Unveiling 3D ocean biogeochemical provinces in the North Atlantic: A systematic comparison and validation of clustering methods
Notice bibliographique
Résumé
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±1.8%) and mean grid cell-wise uncertainty (15.49±20%). 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. • NEMI enabled objective, reproducible clustering of physics and biogeochemistry • DBSCAN best captured natural associations within North Atlantic data • UMAP embedding strengthened data associations, improving clustering of all methods • Grid-cells were assigned to clusters with a mean uncertainty of about 15% • Good agreement with known subdivisions with potential for novel insights
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,014 | 0,024 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,002 |
| Bibliométrie | 0,005 | 0,003 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,001 |
| Communication savante | 0,002 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,002 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,000 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».