مرزبندی اکوسیستم آب های سطحی دریای خزر با استفاده از شبکه های عصبی و اطلاعات ماهواره ای و اندازه گیری های میدانی

دریای خزر در دهه های اخیر تحت تاثیر تغییرات اقلیمی و عوامل مخرب انسانی قرار داشته است. اما، به دلیل عدم وجود منابع اطلاعاتی جامع از مشاهدات محیطی از این بدنه آبی، شناخت علمی کافی از دریای خزر وجود ندارد. در تحقیق حاضر، دریای خزر به ده واحد اکولوژیکی همگن از نظر فیزیکی طبقه بندی شده است. یک فرایند طبقه بندی دو مرحله ای شامل (1) متراکم سازی داده ها با استفاده از روش نقشه های خود سازمان ده (soms) و (2) طبقه بندی نهایی داده ها با استفاده از روش دسته بندی سلسله مراتبی صعودی (hac) برای این منظور مورد استفاده قرار گرفت. مجموعه ای از اطلاعات فیزیکی ماهواره ای فاقد همبستگی خطی، شامل دمای سطح آب (sst)، تغییرات فصلی شوری آب (dsss)، عمق، پوشش یخ سطح آب دریا، کل مواد معلق (tsm) و تغییرات فصلی مواد معلق (dtsm) به الگوریتم طبقه بندی soms معرفی شدند. بر اساس مجموع خطاهای همسایگی و quantization، اندازه نرون 20×20 به عنوان تعداد بهینه نرون برای فرایند آموزش شبکه عصبی برای طبقه بندی دریای خزر انتخاب شد. از آزمون بررسی اعتبار ده لایه برای بررسی تعداد بهینه طبقات استفاده شد. در نتایج حاصل از طبقه بندی، تعداد بیشتر و اندازه کوچک تر طبقات در خزر شمالی شناسایی شد. با توجه به مساحت کم تر این حوضه در مقایسه با قسمت های دیگر دریا، این مساله می تواند نشان دهنده تغییرات مکانی بیشتر شرایط فیزیکی در این قسمت از دریا باشد. در ادامه، شباهت بین نقاط مشاهداتی شش بعدی در هر طبقه فیزیکی و بین طبقات مختلف با استفاده از روش مقیاس بندی چند متغیره غیرمتریک (nmds) در دو بعد مورد بررسی قرار گرفت. بر اساس نتایج این آزمون، تمایز قابل ملاحظه ای بین طبقات خزر شمالی با طبقات خزر میانی و جنوبی مشاهده شد. از طرفی، تفاوت قابل توجهی نیز بین طبقات نیمه شرقی و طبقات نیمه غربی در خزر شمالی و همچنین بین طبقات قسمت های عمیق و طبقات قسمت های کم عمق دریا ملاحظه می شود. به علاوه، طبقات بر اساس هر یک از متغیرهای ورودی فیزیکی مورد بررسی قرار گرفتند و معنی داری شباهت بین هر یک از جفت طبقات از نظر هر یک از این متغیرها، با استفاده از آزمون مقایسات چندگانه dunns مورد ارزیابی قرار گرفت. در ادامه، معنی داری زیستی طبقات فیزیکی ارائه شده با استفاده از اطلاعات متوسط سالانه طولانی مدت کلروفیل آ به دست آمده از تصاویر ماهواره ای (2010-2003) بررسی شد. نتایج آزمون کروسکال والیس روی پراکنش کلروفیل آ در طبقات مختلف نشان داد طبقات فیزیکی تعریف شده در بررسی حاضر، از نظر پراکنش مکانی کلروفیل آ نیز با یکدیگر تفاوت دارند (0.05>p). به طور کلی، غلظت کلروفیل آ در طبقات خزر میانی و جنوبی در تمام ماه های سال به طور قابل توجهی پایین تر از غلظت کلروفیل آ در طبقات خزر شمالی است. همچنین، بررسی تغییرات فصلی کلروفیل آ با استفاده از اطلاعات میانه متوسط طولانی مدت ماهانه (2010-2003) از این رنگدانه در هر طبقه، تفاوت آشکاری را بین طبقات مختلف از نظر زمان آغاز شکوفایی، طول دوره و فراوانی آن نشان می دهد. نتایج این تحقیق دو دوره مشخص را در تغییرات فصلی کلروفیل آ در کل دریای خزر نشان می دهد: یک دوره شکوفایی در تابستان و پاییز و دوره غیر شکوفایی در زمستان و بهار. نتایج همچنین نشان می دهند زمان آغاز شکوفایی و شدت آن در طبقات مختلف متفاوت است. نتایج تحقیق حاضر با فراهم کردن نگاهی کلی از اکوسیستم های عمده در آب های سطحی دریای خزر، می تواند به عنوان ابزاری کمکی مورد استفاده مدیران و سیاست گذاران این بدنه آبی قرار گیرد. محققین می توانند از نتایج این تحقیق برای اهداف مختلفی نظیر، حفاظت محیط زیست، انتخاب مناطق نمونه برداری و مدلسازی اکوسیستمی استفاده کنند.