北大西洋三维海洋生物地球化学区域的揭示：系统性聚类方法比较与验证

定义海洋区域和水体有助于理解海洋过程，并可用于下游任务，如定义海洋保护区。然而，这些定义往往源于主观决策，可能导致误导性且不可重复的结果。本研究旨在通过系统比较NEMI框架（Native Emergent Manifold Interrogation, NEMI）中的聚类方法，客观地定义北大西洋的区域。约3亿次测量的盐度、温度和氧气、硝酸、磷酸和硅酸浓度值作为输入，用于各种聚类方法（k均值、层次聚类Wards方法以及基于密度的空间聚类带噪声应用（DBSCAN））。统一维度简化与投影（Uniform Manifold Approximation and Projection, UMAP）强调数据中的（不）相似性，同时降低维度。基于内部、外部和相对验证技术对聚类方法及其超参数进行系统性验证，结果表明UMAP-DBSCAN最能代表数据。令人惊讶的是，内部验证指标在比较聚类方法方面系统性不可靠。为解决随机变异性，进行了100次UMAP-DBSCAN聚类运行并按NEMI聚合，得到最终的321个聚类。通过集合重叠（$88.81\pm1.8\%$）和平均网格单元不确定性（$15.49\pm20\%$）评估了可重复性。地中海、深层大西洋水和拉布拉德海的案例研究显示，结果与常见水体定义高度一致。该研究通过系统性聚类方法比较，揭示了与以往概念（如Longhurst区域）更详细的区域划分。所采用的该方法客观、高效且可重复，将支持未来研究中海洋区域的生物地球化学差异及其变化。