高度动态浙江沿海水域浮游植物物候提取的先进浮标方法

《Ecological Indicators》：Advanced buoy phenological extraction methods for highly dynamic Zhejiang coastal waters

　　

准确获取浮游植物物候信息对于理解海洋生态系统内的能量流动、碳循环以及关键物种的生长与繁殖节律至关重要。然而，在动态多变的沿海水域，由于时空变异性强，传统方法难以精确探测关键物候阶段与趋势。此外，交互环境变量对沿海水域物候偏移的相对贡献仍知之甚少。本研究基于完全集合经验模态分解伴随自适应噪声（CEEMDAN）构建了一套集成物候提取框架，用于处理高度动态沿海环境中非线性、非平稳的浮游植物时间序列。研究人员利用原位浮标数据，分析了2016至2020年中国浙江沿海水域浮游植物物候特征及其驱动因素。结果表明，多数区域藻华起始与峰值时间显著提前，温度与浊度被识别为与这些物候偏移最密切相关的因子。尽管物候定义仍采用经验规则，但基于CEEMDAN的框架通过提供去噪的自适应基线，显著降低了对固定全局浓度阈值的依赖。该研究首次将经验模态分解（EMD）系列方法应用于物候提取，证明了其在处理高度动态、富营养化沿海水域浮标数据非线性非平稳叶绿素a时间序列中的实用性。通过自适应分离高频扰动，揭示了温度与浊度驱动的藻华时间偏移，为理解富营养化与污染等环境压力下的物候响应提供了见解，并可为污染减缓与沿海生态系统管理策略提供支持。

研究背景方面，浮游植物作为海洋生态系统的初级生产者，其生物量周期性变化（即浮游植物物候）是反映生态系统动态对环境变化响应的关键指标。传统物候提取方法（如阈值法、累积法、变化率法）依赖经验阈值或预设基函数，在高度动态、非线性、非平稳的沿海叶绿素a时间序列中表现受限，难以分离高频扰动与真实季节及长期趋势信号，且对固定全局浓度阈值依赖性强。浙江沿海（ZCA）属东海高红潮风险区，水体富营养化显著，浮标数据虽具高时间分辨率（可达1小时），但含噪、缺测与短时波动剧烈，亟需一种不依赖先验平滑参数、能自适应多级频率分解的物候提取方案。为此，研究人员提出以CEEMDAN为核心的集成物候提取框架，旨在从浮标叶绿素a序列中客观分离残差、季节与趋势分量，系统量化物候阶段及其与环境因子的关系，相关成果发表于《Ecological Indicators》。

关键技术方法上，研究人员使用浙江沿海2016至2020年多站位水质浮标（监测温度、盐度、溶解氧、浊度、叶绿素a，表层0至5米）日均值队列；预处理经异常值剔除、基于非平稳Transformer的浮标插补（BINT）与日平均聚合；随后用PyEMD默认参数对每个日序列做CEEMDAN分解为9至11个固有模态函数（IMF），按周期尺度归并高频残差R(t)、季节S(t)与低频趋势T(t)；自第4个IMF起求和重构平滑序列，结合find_peaks与85百分位边界规则提取生长季始期（SGS）、峰值期（PGS）、末期（EGS）及长度（LGS）；趋势检验采用Theil–Sen与置换检验，环境贡献采用岭回归（ridge regression）以β_i²·Var(X_i)计算相对贡献率并做α=0.1/1/10稳健性测试。

研究结果部分，3.1节叶绿素分解分量占比显示，CEEMDAN将序列分为残差（前4 IMF）、季节（5至7 IMF）与趋势（8及以后IMF）；NB00（象山港）残差方差贡献达60.354%、均值7.61±12.94 μg/L，波动最强，ZS01最低（0.99±0.39 μg/L）；趋势分量总体占比最小，季节与残差主导，印证沿海短期扰动强、季节信号显著。3.2节物候指标与时间趋势分析表明，SGS与FirstPeak强正相关（0.87），SGS、FirstPeak、MaxPeak在多站显著提前（如NB04 SGS斜率-30.5天/年，p=0.008），EGS多提前而LGS空间异质，反映生长季起点与峰值普遍前移。3.3节驱动因子贡献指出，浊度在多数站相对贡献超50%，温度为次主导；NB00因半封闭水体温度与盐度贡献上升，NB03与ZS01几乎由浊度控制；岭回归在α=1时温度与浊度仍为首要贡献者。3.4节方法对比显示，阈值法、累积法、变化率法虽可识别藻华起止，但参数可移植低，CEEMDAN工作流在噪序列上更少需区域重标定。3.5节IMF分组敏感性分析表明，边界向高频移1个IMF时SGS/PGS/EGS平均差异在±2天内，向低频移1个IMF则SGS提前约19天、EGS推迟约16天，证明所提分组对高频侧调整稳健。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出短期与季节变异主导凸显浙江沿海浮游植物对瞬态强迫的高响应，近岸残差大受陆地输入、上升流、潮汐及人类活动影响；生长季提前与气候变暖下温度与光阈值提早达成一致，SGS与FirstPeak强相关反映早期环境适宜性；浊度与叶绿素a相互强化，高浊度限制光穿透但悬浮体亦随藻华增加，温度（如Prorocentrum donghaiense最适20°C、Karenia mikimotoi最适24°C、Skeletonema costatum约25°C）与浊度为统计最强关联因子，但相对贡献非直接因果。结论为：基于CEEMDAN的物候框架首次将EMD系列引入浮标叶绿素a物候提取，在2016至2020年浙江沿海多数区域检测到藻华起始与峰值显著提前，温度与浊度为最密切关联因子；该方法以数据驱动自适应基线降低对固定阈值依赖，可分离高频红潮事件与季节长期趋势，为富营养化及污染压力下沿海物候响应分析与生态管理提供可操作工具。