降水稳定同位素记录的在线筛查工具：基于混合距离/密度的异常值过滤方法及交互式网络应用

《Journal of Hydrology》：Online screening tool for precipitation stable isotopes records: hybrid distance / density based outlier filtering approach via interactive web application

　　

降水中重稳定同位素与轻稳定同位素之比是解决水文学、气候学、生物地球化学等领域问题的有效工具，但仅当降水监测网络提供足够时空数据时方可发挥效用。然而，当来自多个来源的数据汇集到大型数据库中时，可能包含严重影响研究结果的错误。稳定同位素数据库过滤最常用实践采用静态阈值，未考虑变量空间动态变化特征。研究人员提出一种基于距离的异常值检测方法，以在线工具形式实现。IsoQC应用程序通过推导可调搜索半径（0?降水稳定同位素是水文学、气候学和生物地球化学等领域的关键自然示踪剂，其时空变异由蒸发、凝结和大气传输等物理过程驱动。全球降水同位素网络（GNIP）及各国网络（如奥地利ANIP、中国CNIP、澳大利亚AWIN和斯洛文尼亚SLONIP）已积累大量数据，但多源数据整合后常混入采样、测量或录入错误，严重威胁研究结论可靠性。现有数据库过滤方法多依赖静态阈值（如d-excess范围-10‰到+30‰），忽视了同位素值的空间非平稳性，导致误判或遗漏异常。此外，传统空间异常检测需大量人工干预且主观性强。因此，亟需一种客观、可重复且专门针对同位素水文学的在线筛查工具，以减少主观偏差并保证数据互操作性。

研究人员开发了名为IsoQC的交互式网络应用程序，采用基于距离的异常值检测方法，在可调搜索半径内比较邻近站点的海拔校正后同位素值（δ¹⁸O、δ²H和d-excess），通过预设阈值识别潜在异常。研究以斯洛文尼亚及邻国（奥地利、匈牙利、克罗地亚）1981–2022年的月降水同位素数据（1718个δ²H和1797个δ¹⁸O记录）为测试案例，验证了工具的有效性。论文发表于《Journal of Hydrology》，提供了首个标准化、交互式、开源的同位素数据质控方案，促进了FAIR数据原则的落实。

关键技术方法包括：（1）地理距离矩阵计算，采用WGS84椭球体上的Vincenty公式，在可调搜索半径（0 < R ≤ 500 km，默认90 km）内动态确定邻近站点的“求解集”；（2）海拔校正，基于用户可调的δ¹⁸O和δ²H海拔梯度率（默认-1.2‰ km^-1和-7.9‰ km^-1），将各站点同位素值校正至焦点站海拔；（3）异常判定，通过计算焦点站与邻近站点在同一时间步的平均值差异（D_i,t），并比对预设阈值（δ¹⁸O: 6.8‰, δ²H: 54‰, d-excess: 19.7‰）及求解集内部变异性（2×标准差），标记可能异常点。样本数据来自斯洛文尼亚SLONIP平台、IJS档案、GNIP、ANIP及相关文献。

**Portoro?站（点异常，2004年1月）**：当搜索半径设为110 km时，该月d-excess值（-10.2‰）的D_i,t超过阈值，识别为可能异常。此结果验证了先前关于二次蒸发影响的推测，应予以剔除。

**Ljubljana站（点异常，2006年2月）**：在默认搜索半径下求解集仅有一个邻近站，将半径扩展至120 km后，δ¹⁸O和δ²H的D_i,t均超过阈值，且超出求解集2倍标准差，确认为可能异常。该记录在单站点评估时未被发现，凸显邻近比较的必要性。

**Postojna站（极端值验证，2015年12月）**：该月δ¹⁸O和δ²H值极高，但d-excess符合区域模式，且降水量极少（<1 mm）。邻近站点Kredarica和Klagenfurt也呈现类似特征，表明极端值反映真实区域同位素水文气象条件。因此建议保留该记录，因其小降水量使加权平均结果受影响极小。

**Kredarica站（区间异常，2021年3月至2022年1月）**：缩小搜索半径至80 km后，2019–2022年间多次出现D_i,t超过阈值或超出2倍标准差的情况。数据提供方确认2021–2022年采样未按规范执行，导致连续异常。自2022年2月起数据重新合格。该案例证明IsoQC能检测持续性集体异常，并区分临时性局部现象与系统性采样错误。

讨论部分强调，异常值的判定需结合局部条件（如降水量）和天气学情景，避免机械标记。例如Postojna的极端值因区域一致性被视为有效数据，而Kredarica的连续异常因采样协议违反被整体剔除。结论指出：IsoQC工具通过动态搜索半径和海拔校正，实现了降水稳定同位素数据的客观、可重复筛查，有效区分自然变异与采样/测量误差；斯洛文尼亚案例展示了其对点异常（如Portoro? 2004年1月）和区间异常（如Kredarica 2021年3月–2022年1月）的识别能力，并可验证极端值的自然成因（如Postojna 2015年12月）；该工具适用于其他水体（地下水、土壤水、湖水）同位素数据集，前提是采样频率一致；交互式上传和参数调整功能增强了其在不同水文气候环境中的灵活性。

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