Vzhľadom na klimatické zmeny vedúce k stúpajúcej hladine morí a zintenzívneniu búrok čelia globálne pobrežia bezprecedentnému riziku erózie. Presné predpovedanie zmien pobrežia je však náročné, najmä dlhodobých trendov. Nedávno medzinárodná kolaboratívna štúdia ShoreShop2.0 vyhodnotila výkonnosť 34 modelov predikcie pobrežia prostredníctvom slepého testovania a odhalila súčasný stav techniky v modelovaní pobrežia.
Pobrežie je dynamická hranica, kde sa pevnina stretáva s morom, ktorá sa neustále mení v dôsledku vĺn, prílivu a odlivu, búrok a stúpania hladiny morí. Približne 24 % piesočnatých pobreží na celom svete ustupuje rýchlosťou presahujúcou 0,5 metra za rok a v niektorých oblastiach, ako napríklad pobrežie Mexického zálivu v USA, je ročná miera erózie dokonca vyššia ako 20 metrov.
Predpovedanie zmien pobrežia je vo svojej podstate náročné a zložité a vyžaduje si zváženie vzájomného pôsobenia viacerých faktorov vrátane energie vĺn, transportu sedimentov a stúpania hladiny morí. Presné predpovede na dlhé časové obdobia sú ešte náročnejšie.
Moderné modely predikcie pobrežia možno rozdeliť do troch kategórií: jedna je založená na fyzikálnej simulácii, ako napríklad Delft3D a MIKE21, založené na mechanike tekutín a rovniciach transportu sedimentov; jedna je hybridný model, ktorý kombinuje fyzikálne princípy s metódami založenými na dátach, ako napríklad CoSMoS-COAST a LX-Shore; a druhá je model riadený dátami, ktorý sa výlučne spolieha na štatistické techniky alebo techniky strojového učenia, ako sú siete LSTM a architektúry Transformer.
Napriek širokej rozmanitosti modelov nedostatok jednotných hodnotiacich kritérií sťažuje porovnávanie výkonnosti. Ktorý model ponúka najpresnejšie predpovede? Súťaž slepých testov ShoreShop2.0 poskytuje perfektnú príležitosť na medzidisciplinárne porovnania.
Medzinárodná súťaž v slepých testoch ShoreShop2.0 je veľmi prísnou formou vedeckej spolupráce. Zúčastnené tímy sú informované iba o testovacom mieste, čo je kódový názov pre záliv alebo pláž. Kľúčové informácie, ako je jeho poloha a skutočný názov, sú skryté, aby sa zabránilo ovplyvneniu kalibrácie modelu predchádzajúcimi znalosťami. Okrem toho sú údaje v sekciách uchovávané ako dôverné, pričom údaje z rokov 2019 – 2023 (krátkodobé) a 1951 – 1998 (strednodobé) sú zámerne zatajené. Modely potom predpovedajú krátkodobé a strednodobé zmeny pobrežia a nakoniec overujú ich presnosť pomocou dôverných údajov. Tento dizajn umožňuje medzidisciplinárne porovnania pobrežných modelov za úplne neznámych podmienok.
Tridsaťštyri výskumných tímov z 15 krajín predložilo modely, vrátane 12 modelov založených na dátach a 22 hybridných modelov. Tieto tímy pochádzali z inštitúcií v Spojených štátoch, Austrálii, Japonsku, Francúzsku a ďalších krajinách. Predložené modely však neobsahovali komerčné modely ako GENESIS a modely založené na fyzike Delft3D a MIKE21.
Porovnanie ukázalo, že najvýkonnejšie modely pre krátkodobé päťročné predpovede boli CoSMoS-COAST-CONV_SV (hybridný model), GAT-LSTM_YM (model riadený dátami) a iTransformer-KC (model riadený dátami). Tieto modely dosiahli strednú kvadratickú chybu približne 10 metrov, čo je porovnateľné s inherentnou chybou 8,9 metra v údajoch o pobreží získaných diaľkovým prieskumom Zeme zo satelitov. To naznačuje, že v prípade niektorých pláží sa predikčné schopnosti modelov blížia k hraniciam pozorovacej technológie. Samozrejme, iné modely dokázali lepšie zachytiť zmeny pobrežia.
Prekvapujúcim zistením bolo, že hybridný model fungoval porovnateľne s modelom riadeným dátami. CoSMoS-COAST-CONV_SV (hybridný model) kombinuje fyzikálne procesy a konvolučné operácie, zatiaľ čo GAT-LSTM_YM (model riadený dátami) využíva sieť grafovej pozornosti na zachytenie priestorových korelácií. Oba modely fungovali dobre.
Pokiaľ ide o strednodobé predpovede, séria LX-Shore (hybridné modely) poskytuje predpovede najbližšie k nameraným údajom. Prepojením procesov transportu sedimentov pozdĺž pobrežia a laterálne si tieto modely udržiavajú dlhodobú stabilitu a zároveň vykazujú najkonzistentnejšie reakcie na extrémne búrkové udalosti s nameranými údajmi. Predpovede z týchto modelov naznačujú, že jedna silná búrka môže spôsobiť prechodný ústup pobrežia až o 15 – 20 metrov, pričom úplné zotavenie môže trvať dva až tri roky. Séria CoSMoS-COAST ponúka vynikajúcu stabilitu, zatiaľ čo iné modely môžu trpieť dlhodobým driftom a nadmernou odozvou.
Výsledky modelu naznačujú, žekvalita údajovje kľúčovým obmedzujúcim faktorom výkonu modelu. Hoci údaje zo satelitného diaľkového prieskumu Zeme pokrývajú širokú oblasť, ich časové rozlíšenie je nízke, zvyčajne týždenne až mesačne, čo sťažuje zachytenie rýchlej obnovy po búrke. Okrem toho je okamžitá hranica vody ovplyvnená prílivom a odlivom, čo vedie k prechodným chybám, ktoré môžu ovplyvniť predpovede modelu.
Štúdia zistila, že priestorovo-časové vyhladzovanie údajov, ako napríklad použitie robustných dvojrozmerných filtračných techník, môže výrazne zlepšiť výkon modelu. Neskôr predložené neslepé testovacie modely znížili priemernú chybu o 15 % vďaka optimalizovanému predspracovaniu údajov.
Robustné 2D vyhladzovanie je pokročilá metóda spracovania signálu špeciálne navrhnutá na spracovanie šumu v satelitných dátach o pobreží. V podstate ide o iteratívny filtračný algoritmus založený na metóde vážených najmenších štvorcov, ktorý je vysoko odolný voči odľahlým hodnotám, ako je napríklad prechodový vlnový šum v satelitných snímkach.
Ďalším faktorom, ktorý je kľúčový pre predpovede modelu, je presnosť údajov o vlnách v blízkosti pobrežia. V súčasnosti údaje o vlnách trpia rôznymi chybami vrátane chýb v konverzii údajov o globálnej reanalýze vĺn v blízkosti pobrežia, skreslení spôsobených extrakciou parametrov vĺn na 10-metrovej izobate namiesto zóny lomu a podhodnotením vplyvu extrémnych udalostí použitím denných priemerných podmienok vĺn. Všetky tieto chyby môžu ovplyvniť predpovede modelu.
Pri dlhodobých predpovediach sa väčšina modelov spolieha na klasický Brownov zákon na odhad vplyvu stúpania hladiny morí. Tento zákon však predpokladá nekonečnú a vyváženú zásobu sedimentov a ignoruje vplyvy transportu sedimentov na mori alebo ľudských činností, ako je napríklad výživa pláží. To môže viesť k významným skresleniam modelu.
Na základe teórie rovnovážneho profilu poskytuje Brownov zákon lineárny vzťah medzi stúpaním hladiny mora a ústupom pobrežia. Táto teória predpokladá, že profil pobrežia si zachováva rovnovážny tvar. S stúpajúcou hladinou mora zväčšujúci sa akomodačný priestor núti tento rovnovážny profil posúvať sa smerom k pevnine, aby si zachoval svoj tvar vzhľadom na novú hladinu mora. Teória teda predpokladá, že s posunom profilu pobrežia smerom k pevnine sa vrchná vrstva pláže eroduje a erodovaný materiál sa ukladá na mori, čo spôsobuje stúpanie pobrežného morského dna, čím sa udržiava konštantná hĺbka vody. Brownov zákon predpovedá, že ústup pobrežia môže byť 10 až 50-krát väčší ako stúpanie hladiny mora v závislosti od sklonu pláže.
Táto štúdia poskytuje základ pre výber vhodných nástrojov na základe špecifických potrieb. Okrem toho je predspracovanie údajov kľúčové; správne spracovanie údajov môže mať niekedy väčší vplyv ako samotný model. Na základe skúseností získaných so ShoreShop 2.0 je možné vykonať vylepšenia satelitných a vlnových údajov s cieľom zvýšiť presnosť predpovedí. Okrem toho, nekontrolovateľné účinky umelo narušených pláží v dlhodobých predpovediach môžu tiež významne ovplyvniť výsledky predpovedí. Významným problémom je aj nedostatočná účasť komerčných modelov, ako sú GENESIS, Delft3D a MIKE21.
Strážcovia modrej hranice: 11-ročná misia spoločnosti Frankstar na ochranu našich oceánov a klímy
Spoločnosť Frankstar je už viac ako desať rokov v popredí v oblasti starostlivosti o morské prostredie a využíva najmodernejšie technológie a vedeckú precíznosť na poskytovanie bezkonkurenčných údajov o oceánoch a hydrologii. Naše poslanie presahuje rámec samotného zberu údajov – sme architektmi udržateľnej budúcnosti a umožňujeme inštitúciám, univerzitám a vládam na celom svete robiť informované rozhodnutia pre zdravie našej planéty.
Čas uverejnenia: 11. augusta 2025