Через зміну клімату, що призводить до підвищення рівня моря та посилення штормів, світові берегові лінії стикаються з безпрецедентними ризиками ерозії. Однак точне прогнозування змін берегової лінії є складним завданням, особливо довгострокових тенденцій. Нещодавно міжнародне спільне дослідження ShoreShop2.0 оцінило ефективність 34 моделей прогнозування берегової лінії шляхом сліпого тестування, розкривши сучасний стан моделювання берегової лінії.
Берегова лінія — це динамічна межа, де суша зустрічається з морем, яка постійно змінюється через хвилі, припливи, шторми та підвищення рівня моря. Приблизно 24% піщаних берегових ліній у всьому світі відступають зі швидкістю, що перевищує 0,5 метра на рік, а в деяких районах, таких як узбережжя Мексиканської затоки США, річна швидкість ерозії навіть перевищує 20 метрів.
Прогнозування змін берегової лінії є складним та комплексним процесом за своєю суттю, що вимагає врахування взаємодії багатьох факторів, включаючи енергію хвиль, перенесення осадових порід та підвищення рівня моря. Точні прогнози на тривалі періоди часу ще складніші.
Сучасні моделі прогнозування берегової лінії можна розділити на три категорії: одна базується на фізичному моделюванні, така як Delft3D та MIKE21, що базуються на механіці рідини та рівняннях переносу осаду; одна — це гібридна модель, яка поєднує фізичні принципи з методами, керованими даними, такими як CoSMoS-COAST та LX-Shore; та інша — це модель, керована даними, яка повністю спирається на статистичні методи або методи машинного навчання, такі як мережі LSTM та архітектури Transformer.
Незважаючи на широку різноманітність моделей, відсутність єдиних критеріїв оцінки ускладнила порівняння показників. Яка модель пропонує найточніші прогнози? Змагання зі сліпого тестування ShoreShop2.0 надає чудову можливість для міждисциплінарних порівнянь.
Міжнародний конкурс сліпих тестів ShoreShop2.0 – це дуже ретельна форма наукової співпраці. Команди-учасниці отримують інформацію лише про місце проведення тестування, яке є кодовою назвою затоки чи пляжу. Ключова інформація, така як його розташування та фактична назва, приховується, щоб запобігти впливу попередніх знань на калібрування моделі. Крім того, дані зберігаються конфіденційними в окремих розділах, причому дані за 2019-2023 роки (короткострокові) та 1951-1998 роки (середньострокові) навмисно приховуються. Потім моделі прогнозують короткострокові та середньострокові зміни берегової лінії, зрештою перевіряючи їхню точність за допомогою конфіденційних даних. Така конструкція дозволяє проводити міждисциплінарні порівняння моделей узбережжя за абсолютно невідомих умов.
Тридцять чотири дослідницькі групи з 15 країн подали моделі, що охоплюють 12 моделей на основі даних та 22 гібридні моделі. Ці групи були представлені установами зі Сполучених Штатів, Австралії, Японії, Франції та інших країн. Однак, серед поданих моделей бракувало комерційних моделей, таких як GENESIS, та моделей на основі фізики Delft3D та MIKE21.
Порівняння показало, що найефективнішими моделями для короткострокових п'ятирічних прогнозів були CoSMoS-COAST-CONV_SV (гібридна модель), GAT-LSTM_YM (модель на основі даних) та iTransformer-KC (модель на основі даних). Ці моделі досягли середньоквадратичної похибки приблизно 10 метрів, що можна порівняти з властивою похибкою 8,9 метра в даних дистанційного зондування берегової лінії супутників. Це свідчить про те, що для деяких пляжів прогностичні можливості моделей наближаються до межі технології спостережень. Звичайно, інші моделі змогли краще враховувати зміни берегової лінії.
Несподіваним відкриттям стало те, що гібридна модель показала результати, порівнянні з моделлю, керованою даними. CoSMoS-COAST-CONV_SV (гібридна модель) поєднує фізичні процеси та згорткові операції, тоді як GAT-LSTM_YM (модель, керована даними) використовує мережу графової уваги для фіксації просторових кореляцій. Обидві моделі показали хороші результати.
Щодо середньострокових прогнозів, серія LX-Shore (гібридні моделі) забезпечує найточніші передбачення до виміряних даних. Поєднуючи процеси вздовжбережжевого та латерального перенесення осаду, ці моделі підтримують довгострокову стабільність, демонструючи при цьому найбільш послідовні реакції на екстремальні штормові події з виміряними даними. Прогнози цих моделей показують, що один сильний шторм може спричинити тимчасове відступ берегової лінії до 15-20 метрів, а повне відновлення може зайняти від двох до трьох років. Серія CoSMoS-COAST пропонує чудову стабільність, тоді як інші моделі можуть страждати від довгострокового дрейфу та надмірної реакції.
Результати моделі показують, щоякість данихє ключовим обмежувальним фактором у продуктивності моделі. Хоча дані супутникового дистанційного зондування охоплюють широку територію, їхня часова роздільна здатність низька, зазвичай від тижня до місяця, що ускладнює фіксацію швидкого відновлення після шторму. Крім того, на миттєву уріз води впливають хвильовий набіг та припливи, що призводить до тимчасових помилок, які можуть вплинути на прогнози моделі.
Дослідження показало, що просторово-часове згладжування даних, таке як використання надійних методів двовимірної фільтрації, може значно покращити продуктивність моделі. Пізніше, не сліпі тестові моделі зменшили середню похибку на 15% завдяки оптимізованій попередній обробці даних.
Надійне 2D-згладжування – це вдосконалений метод обробки сигналів, спеціально розроблений для обробки шуму в супутникових даних берегової лінії. По суті, це ітеративний алгоритм фільтрації, заснований на зважених найменших квадратах, який є дуже стійким до викидів, таких як шум перехідних хвиль на супутникових знімках.
Ще одним фактором, що вирішує значення для прогнозів моделі, є точність даних про прибережні хвилі. Наразі дані про хвилі мають різні похибки, включаючи помилки в прибережному перетворенні даних глобального повторного аналізу хвиль, зміщення, спричинені вилученням параметрів хвиль на 10-метровій ізобаті, а не в зоні розлому, та недооцінку впливу екстремальних подій шляхом використання середньодобових хвильових умов. Усі ці похибки можуть впливати на прогнози моделі.
Для довгострокових прогнозів більшість моделей спираються на класичний броунівський закон для оцінки впливу підвищення рівня моря. Однак цей закон припускає нескінченне та збалансоване постачання осадових порід та ігнорує вплив перенесення осадових порід у відкритому морі або діяльності людини, такої як живлення пляжів. Це може призвести до значних похибок моделі.
Ґрунтуючись на теорії рівноважного профілю, закон Брауна передбачає лінійну залежність між підвищенням рівня моря та відступом берегової лінії. Ця теорія стверджує, що профіль узбережжя зберігає рівноважну форму. З підвищенням рівня моря збільшення простору акомодації змушує цей рівноважний профіль зміщуватися до суші, щоб зберегти свою форму відносно нового рівня моря. Отже, теорія стверджує, що зі зміщенням профілю узбережжя до суші верхній шар пляжу розмивається, а розмитий матеріал відкладається на березі, що призводить до підняття прибережного морського дна, тим самим підтримуючи постійну глибину води. Закон Брауна передбачає, що відступ узбережжя може бути в 10-50 разів більшим, ніж підвищення рівня моря, залежно від нахилу пляжу.
Це дослідження забезпечує основу для вибору відповідних інструментів на основі конкретних потреб. Крім того, попередня обробка даних є критично важливою; належна обробка даних іноді може мати більший вплив, ніж сама модель. Спираючись на досвід, отриманий з ShoreShop 2.0, можна внести покращення до супутникових та хвильових даних для підвищення точності прогнозування. Крім того, неконтрольований вплив штучно порушених пляжів у довгострокових прогнозах також може суттєво вплинути на результати прогнозування. Крім того, серйозною проблемою є відсутність участі комерційних моделей, таких як GENESIS, Delft3D та MIKE21.
Вартові блакитного кордону: 11-річна місія Frankstar із захисту наших океанів та клімату
Протягом понад десяти років Frankstar перебуває на передовій управління морським середовищем, використовуючи передові технології та наукову точність для надання неперевершених океанічних та гідрологічних даних. Наша місія виходить за рамки простого збору даних — ми є архітекторами сталого майбутнього, надаючи установам, університетам та урядам у всьому світі можливість приймати обґрунтовані рішення щодо здоров'я нашої планети.
Час публікації: 11 серпня 2025 р.