論文の概要: Unveiling 3D Ocean Biogeochemical Provinces in the North Atlantic: A Systematic Comparison and Validation of Clustering Methods

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2504.18181v2
• Date: Mon, 11 Aug 2025 07:15:33 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-08-12 16:55:52.572189
• Title: Unveiling 3D Ocean Biogeochemical Provinces in the North Atlantic: A Systematic Comparison and Validation of Clustering Methods
• Title（参考訳）: 北大西洋における3次元海洋生物地球化学領域の展開 : クラスタリング手法の体系的比較と検証
• Authors: Yvonne Jenniges, Maike Sonnewald, Sebastian Maneth, Are Olsen, Boris P. Koch,
• Abstract要約: Aimは、クラスタリング手法の体系的な比較を通じて、北大西洋の地域を客観的に定義することを目的としていた。 塩分濃度, 温度, 酸素, 硝酸塩, リン酸塩, ケイ酸塩の濃度を入力として測定した。 その結果,UMAP-DBSCANはデータとして最適であることが判明した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.2932412290302258
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Defining ocean regions and water masses helps to understand marine processes and can serve downstream tasks such as defining marine protected areas. However, such definitions often result from subjective decisions potentially producing misleading, unreproducible outcomes. Here, the aim was to objectively define regions of the North Atlantic through systematic comparison of clustering methods within the Native Emergent Manifold Interrogation (NEMI) framework (Sonnewald, 2023). About 300 million measured salinity, temperature, and oxygen, nitrate, phosphate and silicate concentration values served as input for various clustering methods (k-Means, agglomerative Ward, and Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise (DBSCAN)). Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP) emphasised (dis-)similarities in the data while reducing dimensionality. Based on systematic validation of clustering methods and their hyperparameters using internal, external and relative validation techniques, results showed that UMAP-DBSCAN best represented the data. Strikingly, internal validation metrics proved systematically unreliable for comparing clustering methods. To address stochastic variability, 100 UMAP-DBSCAN clustering runs were conducted and aggregated following NEMI, yielding a final set of 321 clusters. Reproducibility was evaluated via ensemble overlap ($88.81\pm1.8\%$) and mean grid cell-wise uncertainty ($15.49\pm20\%$). Case studies of the Mediterranean Sea, deep Atlantic waters and Labrador Sea showed strong agreement with common water mass definitions. This study revealed a more detailed regionalisation compared to previous concepts such as the Longhurst provinces through systematic clustering method comparison. The applied method is objective, efficient and reproducible and will support future research on biogeochemical differences and changes in oceanic regions.
• Abstract（参考訳）: 海洋地域や水域の定義は海洋プロセスの理解に役立ち、海洋保護地域の定義などの下流の業務に役立てることができる。 しかし、そのような定義は、しばしば、誤解を招く、再現不可能な結果をもたらす可能性のある主観的な決定から生じる。 ここでは、Native Emergent Manifold Interrogation (NEMI)フレームワーク内のクラスタリング手法を体系的に比較することで、北大西洋の地域を客観的に定義することを目的とした(Sonnewald, 2023)。 塩分濃度, 温度, 酸素, 硝酸塩, リン酸塩, ケイ酸塩の濃度は, 各種クラスタリング法(k平均, 凝集区, 密度ベース空間クラスタリング)の入力として有効であった。 UMAP(Uniform Manifold Approximation and Projection)は、次元を減らしながらデータの(非)相似性を強調した。 内部, 外部, 相対的な検証手法を用いてクラスタリング手法とそのハイパーパラメータの系統的検証を行った結果, UMAP-DBSCANが最適であることがわかった。 興味深いことに、クラスタリング手法を比較する上で、内部検証メトリクスは体系的に信頼性が低いことが証明された。 確率的変動に対処するため、100個のUMAP-DBSCANクラスタリングを実行し、NEMIに従って集約し、321個の最終セットを得た。 再現性の評価はアンサンブルオーバーラップ(88.81 pm1.8\%$)とグリッドセルワイドの不確実性(15.49 pm20\%$)によって行われた。 地中海,深海,ラブラドール海のケーススタディは,一般的な水塊の定義と強い一致を示した。 本研究は, 系統的クラスタリング法の比較により, ロングハースト州のような従来の概念と比較して, より詳細な地域化を明らかにした。 本手法は客観的かつ効率的かつ再現可能であり,海洋地域の生物地球化学的差異と変化に関する今後の研究を支援する。

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