长期变化趋势；构建卫星约束的统计降尺度框架，以历史卫星观测值（Xsat）及其不确定性（δsat）修正CMIP6模型在EEZ尺度的投影，降低模型间差异（δcmip）。

结果与讨论

卫星数据性能评估

卫星数据与现场观测在SPICs区域整体一致性较高：SST和SSS的相关系数（R）分别达0.98和0.87，RMSE为0.42°C和0.16 psu；Chl-a的MRE为0.25（R=0.72）；SDD和NPP虽相关性略低（MRE<0.40），但仍具统计显著性。SLA与现场海平面高度（SLH）变化趋势一致，排除萨摩亚（WSM）站点的地震干扰后，R从0.19提升至0.48。分EEZ评估显示，近岸高Chl-a水体（>0.2 mg m^?3）的卫星反演误差较高（MRE≈58%），主要源于浅水区光学复杂性及全球算法在Case-2水体的局限性。

海洋环境指标时空变异

气候态空间分布显示，SST在PNG附近暖池区最高（~30°C），Chl-a和NPP在上升流区和近岸显著升高（分别达0.2 mg m^?3和600 mg C m^?2d^?1），而寡营养海区SDD可达70米。1998–2023年间，所有EEZs的SST和SLA均显著上升（SLB海平面上升速率最高，0.0061 m yr^?1），但Chl-a和NPP呈下降趋势，且存在明显空间异质性：PNG的Chl-a微增（0.0006 mg m^?3yr^?1），而NRU、SLB等区域NPP下降速率达?4 mg C m^?2d^?1yr^?1。SSS在东部EEZs（如PYF）升高，西部EEZs（如VUT）则淡化。

CMIP6投影的卫星约束修正

CMIP6原始投影显示，2100年SPICs区域SST在SSP5.85情景下上升约3°C，Chl-a和NPP分别下降0.05 mg m^?3和56 mg C m^?2d^?1，但模型间差异较大。以PNG为例，卫星约束使SST、Chl-a和NPP投影的不确定性（sigma）分别降低8%、15–36%和15–25%。约束后，NRU仍为变化最剧烈EEZ（SST升幅最大），而PYF环境最稳定；东南部EEZs（如TON、NIU）的Chl-a变化趋势甚至由下降逆转为上升，凸显卫星数据对寡营养海区模型修正的敏感性。

结论

本研究验证了卫星数据在SPICs的EEZ尺度分析中的可靠性，揭示了海洋环境指标的国家级异质性，并通过卫星约束显著优化了CMIP6模型的不确定性。成果为小岛国应对气候变化、制定海洋资源管理策略提供了高分辨率科学依据，凸显了多源数据融合在区域气候适应中的核心价值。