Vzhledem ke změně klimatu, která vede ke stoupající hladině moří a zesilujícím bouřím, čelí globální pobřeží bezprecedentnímu riziku eroze. Přesné předpovídání změn pobřeží je však náročné, zejména dlouhodobých trendů. Nedávno mezinárodní kolaborativní studie ShoreShop2.0 vyhodnotila výkonnost 34 modelů pro predikci pobřeží prostřednictvím slepého testování a odhalila současný stav techniky v modelování pobřeží.
Pobřeží je dynamická hranice, kde se pevnina setkává s mořem, a neustále se mění v důsledku vln, přílivu a odlivu, bouří a stoupající hladiny moře. Přibližně 24 % písečných pobřeží na celém světě ustupuje rychlostí přesahující 0,5 metru za rok a v některých oblastech, jako je pobřeží Mexického zálivu v USA, je roční míra eroze dokonce vyšší než 20 metrů.
Předpovídání změn pobřeží je ze své podstaty obtížné a složité a vyžaduje zohlednění souhry mnoha faktorů, včetně energie vln, transportu sedimentů a stoupání hladiny moře. Přesné předpovědi na dlouhou dobu jsou ještě náročnější.
Moderní modely predikce pobřeží lze rozdělit do tří kategorií: jedna je založena na fyzikální simulaci, jako například Delft3D a MIKE21, založené na mechanice tekutin a rovnicích transportu sedimentů; jedna je hybridní model, který kombinuje fyzikální principy s metodami založenými na datech, jako například CoSMoS-COAST a LX-Shore; a druhá je model řízený daty, který se výhradně spoléhá na statistické techniky nebo techniky strojového učení, jako jsou sítě LSTM a architektury Transformer.
Navzdory široké rozmanitosti modelů absence jednotných hodnotících kritérií ztěžuje srovnání výkonnosti. Který model nabízí nejpřesnější předpovědi? Soutěž slepých testů ShoreShop2.0 poskytuje perfektní příležitost pro mezioborová srovnání.
Mezinárodní soutěž v testování naslepo ShoreShop2.0 je velmi přísnou formou vědecké spolupráce. Zúčastněné týmy jsou informovány pouze o testovacím místě, což je kódové označení pro zátoku nebo pláž. Klíčové informace, jako je jeho umístění a skutečný název, jsou skryty, aby se zabránilo ovlivnění kalibrace modelu předchozími znalostmi. Data jsou navíc v částech uchovávána jako důvěrná, přičemž data z let 2019–2023 (krátkodobá) a 1951–1998 (střednědobá) jsou záměrně zatajena. Modely poté předpovídají krátkodobé a střednědobé změny pobřeží a nakonec ověřují jejich přesnost pomocí důvěrných dat. Tato konstrukce umožňuje mezioborové srovnání modelů pobřeží za zcela neznámých podmínek.
Třicet čtyři výzkumných týmů z 15 zemí předložilo modely, včetně 12 modelů založených na datech a 22 hybridních modelů. Tyto týmy pocházely z institucí ve Spojených státech, Austrálii, Japonsku, Francii a dalších zemích. Předložené modely však neobsahovaly komerční modely, jako například GENESIS a modely založené na fyzice Delft3D a MIKE21.
Srovnání ukázalo, že nejvýkonnějšími modely pro krátkodobé pětileté předpovědi byly CoSMoS-COAST-CONV_SV (hybridní model), GAT-LSTM_YM (model řízený daty) a iTransformer-KC (model řízený daty). Tyto modely dosáhly průměrné kvadratické chyby přibližně 10 metrů, což je srovnatelné s inherentní chybou 8,9 metru v datech o pobřeží získaných satelitním dálkovým průzkumem Země. To naznačuje, že u některých pláží se prediktivní schopnosti modelů blíží limitům observační technologie. Jiné modely samozřejmě dokázaly lépe zachytit změny pobřeží.
Překvapivým zjištěním bylo, že hybridní model fungoval srovnatelně s modelem řízeným daty. CoSMoS-COAST-CONV_SV (hybridní model) kombinuje fyzikální procesy a konvoluční operace, zatímco GAT-LSTM_YM (model řízený daty) využívá síť grafové pozornosti k zachycení prostorových korelací. Oba modely si vedly dobře.
Pokud jde o střednědobé předpovědi, řada LX-Shore (hybridní modely) poskytuje předpovědi nejblíže naměřeným datům. Propojením procesů transportu sedimentů podél pobřeží a laterálně si tyto modely udržují dlouhodobou stabilitu a zároveň vykazují nejkonzistentnější reakce na extrémní bouřkové události s naměřenými daty. Předpovědi z těchto modelů naznačují, že jediná silná bouře může způsobit přechodný ústup pobřeží až o 15–20 metrů, přičemž úplné zotavení může trvat dva až tři roky. Řada CoSMoS-COAST nabízí vynikající stabilitu, zatímco jiné modely mohou trpět dlouhodobým driftem a nadměrnou reakcí.
Výsledky modelu naznačují, žekvalita datje klíčovým omezujícím faktorem výkonu modelu. Přestože data z dálkového průzkumu Země pokrývají širokou oblast, jejich časové rozlišení je nízké, obvykle týdenní až měsíční, což ztěžuje zachycení rychlého zotavení po bouři. Okamžitá hladina vodní hladiny je navíc ovlivněna přílivem a odlivem, což vede k přechodným chybám, které mohou ovlivnit předpovědi modelu.
Studie zjistila, že časoprostorové vyhlazování dat, jako je například použití robustních dvourozměrných filtračních technik, může výrazně zlepšit výkon modelu. Později neslepé testovací modely odevzdané v testu snížily průměrnou chybu o 15 % díky optimalizovanému předzpracování dat.
Robustní 2D vyhlazování je pokročilá metoda zpracování signálu speciálně navržená pro zpracování šumu v satelitních datech o pobřeží. V podstatě se jedná o iterativní filtrační algoritmus založený na metodě vážených nejmenších čtverců, který je vysoce odolný vůči odlehlým hodnotám, jako je například přechodový vlnový šum v satelitních snímcích.
Dalším faktorem, který je klíčový pro predikce modelu, je přesnost dat o vlnách v blízkosti pobřeží. V současné době trpí data o vlnách různými chybami, včetně chyb v konverzi dat globální reanalýzy vln v blízkosti pobřeží, zkreslení způsobených extrakcí parametrů vln na 10metrové izobate namísto v zóně zlomu a podceněním dopadu extrémních jevů pomocí denních průměrných vlnových podmínek. Všechny tyto chyby mohou ovlivnit predikce modelu.
Pro dlouhodobé předpovědi se většina modelů spoléhá na klasický Brownův zákon pro odhad dopadu stoupání hladiny moře. Tento zákon však předpokládá nekonečný a vyvážený přísun sedimentů a ignoruje vlivy transportu sedimentů na moři nebo lidských činností, jako je například výživa pláží. To může vést k významným zkreslením modelu.
Na základě teorie rovnovážného profilu poskytuje Brownův zákon lineární vztah mezi stoupáním hladiny moře a ústupem pobřeží. Tato teorie předpokládá, že profil pobřeží si udržuje rovnovážný tvar. S rostoucí hladinou moře zvětšující se akomodační prostor nutí tento rovnovážný profil posouvat se směrem k pevnine, aby si udržel svůj tvar vzhledem k nové hladině moře. Teorie tedy předpokládá, že s posunem profilu pobřeží směrem k pevnine se horní vrstva pláže eroduje a erodovaný materiál se ukládá na moři, což způsobuje stoupání mořského dna v blízkosti pobřeží, čímž se udržuje konstantní hloubka vody. Brownův zákon předpovídá, že ústup pobřeží může být 10 až 50krát větší než stoupání hladiny moře, v závislosti na sklonu pláže.
Tato studie poskytuje základ pro výběr vhodných nástrojů na základě specifických potřeb. Předzpracování dat je dále zásadní; správné zpracování dat může mít někdy větší dopad než samotný model. Na základě zkušeností získaných se ShoreShop 2.0 lze provést vylepšení satelitních a vlnových dat pro zvýšení přesnosti predikce. Kromě toho mohou nekontrolovatelné účinky uměle narušených pláží v dlouhodobých předpovědích také významně ovlivnit výsledky predikcí. Významným problémem je také nedostatečná účast komerčních modelů, jako jsou GENESIS, Delft3D a MIKE21.
Strážci modré hranice: Jedenáctiletá mise Frankstaru na ochranu našich oceánů a klimatu
Společnost Frankstar je již více než deset let v popředí v oblasti péče o mořské prostředí a využívá nejmodernější technologie a vědeckou přesnost k poskytování bezkonkurenčních oceánských a hydrologických dat. Naše poslání přesahuje pouhý sběr dat – jsme architekty udržitelné budoucnosti a umožňujeme institucím, univerzitám a vládám po celém světě činit informovaná rozhodnutí pro zdraví naší planety.
Čas zveřejnění: 11. srpna 2025