Dėl klimato kaitos kylančio jūros lygio ir sustiprėjančių audrų, pasaulio pakrantės susiduria su precedento neturinčia erozijos rizika. Tačiau tiksliai numatyti pakrantės pokyčius, ypač ilgalaikes tendencijas, yra sudėtinga. Neseniai atliktame tarptautiniame bendrame tyrime „ShoreShop2.0“ aklaisiais bandymais buvo įvertintas 34 pakrantės prognozavimo modelių našumas ir atskleista dabartinė pakrančių modeliavimo padėtis.
Pakrantė yra dinamiška sausumos ir jūros susiliejimo riba, nuolat kintanti dėl bangų, potvynių, audrų ir jūros lygio kilimo. Maždaug 24 % smėlėtųjų pakrančių visame pasaulyje traukiasi daugiau nei 0,5 metro per metus greičiu, o kai kuriose vietose, pavyzdžiui, JAV Meksikos įlankos pakrantėje, metinis erozijos greitis siekia net daugiau nei 20 metrų.
Pakrantės pokyčių prognozavimas yra savaime sunkus ir kompleksiškas, todėl reikia atsižvelgti į daugelio veiksnių, įskaitant bangų energiją, nuosėdų pernašą ir jūros lygio kilimą, sąveiką. Tikslios prognozės ilgam laikotarpiui yra dar sudėtingesnės.
Šiuolaikinius pakrantės prognozavimo modelius galima suskirstyti į tris kategorijas: vieni yra pagrįsti fiziniu modeliavimu, pavyzdžiui, „Delft3D“ ir „MIKE21“, pagrįsti skysčių mechanika ir nuosėdų pernašos lygtimis; vienas yra hibridinis modelis, kuris sujungia fizikinius principus su duomenimis pagrįstais metodais, tokiais kaip „CoSMoS-COAST“ ir „LX-Shore“; o kitas yra duomenimis pagrįstas modelis, kuris visiškai remiasi statistiniais arba mašininio mokymosi metodais, tokiais kaip LSTM tinklai ir „Transformer“ architektūros.
Nepaisant didelės modelių įvairovės, dėl vieningų vertinimo kriterijų trūkumo sunku palyginti rezultatus. Kuris modelis pateikia tiksliausias prognozes? „ShoreShop2.0“ aklųjų testų konkursas suteikia puikią galimybę atlikti tarpdisciplininius palyginimus.
Tarptautinis aklųjų testų konkursas „ShoreShop2.0“ yra labai griežta mokslinio bendradarbiavimo forma. Dalyvaujančios komandos informuojamos tik apie testo vietą, kuri yra įlankos ar paplūdimio kodinis pavadinimas. Svarbi informacija, pvz., jos vieta ir tikrasis pavadinimas, yra slepiama, kad išankstinės žinios neturėtų įtakos modelio kalibravimui. Be to, duomenys yra konfidencialūs, o 2019–2023 m. (trumpalaikiai) ir 1951–1998 m. (vidutinės trukmės) duomenys yra sąmoningai nuslėpti. Tada modeliai prognozuoja trumpalaikius ir vidutinės trukmės kranto linijos pokyčius, galiausiai patikrindami jų tikslumą naudodami konfidencialius duomenis. Šis dizainas leidžia atlikti tarpdisciplininius pakrančių modelių palyginimus visiškai nežinomomis sąlygomis.
Trisdešimt keturios tyrėjų komandos iš 15 šalių pateikė modelius, įskaitant 12 duomenimis pagrįstų ir 22 hibridinius modelius. Šios komandos buvo iš Jungtinių Amerikos Valstijų, Australijos, Japonijos, Prancūzijos ir kitų šalių institucijų. Tačiau pateiktuose modeliuose trūko komercinių modelių, tokių kaip GENESIS ir fizikos pagrindais pagrįstų modelių Delft3D bei MIKE21.
Palyginimas parodė, kad geriausiai veikiantys trumpalaikių, penkerių metų prognozių modeliai buvo „CoSMoS-COAST-CONV_SV“ (hibridinis modelis), „GAT-LSTM_YM“ (duomenimis pagrįstas modelis) ir „iTransformer-KC“ (duomenimis pagrįstas modelis). Šių modelių vidutinės kvadratinės paklaidos buvo maždaug 10 metrų, palyginamos su 8,9 metro būdinga paklaida palydoviniuose nuotolinio stebėjimo pakrančių duomenyse. Tai rodo, kad kai kurių paplūdimių atveju modelių prognozavimo galimybės artėja prie stebėjimo technologijų ribų. Žinoma, kiti modeliai sugebėjo geriau užfiksuoti pakrantės pokyčius.
Stebina tai, kad hibridinis modelis veikė panašiai kaip ir duomenimis pagrįstas modelis. CoSMoS-COAST-CONV_SV (hibridinis modelis) sujungia fizinius procesus ir konvoliucines operacijas, o GAT-LSTM_YM (duomenimis pagrįstas modelis) naudoja grafų dėmesio tinklą erdvinėms koreliacijoms užfiksuoti. Abu modeliai veikė gerai.
Kalbant apie vidutinės trukmės prognozes, LX-Shore serija (hibridiniai modeliai) pateikia artimiausias prognozes išmatuotiems duomenims. Sujungdami pakrantės ir šoninio nuosėdų pernašos procesus, šie modeliai išlaiko ilgalaikį stabilumą ir tuo pačiu metu rodo nuosekliausią reakciją į ekstremalias audras, palyginti su išmatuotais duomenimis. Šių modelių prognozės rodo, kad viena stipri audra gali sukelti trumpalaikį kranto linijos atsitraukimą iki 15–20 metrų, o visiškas atsistatymas gali užtrukti nuo dvejų iki trejų metų. CoSMoS-COAST serija pasižymi puikiu stabilumu, o kiti modeliai gali nukentėti nuo ilgalaikio dreifo ir per didelio atsako.
Modelio rezultatai rodo, kadduomenų kokybėyra pagrindinis modelio našumą ribojantis veiksnys. Nors palydovinių nuotolinio stebėjimo duomenys apima didelę teritoriją, jų laikinė skiriamoji geba yra maža, paprastai kas savaitę ar mėnesį, todėl sunku užfiksuoti greitą atsigavimą po audros. Be to, momentinę vandens ribą veikia bangų kilimas ir potvyniai, todėl atsiranda trumpalaikių paklaidų, kurios gali turėti įtakos modelio prognozėms.
Tyrimas parodė, kad erdvėlaikio duomenų išlyginimas, pavyzdžiui, naudojant patikimus dvimačio filtravimo metodus, gali žymiai pagerinti modelio našumą. Vėliau, optimizavus duomenų išankstinį apdorojimą, neakli bandymų modeliai sumažino vidutinę paklaidą 15 %.
Tvirtas 2D išlyginimas yra pažangus signalo apdorojimo metodas, specialiai sukurtas pakrantės palydovų duomenų triukšmui apdoroti. Iš esmės tai iteracinis filtravimo algoritmas, pagrįstas svertiniais mažiausių kvadratų metodu, ir yra labai atsparus išskirtiniams pokyčiams, pvz., trumpalaikiam bangų triukšmui palydoviniuose vaizduose.
Kitas labai svarbus modelio prognozėms veiksnys yra bangų duomenų apie krantą tikslumas. Šiuo metu bangų duomenyse pasitaiko įvairių paklaidų, įskaitant paklaidas konvertuojant bangų pakartotinės analizės duomenis į krantą, paklaidas, atsirandančias dėl bangų parametrų išgavimo 10 metrų izobatėje, o ne lūžio zonoje, ir ekstremalių įvykių poveikio nepakankamą įvertinimą naudojant dienos vidutines bangų sąlygas. Visos šios paklaidos gali turėti įtakos modelio prognozėms.
Ilgalaikėms prognozėms dauguma modelių remiasi klasikiniu Brauno dėsniu, kad įvertintų jūros lygio kilimo poveikį. Tačiau šis dėsnis daro prielaidą apie begalinį ir subalansuotą nuosėdų tiekimą ir ignoruoja nuosėdų pernašos jūroje ar žmogaus veiklos, pavyzdžiui, paplūdimių maitinimosi, poveikį. Tai gali lemti didelius modelių paklaidas.
Remiantis pusiausvyros profilio teorija, Brauno dėsnis pateikia tiesinį ryšį tarp jūros lygio kilimo ir kranto linijos atsitraukimo. Ši teorija teigia, kad pakrantės profilis išlaiko pusiausvyros formą. Kylant jūros lygiui, didėjanti akomodacijos erdvė verčia šį pusiausvyros profilį pasislinkti į krantą, kad išlaikytų savo formą naujo jūros lygio atžvilgiu. Todėl teorija teigia, kad pakrantės profiliui pasislinkus į krantą, viršutinis paplūdimio sluoksnis yra eroduojamas, o eroduota medžiaga nusėda jūroje, todėl kyla pakrantės jūros dugnas, taip išlaikant pastovų vandens gylį. Brauno dėsnis numato, kad pakrantės atsitraukimas gali būti 10–50 kartų didesnis nei jūros lygio kilimas, priklausomai nuo paplūdimio nuolydžio.
Šis tyrimas suteikia pagrindą tinkamų įrankių pasirinkimui pagal konkrečius poreikius. Be to, labai svarbus yra išankstinis duomenų apdorojimas; tinkamas duomenų apdorojimas kartais gali turėti didesnį poveikį nei pats modelis. Remiantis „ShoreShop 2.0“ patirtimi, galima patobulinti palydovų ir bangų duomenis, siekiant padidinti prognozavimo tikslumą. Be to, dirbtinai sutrikdytų paplūdimių nekontroliuojamas poveikis ilgalaikėse prognozėse taip pat gali reikšmingai paveikti prognozavimo rezultatus. Be to, didelė problema yra komercinių modelių, tokių kaip GENESIS, Delft3D ir MIKE21, nedalyvavimas.
Mėlynosios sienos sergėtojai: 11 metų „Frankstar“ misija apsaugoti mūsų vandenynus ir klimatą
Jau daugiau nei dešimtmetį „Frankstar“ pirmauja jūrų aplinkosaugos srityje, pasitelkdama pažangiausias technologijas ir mokslinį tikslumą, kad pateiktų neprilygstamus vandenynų ir hidrologinius duomenis. Mūsų misija peržengia vien duomenų rinkimo ribas – esame tvarios ateities kūrėjai, įgalinantys institucijas, universitetus ir vyriausybes visame pasaulyje priimti pagrįstus sprendimus dėl mūsų planetos sveikatos.
Įrašo laikas: 2025 m. rugpjūčio 11 d.