全球海洋初级生产力时空关联模式挖掘与研究

论文摘要

海洋净初级生产力是海洋生态系统中重要参数,在自然环境和人类活动的双重作用下呈现出不同的区域差异和演变特征,但缺乏系统性的研究。卫星遥感数据具备大面积覆盖、长时间序列观测等特点,为研究海洋初级生产力提供了新的解决方案;地理时空挖掘技术利用归纳方法,在无需先验知识的前提下探讨多要素之间的时空关联模式,已被广泛应用于海洋时空关联模式的分析与研究。本文从地理时空关联挖掘的角度,开展全球海洋初级生产力与海洋环境要素、人类活动的关联研究,具体为:1.基于关联规则挖掘的概念与定义,设计了面向海洋初级生产力的时空关联规则挖掘算法。该算法的核心思想是“链接-剪枝”和以海洋初级生产力为核心项;具体实现流程为:离散化数据生成临时挖掘事务表—产生频繁1项集—产生只包含海洋初级生产力的频繁2项集—执行“链接-剪枝”递归操作—产生强关联规则;该算法的优点是:1)处理结果带有地理坐标信息,可为地理分析提供基础;2)以海洋初级生产力为核心项,极大地减少频繁项集的产生,提高算法运行效率。2.挖掘分析了 1998年1月～2017年12月全球海洋初级生产力和海洋表面温度、海面高度异常、海面降雨、混合层深度和ENSO（El Nino-Southern Oscillation）事件的时空关联模式。主要结论为:1)在西赤道太平洋,海面高度异常降低、海面降雨异常降低、混合层深度异常升高和海洋表面风速异常升高会提升真光层营养盐供应,致使海洋初级生产力的异常升高。2)在中赤道太平洋,海面高度异常升高、海面降雨异常升高、混合层深度异常降低和海洋表面风速异常降低会抑制真光层营养盐供应,致使海洋初级生产力的异常降低。3)在东赤道太平洋,海面高度异常升高和海面降雨异常升高会抑制真光层营养盐供应、混合层深度异常升高和海面风速异常升高降低了铁元素含量,从而导致海洋初级生产力的异常降低。4)在南太平洋,浮游植物丰度与营养盐呈负相关,海洋表面温度异常升高/异常降低会提升/抑制微生物光合作用效率、海面高度的异常升高/异常降低会抑制/提升真光层营养盐供应,致使海洋初级生产力的异常升高/异常降低。5)厄尔尼诺事件相较于拉尼娜事件更容易引起海洋初级生产力的异常变化。3.对比分析了五大河口区（长江河口区、珠江河口区、密西西比河河口区、尼罗河河口区、赞比西河河口区）海洋初级生产力的年、季、月、趋势分布特征。并利用1998年1月～2017年12月人类活动数据（夜间灯光数据、土地利用覆被数据、人口密度数据、PM2.5浓度数据）,探讨了人类活动强度对海洋初级生产力的影响。研究结果表明:1)河口区海洋初级生产力高值区集中分布在河流入海口区域,其主要原因是河流冲淡水携带大量营养盐进入该海域,促进微生物生长。2)受温度条件和河流冲淡水水量的影响,河口区海洋初级生产力存在明显的季节变化特征:亚热带海域冬季海洋初级生产力值较高,温带海域初级生产力高值出现在春季。3)受人类活动强度增强的影响,河流入海口处海洋初级生产力的值呈逐年升高的趋势。河流冲淡水和大气气溶胶运输是人类活动影响河口区海洋初级生产力的两种主要途径,河流入海口附近区域存在夜间灯光、人口密度和人类活动强度增强海洋初级生产力升高的模式;远海区域存在PM2.5浓度升高海洋初级生产力升高的模式。图40表8参74

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景与意义
•     1.1.1 研究背景
•     1.1.2 研究意义
•   1.2 研究进展
•     1.2.1 关联规则挖掘在地学领域应用
•     1.2.2 海洋环境要素对海洋初级生产力的影响
•     1.2.3 人类活动对海洋近岸生态、海洋初级生产力的影响
•   1.3 研究内容及论文框架
•     1.3.1 研究内容
•     1.3.2 论文框架
•   1.4 论文组织安排
• 2 面向海洋初级生产力的关联规则挖掘算法
•   2.1 关联规则基本概念
•     2.1.1 事务数据表
•     2.1.2 项集
•     2.1.3 关联规则
•     2.1.4 支持度
•     2.1.5 置信度
•     2.1.6 提升度
•     2.1.7 强关联规则
•   2.2 面向NPP的关联规则挖掘算法
•     2.2.1 Apriori算法及不足
•     2.2.2 面向NPP的关联规则挖掘算法流程
•     2.2.3 生成挖掘事务表
•     2.2.4 生成频繁1-项集
•     2.2.5 生成频繁多项集
•     2.2.6 生成强关联规则
•     2.2.7 算法实例
•     2.2.8 算法性能分析
•   2.3 本章小结
• 3 海洋初级生产力与海洋环境要素时空关联模式分析
•   3.1 数据及预处理
•   3.2 海洋初级生产力与海洋环境要素的时空关联模式
•     3.2.1 算法参数设置和挖掘结果的总体介绍
•     3.2.2 海洋表面温度与海洋初级生产力关联模式
•     3.2.3 海面降雨与海洋初级生产力的关联模式
•     3.2.4 海面高度与海洋初级生产力的关联模式
•     3.2.5 混合层深度与海洋初级生产力的关联模式
•     3.2.6 海洋表面风速与海洋初级生产力的关联模式
•     3.2.7 ENSO事件与海洋初级生产力的关联模式
•     3.2.8 混合层深度、海洋表面风速与NPP的关联模式
•     3.2.9 海洋表面温度、海面降雨、海面高度与NPP的关联模式
•     3.2.10 SST,SSP,SLA,MLD,WS与海洋初级生产力的关联模式
•   3.3 本章小结
• 4 典型河口区NPP分布特征及对人类活动的响应
•   4.1 数据与研究区
•     4.1.1 数据与预处理
•     4.1.2 研究区介绍
•   4.2 河口区海洋初级生产力气候态分布特征
•     4.2.1 气候态年均分布特征
•     4.2.2 气候态季节变化特征
•     4.2.3 气候态月度变化特征
•     4.2.4 年均值趋势变化特征
•   4.3 人类活动对海洋初级生产力的影响
•     4.3.1 长江河口区人类活动对海洋初级力的影响
•     4.3.2 珠江河口区人类活动对海洋初级生产力的影响
•     4.3.3 密西西比河河口区人类活动对海洋初级生产力的影响
•     4.3.4 尼罗河河口区人类活动对海洋初级生产力的影响
•     4.3.5 赞比西河河口区人类活动对海洋初级生产力的影响
•   4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及读研期间主要科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 孙强

导师: 王世航,薛存金

关键词: 海洋初级生产力,关联规则挖掘,关联模式,海洋环境要素,人类活动

来源: 安徽理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 海洋学,环境科学与资源利用

单位: 安徽理工大学

基金: 国家自然科学基金项目“面向过程的海洋异常变化时空关联模式挖掘方法”项目,国家重点研发计划子课题(2016.01-2020.12):数据驱动的海洋初级生产力时空认知模型

分类号: X145;P73

总页数: 89

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