Ilmastonmuutoksen johtaessa merenpinnan nousuun ja myrskyjen voimistumiseen, maailmanlaajuiset rannikot kohtaavat ennennäkemättömiä eroosioriskejä. Rantaviivojen muutosten tarkka ennustaminen on kuitenkin haastavaa, erityisesti pitkän aikavälin trendien osalta. Äskettäin ShoreShop2.0:n kansainvälinen yhteistyötutkimus arvioi 34 rantaviivojen ennustusmallin suorituskykyä sokkotestien avulla ja paljasti rannikkomallinnuksen nykytilan.
Rannikko on dynaaminen raja, jossa maa kohtaa meren, ja se muuttuu jatkuvasti aaltojen, vuoroveden, myrskyjen ja merenpinnan nousun vuoksi. Noin 24 % hiekkaisista rannikoista maailmanlaajuisesti vetäytyy yli 0,5 metriä vuodessa, ja joillakin alueilla, kuten Yhdysvaltain Meksikonlahden rannikolla, vuosittainen eroosiovauhti on jopa yli 20 metriä.
Rantaviivan muutosten ennustaminen on luonnostaan vaikeaa ja monimutkaista, ja se vaatii useiden tekijöiden, kuten aaltoenergian, sedimenttien kulkeutumisen ja merenpinnan nousun, vuorovaikutuksen huomioon ottamista. Tarkkojen ennusteiden tekeminen pitkällä aikavälillä on vielä haastavampaa.
Nykyaikaiset rannikkoennustemallit voidaan jakaa kolmeen luokkaan: yksi perustuu fyysiseen simulointiin, kuten Delft3D ja MIKE21, jotka perustuvat virtausmekaniikkaan ja sedimentin kuljetusyhtälöihin; yksi on hybridimalli, joka yhdistää fysikaaliset periaatteet datapohjaisiin menetelmiin, kuten CoSMoS-COAST ja LX-Shore; ja kolmas on datapohjainen malli, joka perustuu kokonaan tilastollisiin tai koneoppimistekniikoihin, kuten LSTM-verkkoihin ja Transformer-arkkitehtuureihin.
Mallien laajasta valikoimasta huolimatta yhtenäisten arviointikriteerien puute on tehnyt suorituskyvyn vertailusta vaikeaa. Mikä malli tarjoaa tarkimmat ennusteet? ShoreShop2.0-sokkotestikilpailu tarjoaa täydellisen tilaisuuden tieteidenvälisiin vertailuihin.
Kansainvälinen ShoreShop2.0-sokkotestikilpailu on erittäin tiukka tieteellisen yhteistyön muoto. Osallistuville joukkueille ilmoitetaan vain testipaikka, joka on lahden tai rannan koodinimi. Keskeiset tiedot, kuten sen sijainti ja todellinen nimi, piilotetaan, jotta aiempi tieto ei vaikuttaisi mallin kalibrointiin. Lisäksi tiedot pidetään osittaisesti luottamuksellisina, ja lyhyen aikavälin tiedot vuosilta 2019–2023 ja keskipitkän aikavälin tiedot vuosilta 1951–1998 on tarkoituksella salattu. Mallit ennustavat sitten lyhyen ja keskipitkän aikavälin rantaviivan muutoksia ja lopulta varmistavat niiden tarkkuuden luottamuksellisten tietojen avulla. Tämä suunnittelu mahdollistaa rannikkomallien tieteidenväliset vertailut täysin tuntemattomissa olosuhteissa.
Kolmekymmentäneljä tutkimusryhmää 15 maasta lähetti malleja, joista 12 oli datapohjaisia malleja ja 22 hybridimalleja. Nämä ryhmät tulivat Yhdysvalloista, Australiasta, Japanista, Ranskasta ja muista maista. Lähetetyistä malleista puuttui kuitenkin kaupallisia malleja, kuten GENESIS sekä fysiikkaan perustuvat mallit Delft3D ja MIKE21.
Vertailu paljasti, että lyhyen aikavälin, viiden vuoden ennusteiden parhaiten toimivat mallit olivat CoSMoS-COAST-CONV_SV (hybridimalli), GAT-LSTM_YM (datapohjainen malli) ja iTransformer-KC (datapohjainen malli). Nämä mallit saavuttivat noin 10 metrin keskivirheen, joka on verrattavissa satelliittien kaukokartoitusrannikkodatan 8,9 metrin luontaiseen virheeseen. Tämä osoittaa, että joidenkin rantojen kohdalla mallien ennustuskyky lähestyy havaintoteknologian rajoja. Tietenkin muut mallit pystyivät kuvaamaan rantaviivan muutoksia paremmin.
Yllättävä havainto oli, että hybridimalli suoriutui verrattavissa datapohjaiseen malliin. CoSMoS-COAST-CONV_SV (hybridimalli) yhdistää fysikaalisia prosesseja ja konvoluutiooperaatioita, kun taas GAT-LSTM_YM (datapohjainen malli) hyödyntää graafien tarkkaavaisuusverkkoa spatiaalisten korrelaatioiden tallentamiseen. Molemmat mallit suoriutuivat hyvin.
Keskipitkän aikavälin ennusteiden osalta LX-Shore-sarja (hybridimallit) tarjoaa lähimmät ennusteet mitatulle datalle. Yhdistämällä rantaviivaa pitkin ja sivusuunnassa tapahtuvat sedimentin kuljetusprosessit nämä mallit säilyttävät pitkän aikavälin vakauden ja näyttävät samalla johdonmukaisimmat vasteet äärimmäisiin myrskytapahtumiin mitatun datan perusteella. Näiden mallien ennusteet osoittavat, että yksittäinen voimakas myrsky voi aiheuttaa jopa 15–20 metrin ohimenevän rantaviivan vetäytymisen, ja täydellinen toipuminen voi kestää kahdesta kolmeen vuotta. CoSMoS-COAST-sarja tarjoaa erinomaisen vakauden, kun taas muut mallit saattavat kärsiä pitkäaikaisesta ajautumisesta ja ylireagoinnista.
Mallitulokset osoittavat, ettädatan laatuon mallin suorituskykyä rajoittava keskeinen tekijä. Vaikka satelliittien kaukokartoitustiedot kattavat laajan alueen, niiden ajallinen resoluutio on alhainen, tyypillisesti viikoittainen tai kuukausittainen, mikä vaikeuttaa myrskyn jälkeisen nopean toipumisen havaitsemista. Lisäksi aaltojen nousu ja vuorovesi vaikuttavat hetkelliseen veden reunaan, mikä johtaa ohimeneviin virheisiin, jotka voivat vaikuttaa mallin ennusteisiin.
Tutkimuksessa havaittiin, että spatiaali-ajallisen datan tasoitus, kuten vankkojen kaksiulotteisten suodatustekniikoiden käyttö, voi parantaa mallin suorituskykyä merkittävästi. Myöhemmin ei-sokkoutettujen testimallien keskimääräinen virhe pieneni 15 % optimoidun datan esikäsittelyn avulla.
Vankka 2D-tasoitus on edistynyt signaalinkäsittelymenetelmä, joka on erityisesti suunniteltu käsittelemään rannikkosatelliittidatan kohinaa. Pohjimmiltaan se on iteratiivinen suodatusalgoritmi, joka perustuu painotettuihin pienimmän neliösumman menetelmään ja on erittäin kestävä poikkeaville arvoille, kuten satelliittikuvien transienttiaaltokohinalle.
Toinen malliennusteiden kannalta ratkaiseva tekijä on lähirannikon aaltodatan tarkkuus. Tällä hetkellä aaltodata kärsii useista virheistä, mukaan lukien virheet globaalin aaltojen uudelleenanalyysidatan lähirannikon muuntamisessa, vinoumat, jotka johtuvat aaltoparametrien poimimisesta 10 metrin syvyyskäyrältä aaltomurtokohdan sijaan, sekä äärimmäisten tapahtumien vaikutuksen aliarvioinnista käyttämällä päivittäisiä keskimääräisiä aalto-olosuhteita. Nämä virheet voivat kaikki vaikuttaa malliennusteisiin.
Pitkän aikavälin ennusteissa useimmat mallit käyttävät klassista Brownin lakia merenpinnan nousun vaikutusten arvioimiseksi. Tämä laki kuitenkin olettaa äärettömän ja tasapainoisen sedimenttivarannon ja jättää huomiotta merellä tapahtuvan sedimentin kulkeutumisen tai ihmisen toiminnan, kuten rantojen ravinnonsaannin, vaikutukset. Tämä voi johtaa merkittäviin mallipoikkeamiin.
Tasapainoprofiiliteorian perusteella Brownin laki tarjoaa lineaarisen suhteen merenpinnan nousun ja rantaviivan vetäytymisen välille. Tämä teoria olettaa, että rannikkoprofiili säilyttää tasapainomuodon. Merenpinnan noustessa kasvava akkommodaatiotila pakottaa tämän tasapainoprofiilin siirtymään maan puolelle säilyttääkseen muotonsa suhteessa uuteen merenpintaan. Näin ollen teorian mukaan rannikkoprofiilin siirtyessä maan puolelle ylempi rantakerros erodoituu ja erodoitunut aines kerrostuu rannikolle, mikä aiheuttaa rannikon lähellä olevan merenpohjan nousun ja siten ylläpitää vakion veden syvyyttä. Brownin laki ennustaa, että rannikon vetäytyminen voi olla 10–50 kertaa suurempi kuin merenpinnan nousu rannan kaltevuudesta riippuen.
Tämä tutkimus tarjoaa perustan sopivien työkalujen valinnalle tiettyjen tarpeiden perusteella. Lisäksi datan esikäsittely on ratkaisevan tärkeää; asianmukaisella datankäsittelyllä voi joskus olla suurempi vaikutus kuin itse mallilla. ShoreShop 2.0:sta saatujen kokemusten perusteella satelliitti- ja aaltodataa voidaan parantaa ennusteiden tarkkuuden parantamiseksi. Lisäksi keinotekoisesti häirittyjen rantojen hallitsemattomat vaikutukset pitkän aikavälin ennusteissa voivat myös vaikuttaa merkittävästi ennustetuloksiin. Kaupallisten mallien, kuten GENESISin, Delft3D:n ja MIKE21:n, osallistumisen puute on merkittävä ongelma.
Sinisen rajan vartijat: Frankstarin 11-vuotinen tehtävä valtamerien ja ilmaston suojelemiseksi
Frankstar on ollut yli vuosikymmenen ajan meriympäristön hoidon eturintamassa hyödyntäen huipputeknologiaa ja tieteellistä tarkkuutta tuottaakseen vertaansa vailla olevaa meri- ja hydrologista tietoa. Missiomme ylittää pelkän tiedonkeruun – olemme kestävän tulevaisuuden arkkitehtejä, jotka antavat instituutioille, yliopistoille ja hallituksille maailmanlaajuisesti mahdollisuuden tehdä tietoon perustuvia päätöksiä planeettamme terveyden edistämiseksi.
Julkaisun aika: 11. elokuuta 2025