З-за змены клімату, якая прыводзіць да павышэння ўзроўню мора і ўзмацнення штормаў, глабальныя берагавыя лініі сутыкаюцца з беспрэцэдэнтнай рызыкай эрозіі. Аднак дакладнае прагназаванне змяненняў берагавой лініі з'яўляецца складанай задачай, асабліва доўгатэрміновых тэндэнцый. Нядаўна ў рамках міжнароднага сумеснага даследавання ShoreShop2.0 была ацэнена эфектыўнасць 34 мадэляў прагназавання берагавой лініі шляхам сляпога тэсціравання, што раскрыла сучасны стан у галіне мадэлявання берагавой лініі.
Берагавая лінія — гэта дынамічная мяжа, дзе суша сустракаецца з морам, якая пастаянна змяняецца з-за хваль, прыліваў, штормаў і павышэння ўзроўню мора. Прыкладна 24% пясчаных берагавых ліній па ўсім свеце адступаюць з хуткасцю, якая перавышае 0,5 метра ў год, а ў некаторых раёнах, такіх як узбярэжжа Мексіканскага заліва ў ЗША, гадавая хуткасць эрозіі нават перавышае 20 метраў.
Прагназаванне змяненняў берагавой лініі сама па сабе складанае і комплекснае, бо патрабуе ўліку ўзаемадзеяння розных фактараў, у тым ліку энергіі хваль, пераносу наносаў і павышэння ўзроўню мора. Дакладныя прагнозы на працяглыя перыяды часу яшчэ больш складаныя.
Сучасныя мадэлі прагназавання берагавой лініі можна падзяліць на тры катэгорыі: адны заснаваныя на фізічным мадэляванні, такія як Delft3D і MIKE21, заснаваныя на механіцы вадкасці і ўраўненнях пераносу асадкавых парод; адна — гібрыдная мадэль, якая спалучае фізічныя прынцыпы з метадамі, заснаванымі на дадзеных, такімі як CoSMoS-COAST і LX-Shore; і трэцяя — мадэль, заснаваная на дадзеных, якая цалкам абапіраецца на статыстычныя метады або метады машыннага навучання, такія як сеткі LSTM і архітэктуры Transformer.
Нягледзячы на вялікую разнастайнасць мадэляў, адсутнасць адзіных крытэрыяў ацэнкі ўскладняе параўнанне прадукцыйнасці. Якая мадэль прапануе найбольш дакладныя прагнозы? Конкурс сляпых тэстаў ShoreShop2.0 дае выдатную магчымасць для міждысцыплінарных параўнанняў.
Міжнародны конкурс сляпых тэстаў ShoreShop2.0 — гэта вельмі строгая форма навуковага супрацоўніцтва. Каманды-ўдзельніцы атрымліваюць інфармацыю толькі пра месца правядзення выпрабаванняў, якое з'яўляецца кодавай назвай заліва або пляжу. Ключавая інфармацыя, такая як яго месцазнаходжанне і сапраўдная назва, хаваецца, каб папярэднія веды не паўплывалі на каліброўку мадэлі. Акрамя таго, дадзеныя захоўваюцца ў канфідэнцыяльнасці па частках, прычым дадзеныя за 2019-2023 гады (кароткатэрміновыя) і 1951-1998 гады (сярэднетэрміновыя) наўмысна хаваюцца. Затым мадэлі прагназуюць каротка- і сярэднетэрміновыя змены берагавой лініі, у канчатковым выніку правяраючы іх дакладнасць з выкарыстаннем канфідэнцыйных дадзеных. Такая канструкцыя дазваляе праводзіць міждысцыплінарныя параўнанні прыбярэжных мадэляў у цалкам невядомых умовах.
Трыццаць чатыры даследчыя групы з 15 краін прадставілі мадэлі, якія ўключалі 12 мадэляў, заснаваных на дадзеных, і 22 гібрыдныя мадэлі. Гэтыя групы паходзілі з устаноў ЗША, Аўстраліі, Японіі, Францыі і іншых краін. Аднак сярод прадстаўленых мадэляў не было камерцыйных мадэляў, такіх як GENESIS, і фізічных мадэляў Delft3D і MIKE21.
Параўнанне паказала, што найлепшымі мадэлямі для кароткатэрміновых пяцігадовых прагнозаў былі CoSMoS-COAST-CONV_SV (гібрыдная мадэль), GAT-LSTM_YM (мадэль, заснаваная на дадзеных) і iTransformer-KC (мадэль, заснаваная на дадзеных). Гэтыя мадэлі дасягнулі сярэднеквадратычнай памылкі прыблізна 10 метраў, што параўнальна з уласцівай памылкай 8,9 метра ў спадарожнікавых дадзеных дыстанцыйнага зандзіравання берагавой лініі. Гэта сведчыць аб тым, што для некаторых пляжаў прагнастычныя магчымасці мадэляў набліжаюцца да межаў назіральных тэхналогій. Вядома, іншыя мадэлі змаглі лепш улавіць змены берагавой лініі.
Дзіўным вынікам стала тое, што гібрыдная мадэль паказала добрыя вынікі ў параўнанні з мадэллю, заснаванай на дадзеных. CoSMoS-COAST-CONV_SV (гібрыдная мадэль) спалучае фізічныя працэсы і згортачныя аперацыі, у той час як GAT-LSTM_YM (мадэль, заснаваная на дадзеных) выкарыстоўвае графавую сетку ўвагі для фіксацыі прасторавых карэляцый. Абедзве мадэлі паказалі добрыя вынікі.
Што тычыцца сярэднетэрміновых прагнозаў, серыя LX-Shore (гібрыдныя мадэлі) забяспечвае найбольш блізкія прагнозы да вымераных дадзеных. Аб'ядноўваючы працэсы ўздоўж берага і бакавога пераносу наносаў, гэтыя мадэлі падтрымліваюць доўгатэрміновую стабільнасць, адначасова дэманструючы найбольш паслядоўныя рэакцыі на экстрэмальныя штормы з вымеранымі дадзенымі. Прагнозы гэтых мадэляў паказваюць, што адзін моцны шторм можа выклікаць часовае адступленне берагавой лініі да 15-20 метраў, прычым поўнае аднаўленне можа заняць ад двух да трох гадоў. Серыя CoSMoS-COAST забяспечвае выдатную стабільнасць, у той час як іншыя мадэлі могуць пакутаваць ад доўгатэрміновага дрэйфу і празмернай рэакцыі.
Вынікі мадэлявання паказваюць, штоякасць дадзеныхз'яўляецца ключавым абмяжоўваючым фактарам у прадукцыйнасці мадэлі. Нягледзячы на тое, што спадарожнікавыя даныя дыстанцыйнага зандзіравання ахопліваюць шырокую тэрыторыю, іх часавая раздзяляльнасць нізкая, звычайна ад тыдня да месяца, што ўскладняе фіксацыю хуткага аднаўлення пасля шторму. Акрамя таго, на імгненную мяжу вады ўплываюць набегі хваль і прылівы, што прыводзіць да часовай памылкі, якая можа паўплываць на прагнозы мадэлі.
Даследаванне паказала, што прасторава-часавае згладжванне дадзеных, такое як выкарыстанне надзейных двухмерных метадаў фільтрацыі, можа значна палепшыць прадукцыйнасць мадэлі. Пазней, прапанаваныя несляпыя тэставыя мадэлі знізілі сярэднюю памылку на 15% дзякуючы аптымізаванай папярэдняй апрацоўцы дадзеных.
Надзейнае 2D-згладжванне — гэта ўдасканалены метад апрацоўкі сігналаў, спецыяльна распрацаваны для апрацоўкі шуму ў спадарожнікавых дадзеных берагавой лініі. Па сутнасці, гэта ітэрацыйны алгарытм фільтрацыі, заснаваны на метадзе найменшых квадратаў з улікам узважаных значэнняў, які вельмі ўстойлівы да выкідаў, такіх як шум часовых хваль на спадарожнікавых здымках.
Яшчэ адным фактарам, які мае вырашальнае значэнне для прагнозаў мадэлі, з'яўляецца дакладнасць дадзеных аб прыбярэжных хвалях. У цяперашні час дадзеныя аб хвалях пакутуюць ад розных памылак, у тым ліку памылак пры пераўтварэнні дадзеных глабальнага паўторнага аналізу хваль у прыбярэжную зону, зрушэнняў, выкліканых атрыманнем параметраў хваль на 10-метровай ізабаце, а не ў зоне разрыву, і недаацэнкі ўплыву экстрэмальных падзей пры выкарыстанні сярэднесутачных хвалевых умоў. Усе гэтыя памылкі могуць паўплываць на прагнозы мадэлі.
Для доўгатэрміновых прагнозаў большасць мадэляў абапіраюцца на класічны браўнаўскі закон для ацэнкі ўплыву павышэння ўзроўню мора. Аднак гэты закон мяркуе бясконцае і збалансаванае паступленне асадкавых парод і ігнаруе ўплыў пераносу асадкавых парод у афшор або дзейнасці чалавека, напрыклад, падкормкі пляжаў. Гэта можа прывесці да значных памылак у мадэлі.
Зыходзячы з тэорыі раўнаважнага профілю, закон Браўна прадугледжвае лінейную залежнасць паміж павышэннем узроўню мора і адступаннем берагавой лініі. Гэтая тэорыя сцвярджае, што прыбярэжны профіль захоўвае раўнаважную форму. Па меры павышэння ўзроўню мора павелічэнне прасторы акамадацыі прымушае гэты раўнаважны профіль зрушвацца да сушы, каб захаваць сваю форму адносна новага ўзроўню мора. Такім чынам, тэорыя сцвярджае, што па меры зрушэння прыбярэжнага профілю да сушы верхні пласт пляжу размываецца, і размыты матэрыял адкладаецца ў беразе, што прыводзіць да павышэння прыбярэжнага дна, тым самым падтрымліваючы пастаянную глыбіню вады. Закон Браўна прадказвае, што адступанне ўзбярэжжа можа быць у 10-50 разоў большым, чым павышэнне ўзроўню мора, у залежнасці ад нахілу пляжу.
Гэта даследаванне забяспечвае аснову для выбару адпаведных інструментаў у залежнасці ад канкрэтных патрэб. Акрамя таго, папярэдняя апрацоўка дадзеных мае вырашальнае значэнне; правільная апрацоўка дадзеных часам можа мець большы ўплыў, чым сама мадэль. Абапіраючыся на вопыт, атрыманы з ShoreShop 2.0, можна ўнесці паляпшэнні ў спадарожнікавыя і хвалевыя дадзеныя для павышэння дакладнасці прагнозаў. Акрамя таго, некантралюемы ўплыў штучна парушаных пляжаў на доўгатэрміновыя прагнозы таксама можа істотна паўплываць на вынікі прагнозаў. Акрамя таго, адсутнасць удзелу камерцыйных мадэляў, такіх як GENESIS, Delft3D і MIKE21, з'яўляецца значнай праблемай.
Вартавыя блакітнай мяжы: 11-гадовая місія Frankstar па абароне нашых акіянаў і клімату
Больш за дзесяць гадоў Frankstar знаходзіцца на пярэднім краі кіравання марскім асяроддзем, выкарыстоўваючы перадавыя тэхналогіі і навуковую дакладнасць для атрымання беспрэцэдэнтных акіянічных і гідралагічных дадзеных. Наша місія выходзіць за рамкі простага збору дадзеных — мы з'яўляемся архітэктарамі ўстойлівай будучыні, даючы ўстановам, універсітэтам і ўрадам па ўсім свеце магчымасць прымаць абгрунтаваныя рашэнні дзеля здароўя нашай планеты.
Час публікацыі: 11 жніўня 2025 г.