基于卫星的叙利亚陆架（东地中海）叶绿素a空间非平稳性与聚类特征的驱动因子分析

《Journal of Marine Systems》：Spatially non-stationary drivers and clustering of chlorophyll-a across the Syrian continental shelf (Eastern Mediterranean): A satellite-based analysis

　　

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  首个基于卫星的叙利亚陆架叶绿素-a驱动因子空间非平稳性评估。
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  全局Moran's I揭示了叶绿素-a的强烈且持续的空间聚集效应（I = 0.53–0.60）。
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  局部Moran's I识别出稳定的近岸高-高聚集区和外海低-低贫营养区。
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  地理加权回归（GWR）显著改善了普通最小二乘法（OLS）的表现（调整R² = 0.91–0.95）。
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  海表温度和海底地形与叶绿素-a分布之间表现出最强的空间变异相关性。

引言

东地中海是全球最贫营养的海洋区域之一，理解浮游植物生物量的空间变异性对于有效监测沿海生态系统至关重要（Colella等，2016；Siokou-Frangou等，2010）。尽管该区域整体呈贫营养特征，但由于人为压力的影响——包括城市化、农业、工业以及河流营养物质输入——大陆架的局部区域经常形成生产力热点（Barale等，2008；Kalloniati等，2023）。因此，大陆架是海洋资源监测和管理中具有重要环境和社会经济意义的区域。

叶绿素-a（Chl-a）被广泛用作浮游植物生物量的替代指标，以及与海洋初级生产力相关的指示因子，是评估生态系统健康、富营养化及水质的关键指标（Di Cicco等，2025；Heath等，2024；Pavlidou等，2015）。尽管原位观测具有较高的准确性，但其有限的时空覆盖范围限制了其在区域尺度评估中的适用性，因此基于卫星的海色遥感成为监测海洋环境中Chl-a变异性——尤其是地中海地区——的主要手段（Volpe等，2007；Volpe等，2019）。

大陆架Chl-a的空间变异性受到不同空间尺度上多种相互作用的环流控制因子的影响。海表温度（SST）与浮游植物的生理响应和生长条件相关，而海底地形则可能影响营养盐可用性、垂直混合以及陆架与开阔海域之间的交换过程。河流和港口的局部输入也可能导致营养盐富集（Kotta和Kitsiou，2019；Kournopoulou等，2024）。理解这些驱动因子的综合作用对于解释空间变异性、指导可持续沿海管理以及识别可能受环境胁迫的敏感区域至关重要。

以往针对地中海地区的研究已应用空间自相关和区域化方法来表征浮游植物分布，并识别贫营养海洋环境中反复出现的生态省区（Basterretxea等，2018；D'Ortenzio和D'Alcalà，2009）。尽管这些方法能有效识别相对均质的生态区域并刻画宽泛的空间格局，但它们对Chl-a变异性相关的环境关系提供的信息有限，且未明确量化这些关系如何随地理位置而变化。

为弥补这一不足，可采用空间显式的统计方法来检验地理异质性环境关系。在这些方法中，地理加权回归（GWR）提供了一种局部建模框架，其回归系数在局部而非全局层面进行估计，从而使环境预测变量与响应变量之间的关系能够在空间上发生变化（Brunsdon等，1996；Fotheringham等，2002）。这一特性使GWR尤其适用于环境过程呈空间非平稳性的生态系统。

尽管GWR已广泛应用于社会环境研究（Fotheringham等，2017；Jiang和Xu，2013；Lu等，2014；Oshan等，2019）和气候研究（Chao等，2018；Fallah Ghalhari和Dadashi Roudbari，2018），但其在海洋生态和生物地球化学系统中的应用仍相对有限。早期的统计建模研究已证明基于回归的方法在考察水系统中Chl-a变异性与环境条件之间的关联性方面具有实用性，包括基于传统普通最小二乘法（OLS）框架的应用（?elik，2006）。近期的海洋应用研究则展示了局部回归方法揭示空间异质性生态响应的潜力，例如考察热带海洋大型藻类多样性的环境控制因子（Keith等，2014）的研究，以及对中国浙江沿海水域Chl-a变异性的分析，其中GWR在捕捉局部环境效应方面优于传统普通最小二乘法（OLS）模型（Du等，2018）。

然而，明确地将卫星获取的Chl-a观测数据与局部回归方法结合应用于东地中海大陆架尺度的研究仍然有限。局部回归方法在海洋环境中的应用还需仔细考虑方法论方面的挑战，包括对带宽选择的敏感性、解释变量之间的局部多重共线性以及在精细空间分辨率下的过拟合风险（Fotheringham等，2002；Oshan等，2019）。因此，模型校准、诊断评估以及残差空间结构的检验对于确保对空间变异关系的有意义解释是必要的。

尽管叙利亚大陆架具有重要的生态意义，且东地中海地区卫星海色观测数据日益丰富，但对叙利亚沿海水域Chl-a变异性及其环境控制因子的定量认识仍然有限。以往研究主要集中于利用空间覆盖范围有限的原位观测数据描述Chl-a分布、季节动态或更广泛的物理与生物地球化学过程（Hussein等，2011；Joulak，2020）。迄今为止，将卫星观测与空间统计方法相结合以在大陆架尺度上明确量化Chl-a环境控制因子的研究仍然有限。

叙利亚大陆架预计将表现出与中尺度环流模式、河流输入、海底地形梯度及沿海人为压力相关的显著空间异质性。在这些条件下，假设空间平稳关系成立的常规全局回归方法可能无法充分反映局部生态响应。因此，一个关键未解决的问题是：主要环境预测变量与Chl-a之间的关系在整个大陆架上是否保持空间均匀，还是随地理位置和季节发生变化，以及考虑空间非平稳性是否能改善对观测到的Chl-a格局的解释。

为弥补这一知识空白，本研究将多年份Sentinel-3 OLCI观测数据与空间统计建模相结合，旨在：（i）考察叙利亚大陆架Chl-a的空间和季节格局；（ii）量化所选环境预测变量与Chl-a之间的关联；（iii）评估这些关系的空间非平稳性。通过将卫星遥感与地理空间建模相结合，本研究为Chl-a动态的环境控制因子提供了空间显式的见解，并支持对数据匮乏区域——东地中海——大陆架生态系统的更好理解和管理。

章节摘要

研究区域

叙利亚海岸线沿东地中海延伸约183公里，北起土耳其边界，南至黎巴嫩边界（Ibrahim，2008）。叙利亚大陆架通常定义为水深小于200米的海域区域，位于东地中海盆地，大致介于东经35°42′至36°00′、北纬34°37′至35°55′之间，覆盖面积约915平方公里（图1）。

与其他地中海大陆架相比，叙利亚

Med-OC4叶绿素-a反演不确定性

Med-OC4产品得出的月度对数转换Chl-a值与现有原位观测数据之间的比较显示，两者之间存在统计显著的弱正相关关系（Pearson's r = 0.75，p < 0.001；n = 17）（图4），这表明尽管可用观测数据数量有限，该产品仍能在叙利亚大陆架区域再现Chl-a的主要时间变异性。这一一致性水平与以往研究报道的Sentinel-3/OLCI令人满意的性能一致。

结论

本研究利用多年份Sentinel-3 OLCI观测数据（2016–2025），考察了叙利亚大陆架Chl-a的时空变异性、空间聚集特征以及Chl-a与所选环境预测变量之间的空间变异关系。结果表明，Chl-a表现出持续的年际循环，其特征为冬季和早春浓度较高，夏季和秋季浓度较低，同时未检测到统计显著的长期

CRediT作者贡献声明

Assem Khatib：文稿撰写与审阅编辑、原创文稿撰写、可视化、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、调查研究、资金获取、形式化分析、数据整理、概念构思。Fadi Chaaban：文稿撰写与审阅编辑、软件、方法学、资金获取、概念构思。

资金

本研究由叙利亚拉塔基亚大学资助。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢叙利亚海洋研究高等学院（HIMR）提供的宝贵支持，包括为本研究提供数据、参考文献和计算资源。作者还感谢美国地质调查局（USGS）和哥白尼海洋服务提供的开放获取卫星数据和叶绿素-a产品，这些资源在本研究中得到了应用。

Assem Khatib | Fadi Chaaban