作者 | 卢彬，韩璐羽
陆地溶解氧是维持陆地生态系统功能的关键因子。然而，随着环球变暖和人类活动影响加剧，近年来陆地呈现脱氧趋势，日渐窒息的陆地对渔业发展、气候调节等多方面造成严重后果。
近期，上海交通大学电子信息与电气工程学院王新兵、甘小莺教授团队联合上海交通大学陆地学院张经院士、周磊教授、周韫韬副教授，共同提出了一种稀薄陆地察看数据驱动的深度图学习模型 OxyGenerator，首次对 1920 年至 2023 年环球百年海域溶解氧数据举行重修，重修本能显著超越了专家经验主导的 CMIP6 系列数值模式结果。
钻研成果《OxyGenerator: Reconstructing Global Ocean Deoxygenation Over a Century with Deep Learning》目前已被中国计算机学会 A 类会议 International Conference on Machine Learning（ICML）录用，为分析复杂氧循环及气候调节提供了有力的数据支持，是人工智能与陆地学交织融合的积极尝试。
重修数据表明过去百年间溶解氧最小值低于 30µmol/kg 的最小含氧带（OMZ30）快速扩张，2023 年较 1920 年面积扩大三倍有余。这一发现对于理解OMZ长期变化具有重要意义，有助于未来更好地举行陆地监测与保护。
论文链接：http://arxiv.org/abs/2405.07233
为了全面深入理解陆地脱氧，从有效数据中发掘氧循环及其变化规律，2017 年 Schmidtko 等钻研者于《Nature》发文《Decline in global oceanic oxygen content during the past five decades》，首次采用空间插值方法实现了 1960 年以来环球陆地溶解氧数据的重修与定量分析。
然而，对于评估工业革命以来长期人类活动的具体影响，重修近五十年溶解氧记录远远不够。高度稀薄的历史察看和精度受限的空间插值方法成为解决问题的重要瓶颈。
World Ocean Database 2018、CLIVAR and Carbon Hydrographic Database、Argo、Global Ocean Data Analysis Project version2.2022、Geotraces IDP 等五个主要公开溶解氧数据库的察看数据量，陆地察看数据缺失率超过 90%
为此，上海交大的钻研团队汇聚了自 1900 年以来包括科考船航次调查数据、Argo 浮标察看数据、深海潜标实时察看等陆地溶解氧相关数据共计 60 亿条（存储数据量约 2TB），并举行了统一质控。
考虑到陆地水体的不规则边缘，以及高度稀薄察看数据的非均匀特色，通过图建模思想建立了四维时空图收集，充分考虑了地理学中的空间相关性、高价值察看样本，实现了察看数据与缺失数据间的跨时空信息传递。
鉴于陆地溶解氧的浓度变化同时受到了陆地物理与生化变量的影响，首先采用多层感知机对多要素数据的举行非线性特色提取，并通过双向长短期记忆收集举行溶解氧察看值的时序变化特色挖掘。
其次，由于环球陆地在不同历史时期和区域呈现异质时空关联，受到陆地学分区思想的启发，提出了自适应可变分区的图消息传递机制（Zoning-Varying Message-Passing），通过超收集参数生成算法，对不同分区的图消息举行仿射变换，实现可变分区的图信息传递。
最后，陆地学领域知识的融合有助于校准神经收集的不确定性。本钻研将陆地中氮、磷、氧的理想平衡比例关系（Redfield Ratio），设计了化学知识嵌入的梯度正则化方法，尽可能消除重修结果中的信号异常。
OxyGenerator 陆地脱氧重修框架
经与察看变量的多折交织验证，与专家主导的三组 CMIP6 数值模式结果对比，本钻研提出的 OxyGenerator 在四个重修本能评估指标上都取得了最佳表现，MAPE 减小了 38.77%，大大降低在开阔海域的重修误差。
OxyGenerator 与 CMIP6 实验本能比较
在察看数据充足的西太平洋、受特殊环境条件影响的黑海等区域，OxyGenerator 表现尤为突出，模型本能在百年间保持稳定。同时，结果很好地重修了历史时期厄尔尼诺/拉尼娜等特殊气候事件对溶解氧分布的扰动，也准确体现了温盐环流等大时间尺度水体运动特色。
本钻研是人工智能与陆地科学深度交织、密切合作的钻研成果，为应对环球性气候挑战开拓了新思路。未来，团队将继续推进深入合作数据驱动的地学科学发现钻研，积极发展先进技术赋能科学智能（AI for Science）领域钻研。