כיצד נוכל לחזות בצורה מדויקת יותר את שינוי קו החוף? אילו מודלים עדיפים?

עם שינויי האקלים המובילים לעליית מפלס הים ולסערות עזות, קווי חוף עולמיים מתמודדים עם סיכוני שחיקה חסרי תקדים. עם זאת, חיזוי מדויק של שינויי קו החוף הוא מאתגר, במיוחד מגמות ארוכות טווח. לאחרונה, מחקר שיתופי בינלאומי ShoreShop2.0 העריך את ביצועיהם של 34 מודלים לחיזוי קו חוף באמצעות ניסויים עיוורים, וחשף את המצב הנוכחי של מידול קו החוף.

קו החוף הוא הגבול הדינמי שבו יבשה פוגשת ים, ומשתנה ללא הרף עקב גלים, גאות ושפל, סערות ועליית מפלס הים. כ-24% מקוי החוף החוליים ברחבי העולם נסוגים בקצב העולה על 0.5 מטרים בשנה, ובאזורים מסוימים, כמו חוף המפרץ של ארה"ב, קצב הסחף השנתי אף גדול מ-20 מטרים.

ניבוי שינויים בקו החוף הוא מטבעו קשה ומורכב, ודורש התחשבות ביחסי הגומלין בין גורמים מרובים, כולל אנרגיית גלים, הסעת משקעים ועליית מפלס הים. תחזיות מדויקות לאורך תקופות זמן ארוכות הן מאתגרות אף יותר.

ניתן לחלק מודלים מודרניים לחיזוי קו חוף לשלוש קטגוריות: האחת מבוססת על סימולציה פיזיקלית, כגון Delft3D ו-MIKE21 המבוססת על מכניקת זורמים ומשוואות הובלת משקעים; האחת היא מודל היברידי המשלב עקרונות פיזיקליים עם שיטות מונחות נתונים, כגון CoSMoS-COAST ו-LX-Shore; והשנייה היא מודל מונחה נתונים המסתמך כולו על טכניקות סטטיסטיות או למידת מכונה, כגון רשתות LSTM וארכיטקטורות Transformer.

למרות המגוון הרחב של המודלים, היעדר קריטריונים אחידים להערכה הקשו על השוואות ביצועים. איזה מודל מציע את התחזיות המדויקות ביותר? תחרות המבחן העיוור של ShoreShop2.0 מספקת הזדמנות מושלמת להשוואות בין-תחומיות.

תחרות המבחן העיוור הבינלאומית ShoreShop2.0 היא צורה קפדנית ביותר של שיתוף פעולה מדעי. הצוותים המשתתפים מקבלים הודעה רק על אתר הבדיקה, שהוא שם קוד למפרץ או חוף. מידע מרכזי כמו מיקומו ושמו האמיתי מוסתר כדי למנוע מידע קודם להשפיע על כיול המודל. יתר על כן, הנתונים נשמרים חסויים בחלקים, כאשר נתונים משנים 2019-2023 (טווח קצר) ו-1951-1998 (טווח בינוני) מוסתרים במכוון. לאחר מכן, המודלים מנבאים שינויים בקו החוף לטווח קצר ובינוני, ובסופו של דבר מאמתים את דיוקם באמצעות הנתונים הסודיים. עיצוב זה מאפשר השוואות בין-תחומיות של מודלים חופיים בתנאים לא ידועים לחלוטין.

שלושים וארבעה צוותי מחקר מ-15 מדינות הגישו מודלים, שכללו 12 מודלים מבוססי נתונים ו-22 מודלים היברידיים. צוותים אלה הגיעו ממוסדות בארצות הברית, אוסטרליה, יפן, צרפת ומדינות אחרות. עם זאת, המודלים שהוגשו חסרו מודלים מסחריים כגון GENESIS והמודלים מבוססי הפיזיקה Delft3D ו-MIKE21.

השוואה גילתה כי המודלים בעלי הביצועים הטובים ביותר לתחזיות לטווח קצר, לחמש שנים, היו CoSMoS-COAST-CONV_SV (מודל היברידי), GAT-LSTM_YM (מודל מונחה נתונים) ו-iTransformer-KC (מודל מונחה נתונים). מודלים אלה השיגו שגיאות שורש ממוצע הריבועים של כ-10 מטרים, בהשוואה לשגיאה הטבועה של 8.9 מטרים בנתוני קו חוף של חישה מרחוק באמצעות לוויינים. ממצא זה מצביע על כך שעבור חלק מהחופים, יכולות החיזוי של המודלים מתקרבות לגבולות טכנולוגיית התצפית. כמובן, מודלים אחרים הצליחו ללכוד טוב יותר שינויים בקו החוף.

ממצא מפתיע היה שהמודל ההיברידי ביצע ביצועים דומים למודל מונחה הנתונים. CoSMoS-COAST-CONV_SV (מודל היברידי) משלב תהליכים פיזיקליים ופעולות קונבולוציוניות, בעוד ש-GAT-LSTM_YM (מודל מונחה נתונים) משתמש ברשת קשב גרפית כדי ללכוד קורלציות מרחביות. שני המודלים ביצעו ביצועים טובים.

מבחינת תחזיות לטווח בינוני, סדרת LX-Shore (מודלים היברידיים) מספקת את התחזיות הקרובות ביותר לנתונים שנמדדו. על ידי שילוב תהליכי הובלת משקעים לאורך החוף ולרוחב החוף, מודלים אלה שומרים על יציבות ארוכת טווח תוך הצגת התגובות העקביות ביותר לאירועי סערה קיצוניים עם נתונים שנמדדו. תחזיות ממודלים אלה מצביעות על כך שסופה חזקה אחת יכולה לגרום לנסיגת קו החוף חולפת של עד 15-20 מטרים, כאשר התאוששות מלאה עשויה להימשך שנתיים עד שלוש שנים. סדרת CoSMoS-COAST מציעה יציבות מצוינת, בעוד שמודלים אחרים עשויים לסבול מסחיפה ארוכת טווח ותגובת יתר.

תוצאות המודל מצביעות על כךאיכות הנתוניםהוא גורם מגביל מרכזי בביצועי המודל. בעוד שנתוני חישה מרחוק מלוויינים מכסים שטח רחב, הרזולוציה הזמנית שלהם נמוכה, בדרך כלל שבועית עד חודשית, מה שמקשה על ללכוד התאוששות מהירה לאחר סערה. יתר על כן, קצה המים המיידי מושפע מגלי הגלים ומגאות ושפל, מה שמוביל לשגיאות חולפות שיכולות להשפיע על תחזיות המודל.

המחקר מצא כי החלקת נתונים מרחביים-זמניים, כגון שימוש בטכניקות סינון דו-ממדיות חזקות, יכולה לשפר משמעותית את ביצועי המודל. מאוחר יותר, מודלים של בדיקה לא-עיוורת שהוגשו הפחיתו את השגיאה הממוצעת ב-15% באמצעות עיבוד מקדים אופטימלי של נתונים.

Robust 2D Smoothing היא שיטת עיבוד אותות מתקדמת שתוכננה במיוחד לעיבוד רעש בנתוני לוויינים לאורך קו החוף. בעיקרו של דבר, זהו אלגוריתם סינון איטרטיבי המבוסס על ריבועים פחותים משוקללים, והוא עמיד מאוד בפני חריגים כמו רעש גלים חולף בתמונות לוויין.

גורם נוסף וחשוב לתחזיות מודל הוא דיוק נתוני הגלים הקרובים לחוף. כיום, נתוני גלים סובלים משגיאות שונות, כולל שגיאות בהמרה קרובה לחוף של נתוני ניתוח מחדש של גלים גלובליים, הטיות הנגרמות מחילוץ פרמטרי גלים באיזובת של 10 מטרים ולא באזור השבירה, והערכת חסר של השפעת אירועים קיצוניים באמצעות תנאי גל ממוצעים יומיים. שגיאות אלו יכולות להשפיע על תחזיות המודל.

עבור תחזיות ארוכות טווח, רוב המודלים מסתמכים על החוק הבראוני הקלאסי כדי להעריך את השפעת עליית מפלס הים. עם זאת, חוק זה מניח היצע משקעים אינסופי ומאוזן ומתעלם מהשפעות של הובלת משקעים לחוף הים או פעילויות אנושיות, כגון הזנת חופים. דבר זה יכול להוביל להטיות משמעותיות במודל.

בהתבסס על תיאוריית פרופיל שיווי המשקל, חוק בראוני מספק קשר ליניארי בין עליית מפלס הים לנסיגת קו החוף. תיאוריה זו מניחה שפרופיל חוף שומר על צורת שיווי משקל. ככל שגובה פני הים עולה, מרחב ההתאמה הגדל מאלץ את פרופיל שיווי המשקל הזה לזוז כלפי היבשה כדי לשמור על צורתו יחסית למפלס הים החדש. כתוצאה מכך, התיאוריה מניחה שכאשר פרופיל החוף זז כלפי היבשה, שכבת החוף העליונה נשחקת, והחומר הנשחק מושקע לחופי הים, מה שגורם לקרקעית הים הקרובה לחוף לעלות, ובכך לשמור על עומק מים קבוע. חוק בראון צופה שנסיגת החוף יכולה להיות גדולה פי 10 עד 50 מעליית גובה פני הים, תלוי בשיפוע החוף.

מחקר זה מספק בסיס לבחירת כלים מתאימים המבוססים על צרכים ספציפיים. יתר על כן, עיבוד נתונים מקדים הוא קריטי; עיבוד נתונים נכון יכול לעיתים להיות בעל השפעה גדולה יותר מהמודל עצמו. בהתבסס על הניסיון שנצבר עם ShoreShop 2.0, ניתן לבצע שיפורים בנתוני לוויין וגלים כדי לשפר את דיוק החיזוי. יתר על כן, ההשפעות הבלתי נשלטות של חופים שהופרעו באופן מלאכותי בתחזיות ארוכות טווח יכולות גם הן להשפיע באופן משמעותי על תוצאות החיזוי. יתר על כן, חוסר ההשתתפות של מודלים מסחריים כגון GENESIS, Delft3D ו-MIKE21 הוא בעיה משמעותית.

​שומרי הגבול הכחול: משימתה בת 11 השנים של פרנקסטאר להגן על האוקיינוסים והאקלים שלנו

במשך למעלה מעשור, פרנקסטאר נמצאת בחזית ניהול הסביבה הימית, רותמת טכנולוגיה מתקדמת וקפדנות מדעית כדי לספק נתונים אוקיינוסים והידרולוגיים חסרי תקדים. המשימה שלנו חורגת מאיסוף נתונים גרידא - אנו אדריכלים של עתיד בר-קיימא, ומעצימים מוסדות, אוניברסיטאות וממשלות ברחבי העולם לקבל החלטות מושכלות למען בריאות כדור הארץ שלנו.