Klimata pārmaiņām izraisot jūras līmeņa celšanos un pastiprinoties vētrām, pasaules piekrastes saskaras ar nepieredzētiem erozijas riskiem. Tomēr precīza piekrastes izmaiņu prognozēšana ir izaicinājums, īpaši ilgtermiņa tendences. Nesen starptautiskajā sadarbības pētījumā ShoreShop2.0 tika novērtēta 34 piekrastes prognozēšanas modeļu veiktspēja, izmantojot aklo testēšanu, atklājot pašreizējo stāvokli piekrastes modelēšanā.
Piekrastes līnija ir dinamiska robeža, kur zeme satiekas ar jūru, pastāvīgi mainoties viļņu, plūdmaiņu, vētru un jūras līmeņa celšanās dēļ. Aptuveni 24% smilšaino piekrastes līniju visā pasaulē atkāpjas ar ātrumu, kas pārsniedz 0,5 metrus gadā, un dažās vietās, piemēram, ASV līča piekrastē, gada erozijas ātrums ir pat lielāks par 20 metriem.
Piekrastes līnijas izmaiņu prognozēšana pēc savas būtības ir sarežģīta un komplicēta, un tajā jāņem vērā vairāku faktoru mijiedarbība, tostarp viļņu enerģija, nogulumu transports un jūras līmeņa celšanās. Precīzu prognožu sniegšana ilgākā laika periodā ir vēl sarežģītāka.
Mūsdienu piekrastes prognozēšanas modeļus var iedalīt trīs kategorijās: viens ir balstīts uz fizikālu simulāciju, piemēram, Delft3D un MIKE21, kuru pamatā ir šķidrumu mehānika un nogulumu transporta vienādojumi; viens ir hibrīdmodelis, kas apvieno fizikālus principus ar datu vadītām metodēm, piemēram, CoSMoS-COAST un LX-Shore; un otrs ir datu vadīts modelis, kas pilnībā balstās uz statistikas vai mašīnmācīšanās metodēm, piemēram, LSTM tīkliem un Transformer arhitektūrām.
Neskatoties uz plašo modeļu daudzveidību, vienotu novērtēšanas kritēriju trūkums ir apgrūtinājis snieguma salīdzināšanu. Kurš modelis piedāvā visprecīzākās prognozes? ShoreShop2.0 aklo testu konkurss sniedz lielisku iespēju veikt starpdisciplinārus salīdzinājumus.
Starptautiskās aklo testu sacensības “ShoreShop2.0” ir ļoti stingra zinātniskās sadarbības forma. Iesaistītās komandas tiek informētas tikai par testa vietu, kas ir līča vai pludmales koda nosaukums. Svarīga informācija, piemēram, tās atrašanās vieta un faktiskais nosaukums, tiek slēpta, lai novērstu iepriekšējo zināšanu ietekmi uz modeļa kalibrēšanu. Turklāt dati tiek saglabāti konfidenciāli sadaļās, apzināti slēpti dati par 2019.–2023. gadu (īstermiņa) un 1951.–1998. gadu (vidēja termiņa). Pēc tam modeļi prognozē īstermiņa un vidēja termiņa krasta līnijas izmaiņas, galu galā pārbaudot to precizitāti, izmantojot konfidenciālos datus. Šis dizains ļauj veikt starpdisciplināru piekrastes modeļu salīdzinājumu pilnīgi nezināmos apstākļos.
Trīsdesmit četras pētniecības komandas no 15 valstīm iesniedza modeļus, tostarp 12 uz datiem balstītus modeļus un 22 hibrīdmodeļus. Šīs komandas pārstāvēja iestādes Amerikas Savienotajās Valstīs, Austrālijā, Japānā, Francijā un citās valstīs. Tomēr iesniegtajiem modeļiem trūka komerciālu modeļu, piemēram, GENESIS un uz fiziku balstīto modeļu Delft3D un MIKE21.
Salīdzinājums atklāja, ka vislabāk funkcionējošie modeļi īstermiņa, piecu gadu prognozēm bija CoSMoS-COAST-CONV_SV (hibrīdmodelis), GAT-LSTM_YM (uz datiem balstīts modelis) un iTransformer-KC (uz datiem balstīts modelis). Šie modeļi sasniedza aptuveni 10 metru vidējo kvadrātisko kļūdu, kas ir salīdzināma ar 8,9 metru raksturīgo kļūdu satelītu tālizpētes piekrastes datos. Tas norāda, ka dažām pludmalēm modeļu prognozēšanas iespējas tuvojas novērošanas tehnoloģiju robežām. Protams, citi modeļi spēja labāk uztvert piekrastes izmaiņas.
Pārsteidzošs atklājums bija tas, ka hibrīdmodelis darbojās līdzīgi kā uz datiem balstītais modelis. CoSMoS-COAST-CONV_SV (hibrīdmodelis) apvieno fiziskos procesus un konvolucionālās operācijas, savukārt GAT-LSTM_YM (uz datiem balstītais modelis) izmanto grafu uzmanības tīklu, lai uztvertu telpiskās korelācijas. Abi modeļi darbojās labi.
Runājot par vidēja termiņa prognozēm, LX-Shore sērija (hibrīdmodeļi) sniedz visprecīzākās prognozes izmērītajiem datiem. Apvienojot krasta un sānu nogulumu transporta procesus, šie modeļi saglabā ilgtermiņa stabilitāti, vienlaikus parādot viskonsekventāko reakciju uz ekstremālām vētrām ar izmērītajiem datiem. Šo modeļu prognozes liecina, ka viena spēcīga vētra var izraisīt īslaicīgu krasta līnijas atkāpšanos līdz pat 15–20 metriem, un pilnīga atjaunošanās varētu ilgt divus līdz trīs gadus. CoSMoS-COAST sērija piedāvā izcilu stabilitāti, savukārt citi modeļi var ciest no ilgstošas novirzes un pārmērīgas reakcijas.
Modeļa rezultāti liecina, kadatu kvalitāteir galvenais modeļa veiktspēju ierobežojošais faktors. Lai gan satelītu tālizpētes dati aptver plašu teritoriju, to laika izšķirtspēja ir zema, parasti iknedēļas vai mēneša, tāpēc ir grūti uztvert ātru atjaunošanos pēc vētras. Turklāt momentāno ūdens robežu ietekmē viļņu pacelšanās un plūdmaiņas, radot pārejošas kļūdas, kas var ietekmēt modeļa prognozes.
Pētījumā tika atklāts, ka telplaika datu izlīdzināšana, piemēram, spēcīgu divdimensiju filtrēšanas metožu izmantošana, var ievērojami uzlabot modeļa veiktspēju. Vēlāk neakli testa modeļi, pateicoties optimizētai datu pirmapstrādei, samazināja vidējo kļūdu par 15 %.
Stabila 2D izlīdzināšana ir uzlabota signālu apstrādes metode, kas īpaši izstrādāta, lai apstrādātu troksni piekrastes satelītu datos. Būtībā tas ir iteratīvs filtrēšanas algoritms, kas balstīts uz svērtajiem mazākajiem kvadrātiem, un ir ļoti izturīgs pret novirzēm, piemēram, pārejošu viļņu troksni satelītattēlos.
Vēl viens faktors, kas ir izšķirošs modeļa prognozēm, ir piekrastes viļņu datu precizitāte. Pašlaik viļņu datos ir dažādas kļūdas, tostarp kļūdas globālo viļņu reanalīzes datu konvertēšanā uz piekrasti, neobjektivitāte, ko rada viļņu parametru iegūšana 10 metru izobātā, nevis lūzuma zonā, un ekstremālu notikumu ietekmes nenovērtēšana, izmantojot dienas vidējos viļņu apstākļus. Šīs kļūdas var ietekmēt modeļa prognozes.
Ilgtermiņa prognozēm lielākā daļa modeļu balstās uz klasisko Brauna likumu, lai novērtētu jūras līmeņa celšanās ietekmi. Tomēr šis likums pieņem bezgalīgu un līdzsvarotu nogulumu krājumu un ignorē nogulumu transporta vai cilvēku darbību, piemēram, pludmales barības vielu uzkrāšanos, ietekmi. Tas var radīt ievērojamas modeļa novirzes.
Balstoties uz līdzsvara profila teoriju, Brauna likums nodrošina lineāru sakarību starp jūras līmeņa celšanos un krasta līnijas atkāpšanos. Šī teorija postulē, ka piekrastes profils saglabā līdzsvara formu. Paaugstinoties jūras līmenim, pieaugošā akomodācijas telpa piespiež šo līdzsvara profilu novirzīties uz krastu, lai saglabātu savu formu attiecībā pret jauno jūras līmeni. Līdz ar to teorija postulē, ka, piekrastes profilam virzoties uz krastu, augšējais pludmales slānis tiek erodēts, un erodētais materiāls tiek nogulsnēts atklātā jūrā, izraisot piekrastes tuvumā esošās jūras gultnes pacelšanos, tādējādi saglabājot nemainīgu ūdens dziļumu. Brauna likums paredz, ka piekrastes atkāpšanās var būt 10 līdz 50 reizes lielāka nekā jūras līmeņa celšanās atkarībā no pludmales slīpuma.
Šis pētījums sniedz pamatu atbilstošu rīku izvēlei, pamatojoties uz konkrētām vajadzībām. Turklāt datu pirmapstrāde ir ļoti svarīga; pareizai datu apstrādei dažreiz var būt lielāka ietekme nekā pašam modelim. Balstoties uz pieredzi, kas gūta ar ShoreShop 2.0, var uzlabot satelītu un viļņu datus, lai uzlabotu prognožu precizitāti. Turklāt mākslīgi traucēto pludmaļu nekontrolējamā ietekme ilgtermiņa prognozēs var būtiski ietekmēt arī prognožu rezultātus. Būtiska problēma ir arī komerciālo modeļu, piemēram, GENESIS, Delft3D un MIKE21, nedalības trūkums.
Zilās robežas sargi: Frankstar 11 gadu misija aizsargāt mūsu okeānus un klimatu
Vairāk nekā desmit gadus Frankstar ir bijis jūras vides aizsardzības priekšgalā, izmantojot jaunākās tehnoloģijas un zinātnisko precizitāti, lai sniegtu nepārspējamus okeāna un hidroloģiskos datus. Mūsu misija pārsniedz vienkāršu datu vākšanu — mēs esam ilgtspējīgas nākotnes arhitekti, dodot iespēju iestādēm, universitātēm un valdībām visā pasaulē pieņemt pārdomātus lēmumus par mūsu planētas veselību.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 11. augusts