כלורופיל פני הים, טמפרטורה, גובה פני הים, רוח ונתונים קדמיים שהושגו או נגזרו מתצפיות לוויין מציעים דרך יעילה לאפיין את האוקיינוס. מוצגת שיטה למחקר מקיף של נתונים אלה, כולל ממוצע כולל, מחזור עונתי וניתוחי יחסי גומלין, כדי להבין באופן מלא את הדינמיקה האזורית ואת המערכות האקולוגיות.
תצפיות לוויין מציעות גישה מצוינת לחקור את התכונות של פרמטרים ימיים עיקריים, כולל כלורופיל פני הים (CHL), טמפרטורת פני הים (SST), גובה פני הים (SSH), וגורמים הנגזרים פרמטרים אלה (למשל, חזיתות). מחקר זה מראה הליך שלב אחר שלב לשימוש בתצפיות לוויין לתיאור פרמטרים מרכזיים ויחסיהם בתחומים עונתיים וחגומיים. שיטה זו מודגמת באמצעות ערכות נתונים לוויין 2002-2017 ששימשו לתיאור תכונות פני השטח של ים סין הדרומי (SCS). בשל כיסוי ענן, נעשה שימוש בנתונים ממוצעים חודשיים במחקר זה. הפונקציה האמפירית אורתוגונלית (EOF) הוחלה כדי לתאר את ההתפלגות המרחבית ואת השונות הזמנית של גורמים שונים. רוח המונסון שולטת על השונות באגן. לכן, רוח מ dataset ניתוח מחדש שימש כדי לחקור את הכוח המניע שלה על פרמטרים שונים. השונות העונתית ב- CHL הייתה בולטת ומתואמת באופן משמעותי עם גורמים אחרים ברוב ה- SCS. בחורף, מונסון צפון-מזרחי חזק גורם לשכבה מעורבת עמוקה ורמה גבוהה של כלורופיל בכל האגן. מקדמי מתאם משמעותיים נמצאו בין הגורמים במחזור העונתי. בקיץ, רמות CHL גבוהות נמצאו בעיקר ב- SCS המערבי. במקום תלות עונתית, האזור היה דינמי מאוד, וגורמים מתואמים באופן משמעותי בתחומים חריגים כך שרמות CHL גבוהות במיוחד היו קשורות לרוחות חזקות באופן חריג ולפעילויות חזיתיות אינטנסיביות. המחקר מציג הליך שלב אחר שלב לשימוש בתצפיות לוויין לתיאור פרמטרים מרכזיים ויחסיהם בתחומים עונתיים וחגומיים. השיטה יכולה להיות מיושמת על אוקיינוסים גלובליים אחרים ותסייע להבנת הדינמיקה הימית.
טכנולוגיית חישה מרחוק מציעה ערכות נתונים נהדרות עם קשקשים מרחביים גדולים ותקופות ארוכות לתיאור סביבות ימיות. עם הרזולוציה המרחבית הגוברת של לוויינים, תכונות מפורטות נפתרות כעת מן הסולם האזורי כמה מאותמטרים 1,2. הבנה משופרת של הדינמיקה הימית ניתן להשיג עם תצפיות לווין המעודכנותביותר 3.
על ידי שילוב חיישנים מרובים בפלטפורמת חישה מרחוק, תיאור מקיף של פרמטרים שונים אפשרי. טמפרטורת פני הים (SST) הוא הפרמטר הבסיסי שנצפה במשך יותר מחצי מאה4. לאחרונה, תצפיות על פני הים chlorophyll-a (CHL) הפכו לזמינים ו ניתן להשתמש בהם כדי לתאר את הפרודוקטיביותהימית 5. לווייני Altimetry משמשים למדידת גובהפני הים 6,7, אשר קשורה קשר הדוק לפעילויות אודי mesoscale באוקיינוס העולמי8,9. בנוסף לאדי, פעילויות פרונטל חשובות גם להשפעה על הדינמיקה האזורית והייצור הראשוני10.
המוקד העיקרי של המחקר הנוכחי הוא למצוא הליך סטנדרטי לתיאור ההתפלגות המרחבית והמגוון הזמני של גורמי אוקיינוס שונים. בשיטה זו, SST, CHL, SSH ונתונים קדמיים, הנגזרים ממילויים הדרגתיים של SST, מנותחים כדי לקבוע תבניות. בפרט, CHL משמש כדי לייצג את הפרודוקטיביות של האוקיינוס, שיטה מוצגת כדי לחקור את הקשר בין CHL ופרמטרים אחרים האוקיינוס. כדי לאמת את השיטה, פרק הזמן שבין אוקטובר 2002 לספטמבר 2017 בים סין הדרומי שימש לבחינת כל הפרמטרים. השיטה יכולה לשמש בקלות עבור אזורים אחרים ברחבי העולם כדי ללכוד דפוסי אוקיינוס מרכזיים ולחקור כיצד הדינמיקה הימית משפיעה על המערכת האקולוגית.
ים סין הדרומי (SCS) הוגדר כאזור המחקר בשל שיעור הכיסוי הגבוה יחסית של תצפיות לוויין. SCS הוא בשפע קרינת השמש; לכן, CHL נקבע בעיקר על ידי הזמינות של חומריםמזינים 11,12. עם יותר חומרים מזינים מועברים לשכבה האופטית, רמות CHL יכול להגדיל13. ערבוב, המושרה על ידי רוח, יכול להכניס חומרים מזינים לתוך פני האוקיינוס ולשפר CHL14. ה- SCS נשלט באופן ייחודי על ידי מערכת רוח מונסון, הקובעת את הדינמיקה ואת המערכת האקולוגית באזור. רוח המונסון היא החזקה ביותר בחורף15. בקיץ הרוחות משנים כיוון ומהירויות הרוח חלשות בהרבה מאלה בחורף16,17. עוצמת הרוח יכולה לקבוע את עוצמת הערבוב האנכי, כך שעומק השכבה המעורבת (MLD) מעמיק ככל שהרוח עולה בחורף והופך רדוד יותר ככל שהרוח פוחתתבקיץ 18. לכן, חומרים מזינים יותר מועברים לשכבה האופטית במהלך החורף כאשר הרוחחזקה 19 ו CHL מגיע לנקודה הגבוהה ביותר שלהשנה 20,21.
בנוסף לרוח, MLD ניתן לקבוע גם באמצעות גורמים אחרים, כגון SST וחריגות פני הים (SLAs), אשר בסופו של דבר להשפיע על תוכן מים מזינים CHL22. במהלך החורף, שיפוע אנכי חלש קשור לטמפרטורות נמוכות על פני השטח20. MLD המתאים הוא עמוק וחומרים מזינים יותר ניתן להעביר כלפי מעלה; לכן, CHL בשכבת פני השטח הואגבוה 17. וריאציה גוברת ברמות CHL ניתן לייחס אדי mesoscale, אשר לגרום תחבורה אנכית ערבוב23. Upwelling נמצא בדרך כלל אדי ציקלוני הקשורים SLAs מדוכא8,9 וריכוזי CHLגבוהים 24. Downwelling נמצא בדרך כלל אדי אנטי סיקלוני הקשורים SLAs מוגבה8,9 ו ריכוזי CHL מדוכא24. בעונות אחרות, ה-MLD הופך רדוד, והשילוב נחלש; לכן, CHL נמוך ניתן לראות על פני רוב האגן25. המחזורים העונתיים של רמות CHL הם לאחר מכן דומיננטי עבור האזור26.
בנוסף לערבוב, חזיתות ואת upwelling החוף הקשורים שלהם יכול עוד יותר לווסת את CHL. החזית, המוגדרת כגבול של מסות מים שונות, חשובה כדי לקבוע את זרימת הדם האזורית ואת תגובות המערכת האקולוגית27. פרונטוגנזה קשורה בדרך כלל עם החוף upwellingוהתכנסות 28,29, אשר יכול לגרום חומרים מזינים להעלות את הצמיחה של פיטופלנקטון30. אלגוריתמים שונים פותחו כדי לזהות באופן אוטומטי חזיתות מתצפיות לווין, כולל שיטות היסטוגרמה ושיפוע SST. הגישה האחרונה מאומצת במחקר זה28.
המתאם של סדרות זמן בין CHL וגורמים שונים מציע תובנות נהדרות לכמת את מערכת היחסים שלהם. המחקר הנוכחי מציע תיאור מקיף של אופן השימוש בתצפיות לוויין כדי לחשוף את הדינמיקה הימית האזורית הקשורה לפרודוקטיביות. תיאור זה יכול לשמש כמדריך לחקירת תהליכי פני השטח בכל חלק של האוקיינוס. המבנה של מאמר זה כולל פרוטוקול שלב אחר שלב, ואחריו תוצאות תיאוריות בטקסט ובמספרים. היישום בנוסף היתרונות והחסרונות של השיטה נידונים לאחר מכן.
במחקר זה, התכונות העיקריות של מערכות ימיות מתוארות באמצעות תצפיות לווין. ה- CHL, בו ניתן להשתמש כדי לייצג את ייצור האוקיינוס, נבחר כמגורם מחוון. גורמים הקשורים לשונות CHL נחקרו באמצעות סדרת זמן ממוצעת חודשית, למשל, SST, WS, WSC, FP ו- SLA. שלושה שלבים קריטיים מתוארים במחקר זה: רכישת נתוני לוויין עבור פרמטרים שונים, תיאור השונות המרחבית והזמןית שלהם באמצעות EOF, וקביעת יחסי גומלין בין גורמים שונים על ידי חישוב מקדמי מתאם. הליך מפורט המציג את הזיהוי להפצה פרונטלית יומית, הנגזרת מתצפיות SST, כלול. שתי גישות עיקריות פותחו לגילוי קדמי של SST: שיטת ההדרגה10,38 ושיטת ההיסטוגרמה39,40. שיטת ההיסטוגרמה מבוססת על טווח ערכים דומה עבור SST, אשר ניתן להשתמש בהם כדי לחלק את מסות המים לקבוצות שונות. הפיקסלים עם הערכים בין קבוצות שונות המייצגות את הפיקסל ברצועה מעבר מוגדרים כחזיתות. מצד שני, שיטת ההדרגה מפרידה בין מספר גופי מים אחידים יחסית לפיקסלים עם ערכי מעבר צבע גדולים. מחקר השוואה נערך, והם מצאו שיעורים כוזבים נמוכים יותר באמצעות שיטת היסטוגרמה ופחות חזיתות שלא נענו בשיטההדרגתית 41. במחקר זה, השיטה המבוססת על שיפוע38 אומצה לאחר מחקריםקודמים 10,28. האלגוריתם יכול למנוע פריצה קדמית לרסיסי קצה מרובים בכך שהוא מאפשר לעוצמה לרדת לרמה מתחת לסף קטן יותר. בנוסף לערכות הנתונים הכלולות כאן, תצפיות לוויין אחרות, כגון מדד אירוסול, יכולות לשמש גם בגישה דומה.
ניתן להחיל את רוב ההליכים ישירות באזורים או בערכות נתונים אחרים. ייתכן שינוי כדי לשנות את סף הזיהוי הקדמי. מכיוון שמילוי הדרגתי של SST ב- SCS דומה למערכת זרם הגבול המזרחי28, אותם ספי סף יושמו עבור המחקר הנוכחי. מחקר קודם גילה כי שיפוע SST מערכות נתונים שונות יכול להשתנות ככל שלושפעמים 42, מה שהופך את השיטה איכשהו פחות אובייקטיבי. מחקרים משמעותיים חקרו פעילויות פרונטל סביב האוקיינוסיםהעולמיים 28,43. הגישה הטובה ביותר לאמת חזיתות היא להשוות אותם עם תצפיות situ. יאו44 תיאר את ההפצה הקדמית החודשית עבור SCS. התוצאות שלהם הסכימו היטב עם מדידות situ. יש לבדוק ולתאם את המילוי ההדרגתי הכולל מכיוון שהערך שלו עשוי להשתנות בהתאם לרזולוציה המרחבית והמכשירים. בפרט, יש לעדכן את הסף בעת שימוש ב ערכת נתונים אחרת של SST. הבנה בסיסית של הדינמיקה האזורית היא בסיסית להבנת פרוגנוגנזה45,46,47. סקריפט הזיהוי הקדמי יכול להיות מפותח על ידי מחברים בודדים בהתבסס על התיאור בעיתון זה.
מידע לוויין מציע הבנה מקיפה של תכונות פני השטח, והשוואה לתוצאות עם תצפיות situ יכול לסייע בהערכת אמינות. עם זאת, תצפיות לווין מוגבלות לפני השטח של האוקיינוס, אשר מגביל את היישום להבנת המבנה האנכי של עמוד המים. במחקר שנערך לאחרונה, תצפיות לווין גילו כי CHL פני השטח גדל פי 15, אבל הערך המשולב האנכי רק עלה על ידי 2.5פעמים 48. הבדל זה היה כי ערך פני השטח הושפע ממקדמי הצמיחה של פיטופלנקטון והלקת MLD, וכתוצאה מכך ערך בלתי ניתן לתיעוב על פני השטח. לכן, ייתכן שתכונת פני השטח לא תציע תיאור מדויק עבור עמוד המים כולו. בנוסף, ההשפעה של כיסוי ענן מגבילה את התצפיות המתמשכות של לוויינים. לכן, סדרות זמן חודשיות מחושבות עבור גורמים שונים על פני אותו אזור ואותה תקופה. זה יבטיח את האמינות של חישוב המתאמים בין גורמים שונים. עם זאת, אירועי התקופה הקצרה, למשל, טייפונים שימשך כמה ימים עד שבוע, לא ייפתרו.
בהשוואה למחקרים קודמים, השיטה המוצעת יכולה להציע מידע מרחבי ברמת הפיקסל, אשר יכול לעזור להעריך את הדינמיקה בצורה מפורטת יותר. כמה מחקרים קודמים בממוצע SCS כולו כמספר אחד וקיבלו סדרת זמן. הם מצאו כי WS חזק במיוחד SST גבוה יכול לגרום CHL גבוה באופן חריג16, אשר עולה בקנה אחד עם התוצאה הנוכחית. עם זאת, הווריאציה המרחבית ביחסים לא נפתרה. במחקר זה, המתאם בקנה מידה אגן בין WS ו CHL היה חלש בתחום החריג. מתאם משמעותי גדול זוהה רק באזורים מסוימים, למשל, במרכז ה-SCS (איור 9B). לכן, השיטה הנוכחית מציעה תיאור מקיף לחקירת וריאציות מרחביות. באופן דומה, תצפיות משני מצופים ביו-ארגו שימשו וחשפו כי WSC לא לתאם עם השתנות CHL20. עם זאת, המסלולים של שני הצפים ממוקמים רק באזורים מסוימים. במקרה זה, זה היה בדיוק בתוך הלהקה שבה המתאם בין רמת CHL לבין WSC לא היה משמעותי (איור 8D). השיטה המוצעת מסייעת מאוד לפתרון התלות המרחבית בין הגורמים, שהיא מאפיין בסיסי של האוקיינוס העולמי.
לסיכום, השיטה המשמשת כאן יכולה לתאר במדויק את ההתפלגות המרחבית ואת השונות הזמנית בתכונות פני הים באמצעות תצפיות לווין. עם הרזולוציה הגוברת של ערכות נתונים לווין, תכונות מפורטות יותר ניתן לזהות ולחקר, המאפשר הבנה כללית של תכונות אזוריות, כולל CHL, SST, ו SSH. המתאם של סדרות זמן חודשיות בין גורמים שונים יכול לסייע בהבנת היחסים הדינמיים שלהם ואת ההשפעה הפוטנציאלית על מערכתאקולוגית 49. מכיוון שהמתאם יכול להשתנות במידה רבה במיקומים מרחביים שונים, השיטה המוצעת מציעה תיאור מפורט ומקיף. גישה דומה יכולה להיות מיושמת על כל אגן אוקיינוס ברחבי העולם, אשר יהיה מאוד מועיל כדי לשפר את ההבנה של הדינמיקה הימית ומערכות אקולוגיות.
The authors have nothing to disclose.
התמיכה של התוכנית הלאומית למחקר ופיתוח מפתח של סין (מס ‘2016YFC1401601), מחקר לתואר שני & תרגול תוכנית חדשנות של מחוז ג’יאנגסו (לא. SJKY19_0415) בתמיכת קרנות המחקר הבסיסיות של האוניברסיטאות המרכזיות (מס ‘ 2019B62814), הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (מס ‘41890805, 41806026 ו 41730536) ומחקרים ימיים ואקולוגיים מתקדמים משותפים במפרץ בנגל ובאוקיינוס ההודי המשווני המזרחי הוכרו מאוד. המחברים מעריכים את אספקת הנתונים ממקורות כולל מינהל האווירונאוטיקה החלל הלאומי (נאס”א), המרכז האירופי לתחזיות מזג אוויר לטווח בינוני (ECMWF), שירות ניטור ימי וסביבתי קופרניקוס (CMEMS) והמינהל הלאומי לאוקיינוסים ואטמוספירה (NOAA).
Matlab | MathWorks | Matlab R2016 | https://www.mathworks.com/products/matlab.html; referred to analysis software in the protocol |
Sea surface chlorophyll | NASA | MODIS | mg/mg3 (podaac-tools.jpl.nasa.gov) |
Sea surface height | AVISO | AVISO | meter (www.aviso.altimetry.fr) |
Sea surface temperature | NASA | MODIS | °C (podaac-tools.jpl.nasa.gov) |
Topography | NOAA | NGDC | meter (maps.ngdc.noaa.gov/viewers/wcs-client/) |
Wind | ECMWF | ERA-interim | m/s (www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets) |