利用卫星衍生预测因子预测葡萄牙海岸的Pseudo-nitzschia有害藻华

# 使用卫星衍生预测因子预测葡萄牙沿海的伪菱形藻有害藻华 来源：https://arxiv.org/html/2607.07834

###### 摘要

伪菱形藻（Pseudo-nitzschia）硅藻对葡萄牙大西洋沿岸的沿海生态系统和贝类捕捞构成反复出现的风险，对藻华发生的业务化预报可以通过实现更早、更有针对性的管理响应来支持监测计划。本文开发并评估了一个时空机器学习框架，该框架在现实的预报约束条件下，完全使用卫星衍生预测因子来预测有害藻华（HAB）的发生。我们首先利用5,882个观测数据，描述了葡萄牙沿海贝类生产区（L1–L9）的环境和生物变异性，提供了一个系统层面的背景。然后，针对核心研究区域（L1–L2区域）——伪菱形藻和软骨藻酸事件的热点区域——开发了预测模型，使用了一个十年期的匹配数据集（2013–2023年；1,440个观测值和超过1,000个卫星衍生预测因子，包括海面温度、经验性上升流指数、叶绿素a和浮游植物功能类型）。为了解释沿海异质性，我们使用了一个考虑河流影响的时空聚类方案，将采样点划分为具有生态意义的子区域。一种严格的时空交叉验证策略同时保留了整个年份和空间聚类，防止了时间和空间信息泄漏，并紧密模拟了真实世界的预报条件。在多种模型类别和特征配置下，HAB的发生表现出中等程度的可预测性。基于集成树的方法实现了最强的区分能力：使用环境预测因子时，随机森林达到了0.74±0.05；添加生物变量后，极端随机树达到了0.77±0.06。特征重要性分析表明，季节结构、空间背景和滞后的环境条件主导了模型决策，而生物指标则在物理条件适宜的时期进一步细化了藻华发生的可能性。该框架展示了卫星支持的HAB早期预警系统在东部边界上升流海岸的业务化相关技能。

###### 关键词：伪菱形藻，有害藻华，遥感，机器学习，时空预报，葡萄牙大西洋沿岸

## 要点

- • 时空机器学习仅使用卫星数据预测伪菱形藻HABs。
- • 严格的年份×聚类交叉验证防止了时间和空间信息泄漏。
- • 带有生物预测因子的极端随机树达到ROC–AUC 0.77±0.06。
- • 滞后SST、上升流和叶绿素a是主要预测因子。
- • 该框架支持伊比利亚上升流边缘的业务化早期预警。

## 1 引言

伪菱形藻（Pseudo-nitzschia）硅藻属全球分布于沿海和开阔海域，但并非所有种类或藻华事件都有害。某些种类会产生神经毒素软骨藻酸，这是失忆性贝类中毒的病原体，其后果从人类严重神经系统疾病到海洋哺乳动物和海鸟的大规模死亡不等[38 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib3),41 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib27)]。从无害存在到有毒藻华的转变通常由环境压力驱动，包括营养盐变化、温度波动和上升流动态，这些因素可以在细胞丰度相对较低的情况下迅速触发毒素产生[26 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib69),18 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib31)]。鉴于这些事件发生频率的增加及其对公共卫生、渔业和水产养殖业已充分记录的影响，显然需要能够预测藻华条件并支持更早、更有针对性的管理响应的预测工具[21 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib17),22 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib38)]。

伪菱形藻的常规监测依赖于现场采样，这仍然是验证贝类细胞浓度和生物毒素水平的业务化标准。然而，现场计划的时空覆盖范围本质上受到成本和物流的限制，而大尺度卫星观测提供了关于藻华发展前物理和生物条件的补充信息来源[12 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib12)]。标准海洋水色产品无法区分伪菱形藻和其他浮游植物，但应用于卫星衍生环境和生物变量的统计和机器学习方法已在多个沿海系统预测藻华适宜条件方面显示出有意义的技能[4 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib85),19 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib11)]。加利福尼亚有害藻类风险映射系统表明，将卫星观测与物理模型输出相结合可以支持每日业务化预测伪菱形藻丰度升高[1 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib7)]，展示了这种方法在常规监测支持中的潜力。在其他地区实现这一潜力需要框架适应当地物理强迫，基于长期观测记录，并在现实的预报约束下进行评估。

葡萄牙大西洋沿岸在这方面是一个特别引人注目的场所。它位于伊比利亚东部边界上升流系统内，那里反复出现的风生上升流和河流输入创造了高度动态的沿海条件，已知有利于偶发性的伪菱形藻增殖[36 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib6),34 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib5)]。葡萄牙支持着国家重要的双壳类水产养殖业，因生物毒素而关闭贝类捕捞会带来重大的社会经济后果[5 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib4)]。业务化监测由葡萄牙海洋与大气研究所（IPMA）进行，其管理着沿海分类贝类生产区，并维护着浮游植物丰度和贝类生物毒素的长期每周到每月记录。北部生产区L1和L2已被反复确定为反复出现伪菱形藻华和软骨藻酸事件的热点区域[42 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib10),43 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib86)]，并且在2013–2023年研究期间，沿着葡萄牙沿海累计了最多的捕捞禁令天数。这些长期的、空间分辨的数据集，连同充分表征的物理强迫，使葡萄牙沿海成为开发和验证将卫星观测转化为可操作风险评估的预测模型的理想场所[38 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib3),42 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib10)]。

尽管有常规监测，但管理决策目前主要依赖于历史模式和季节性经验，并且单独的细胞浓度是公共卫生风险的不完美指标，因为在相对较低的细胞丰度下也可能出现有害的毒素水平[43 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib86),42 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib10)]。因此，理解藻华发展的环境驱动因素仍然对于提高现有监测计划的效率和早期预警能力至关重要。这些考虑因素推动了本研究中开发的数据驱动预报框架。我们整合了卫星衍生的物理和生物预测因子：海面温度、经验性上升流指数、叶绿素a和浮游植物功能类型，以及它们的滞后值，与来自IPMA的伪菱形藻细胞浓度的长期现场记录，以预测葡萄牙北部沿海的藻华发生。该框架明确为业务化现实而设计：预测因子完全来自卫星观测，监督目标独立于预测因子从现场测量定义，模型评估采用了严格的时空交叉验证协议，防止时间和空间信息泄漏。以下部分描述了用于开发和验证该预测框架的研究区域、数据源、建模策略和评估指标。

## 2 方法论

本研究的总体目标是使用完全来自卫星衍生的预测因子，在物理一致的评估约束下，量化葡萄牙大西洋沿岸伪菱形藻（PN）有害藻华（HAB）发生的业务化可预测性。为实现这一目标，我们：（i）构建一个统一的时空匹配数据集，将现场PN观测与每日卫星衍生的环境（SST, UI）和生物（CHL, PFTs）变量（包括代表近乎实时监测下信息可用性的滞后条件）进行空间匹配；（ii）根据PN细胞浓度定义一个业务化的HAB发生目标，并在强类别不平衡下评估预测技能；（iii）实施基于河流影响（ROFI）的生态知情空间划分，以及一个严格的时空交叉验证协议，通过年份和聚类联合阻塞同时阻止时间和空间信息泄漏；（iv）比较逐步丰富的特征配置（季节+空间、季节+空间+环境、季节+空间+环境+生物）和多种模型类别（线性、基于间隔的、基于集成树的）下的预报技能；以及（v）通过阈值依赖的权衡分析和空间明确的风险映射来解释模型输出，以支持适应性监测策略。

### 2.1 位置与地理特征

本研究沿着葡萄牙大西洋沿岸进行，这是一个动态强制的东部边界区域，在海洋学、生物地球化学和人为压力方面具有强烈的纬度梯度。海岸线从西北部与西班牙接壤的米尼奥河延伸到东南部靠近加的斯湾的圣安东尼奥雷阿尔城。这个伊比利亚沿海边缘支持着国家重要的渔业和水产养殖活动，并遭受反复出现的有害藻华（HAB）事件，需要常规环境监测和管理干预。风生上升流、河流营养输入、复杂陆架环流和人类活动之间的相互作用使葡萄牙沿海成为研究和预测PN动态特别合适的天然实验室。

葡萄牙浮游植物和海洋生物毒素的业务化监测由IPMA进行，其定义分类贝类生产区，并根据这些区域内的公共卫生风险管理捕捞限制；共有十三个正式分类的贝类生产区，以及河口区域。这些生产区构成了用于规范贝类捕捞、发布生物毒素警报和实施公共卫生建议的空间单位。为了描述目的，葡萄牙沿海被分为三个广泛区域：北部地区四个区域（L1–L4），中部地区三个区域（L5–L6，其中L5细分为L5a和L5b），以及南部地区六个区域（L7–L9，并有L7和L7c的进一步细分）。每个区域由固定的地理边界定义，通常向外延伸至约100米等深线，反映了广泛一致的生态特征和渔业管理的实际考虑。

在这一国家背景下，葡萄牙北部沿海，特别是L1和L2区域，已被反复确定为伪菱形藻华和相关软骨藻酸（DA）事件的热点区域[42 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib10),43 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib86)]。因此，这些区域被选为本研究的核心建模区域，特别是因为它们具有长期且一致的监测记录、高频率的HAB发生以及相对明确的物理强迫，这些都支持稳健的模型训练和评估，同时提供了一个可在未来应用中扩展到其他沿海部门的框架。在2013–2023年研究期间，L1和L2区域经历了最高的累积捕捞禁令天数（L1：677天；L2：784天），反映了它们反复暴露于DA相关的管理行动。尽管毒性预测不是本研究的主要建模目标，但历史上捕捞禁令的普遍性突出了该区域的生态和社会经济相关性，并进一步激励其被选为该预测框架的核心建模区域（图1 (https://arxiv.org/html/2607.07834#S2.F1) 和 图2 (https://arxiv.org/html/2607.07834#S2.F2)）。

请参阅图注 图1：2013年至2023年间IPMA报告的每个生产区累积贝类捕捞禁令天数。
请参阅图注 图2：按生产区划分的年捕捞禁令天数（2013–2023年）。条形颜色代表每个区域的总禁令天数。

该区域受到密集河流网络的影响，包括米尼奥河、利马河、卡瓦多河和杜罗河，它们在塑造沿海环境条件方面起着核心作用。河流排放形成近岸羽流，塑造了层化、浊度、营养盐可用性和浮游植物生物量的梯度，统称为“淡水影响区域”（ROFIs）。这些羽流通常形成浮力驱动的表层，从河口向外海和沿岸扩散，产生强烈的水平层化和营养盐可用性梯度，从而构建了沿海生态格局[25 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib139)]。河流驱动格局通常随着距离河口距离的增加而在外海和沿岸方向衰减，并对河流主导的陆架上的沿海浮游植物动态施加强控制[28 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib116),39 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib104),33 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib140)]。卫星观测和耦合物理-生物地球化学建模研究进一步表明，河流羽流形成连贯的空间格局，可以通过遥感检测，并用于划分具有共同环境强迫的沿海子区域[14 (https://arxiv.org/html/2607.07834#bib.bib103)]。这为本文所采用的考虑河流影响的空间聚类方法提供了物理基础，该方法在附录A (https://arxiv.org/html/2607.07834#A1)中完整描述。

请参阅图注 图3：葡萄牙大西洋沿岸贝类生产区的空间分布。突出显示了L1（维亚纳沿海）和L2（马托西纽什沿海）区域以及本研究中使用的采样点。这些区域是