总碱度和总溶解无机碳是海水碳酸盐体系的两个关键参数，调控着海洋缓冲酸化和储存碳的能力，直接影响海洋碳收支。然而，受制于观测手段，长期以来Aт和Cт数据的获取主要依赖船基观测，其成本高昂，所获取的数据覆盖率有限，难以捕捉到其在海洋环境中的动态变化，尤其是在物理和生物地球化学过程复杂的边缘海区域。此外，Aт和Cт均不具有可见光波段的光谱特征，且易受到物理过程以及生物地球化学过程的影响，通过水色卫星遥感反演Aт和Cт存在较大挑战。新兴的机器学习方法能够精准刻画复杂的多变量非线性关系，显著提升海洋参数的反演精度，在海洋碳循环研究中具有广阔的应用前景。该研究以黄海和东海为研究区域，基于过去17年（2005-2021）的碳酸盐参数以及环境参数观测数据集，利用MPNN模型，将相关环境参数（海表温度、海表盐度、叶绿素a）、经纬度以及时间信息作为模型输入，经过多轮迭代优化，最终构建了黄海和东海海表Aт和Cт的反演模型。
模型反演结果表明：Aт和Cт模型的均方根误差分别为26.59μmol/kg和37.14μmol/kg，模型的泛化能力突出，在通过卫星遥感反演海表Aт和Cт方面应用前景广阔。将构建的Aт和Cт反演模型应用于MODIS卫星产品上，首次生成了覆盖黄海和东海近二十年（2002-2022）空间分辨率~4 km的月平均Aт和Cт数据集，该数据集精细刻画了黄海和东海海表Aт和Cт的月平均空间分布模式。本研究进一步分析了黄海和东海海表Aт和Cт的季节变化及年际变化，揭示了其空间分布与水团环流、上升流和生物过程之间的紧密联系。此外，Aт和Cт的年际变化与环境因子以及气候指数（北太平洋环流振荡）之间也存在显著的相关性。该研究在全球范围内首次针对黄海和东海提出高精度的海表Aт和Cт卫星反演方案，不仅突破了传统经验算法在复杂海域中的适用性限制，更为研究海水碱化负排放、碳循环以及评估气候变化对近海生态系统的影响，提供了低成本、广覆盖、高精度的遥感理论支撑。
MPNN模型示意图
核心PI
刘纪化 |
山东大学
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1、国家自然科学基金委员会高技术研究发展中心, 国家重点研发计划, 2024YFF0507000, 典型海上养殖环境微型生物碳汇过程机制与增汇工程原理, 2024-12 至 2029-11, 2000万元, 在研, 主持；
2、国家自然科学基金委员会, 面上项目, 42476203, 增温扰动对近海有机碳转化和微生物群落响应机制研究：以鳌山湾为例, 2025-01-01 至 2028-12-31, 49万元, 在研, 主持；
3、海南省科学技术厅, 海南省重点研发项目, ZDYF2023SHFZ173, 海南“人工上升流”海洋负排放技术研发与示范, 2023-12 至 2026-12, 500万元, 在研, 参与；
4、南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）, 自主科研项目, SML2020SP004, 南海典型生态系统微生物碳汇过程与碳指纹标识体系研发, 2020-11 至 2024-10, 300万元, 资助期满, 主持；
5、中海石油（中国）有限公司北京研究中心, 横向, CCL2022RCPS0407RSN, 海洋碱性矿物固碳技术固碳量和储碳量评估方法研究, 2022-07 至 2023-12, 41.2万元, 结题, 主持；
6、中海石油（中国）有限公司北京研究中心, 横向, CCL2022RCPS0316RSN, 海洋碳汇和微生物环境效应测试分析, 2022-07 至 2023-12, 61.8万元, 结题, 主持；
文章信息：
上述研究成果发表于国际权威期刊《Journal of Geophysical Research-Oceans》。山东大学海洋研究院博士后刘静为论文第一作者，刘纪化教授，中国海洋大学博士后朱庆为文章通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划（2024YFF0507000）等项目的支持。
论文发表：
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