气候变化导致海平面上升和风暴强度加剧，全球海岸线正面临前所未有的侵蚀风险。然而，准确预测海岸线变化极具挑战性，尤其是长期趋势。近期，ShoreShop2.0国际合作研究通过盲测评估了34种海岸线预测模型的性能，揭示了当前海岸线建模的最新进展。

海岸线是陆地与海洋交界的动态边界，受海浪、潮汐、风暴和海平面上升的影响而不断变化。全球约有24%的沙质海岸线正以每年超过0.5米的速度后退，而在某些地区，例如美国墨西哥湾沿岸，年侵蚀速度甚至超过20米。

预测海岸线变化本身就十分困难且复杂，需要考虑多种因素的相互作用，包括波浪能量、泥沙输送和海平面上升。而对长期变化进行准确预测则更具挑战性。

现代海岸线预测模型可以分为三类：一类是基于物理模拟的模型，例如基于流体力学和泥沙输运方程的 Delft3D 和 MIKE21；一类是结合物理原理和数据驱动方法的混合模型，例如 CoSMoS-COAST 和 LX-Shore；另一类是完全依赖于统计或机器学习技术的数据驱动模型，例如 LSTM 网络和 Transformer 架构。

尽管模型种类繁多，但由于缺乏统一的评估标准，性能比较一直很困难。哪个模型的预测最准确？ShoreShop2.0盲测竞赛为跨学科比较提供了一个绝佳的机会。

ShoreShop2.0国际盲测竞赛是一种高度严谨的科学合作形式。参赛队伍仅被告知测试地点，该地点是海湾或海滩的代号。关键信息，例如地点位置和实际名称，均被隐藏，以防止先验知识影响模型校准。此外，数据分阶段保密，其中2019-2023年（短期）和1951-1998年（中期）的数据被特意隐去。模型随后预测短期和中期海岸线变化，并最终使用这些保密数据验证其准确性。这种设计使得在完全未知的条件下对海岸模型进行跨学科比较成为可能。

来自15个国家的34个研究团队提交了模型，其中包括12个数据驱动模型和22个混合模型。这些团队来自美国、澳大利亚、日本、法国等国家的机构。然而，提交的模型中缺少GENESIS等商业模型以及Delft3D和MIKE21等基于物理的模型。

对比结果显示，短期（五年）预测性能最佳的模型是CoSMoS-COAST-CONV_SV（混合模型）、GAT-LSTM_YM（数据驱动模型）和iTransformer-KC（数据驱动模型）。这些模型的均方根误差约为10米，与卫星遥感海岸线数据的固有误差8.9米相当。这表明，对于某些海滩而言，这些模型的预测能力已接近观测技术的极限。当然，其他一些模型能够更好地捕捉海岸线的变化。

一项出人意料的发现是，混合模型的性能与数据驱动模型相当。CoSMoS-COAST-CONV_SV（混合模型）结合了物理过程和卷积运算，而GAT-LSTM_YM（数据驱动模型）则利用图注意力网络来捕捉空间相关性。两个模型都表现良好。

就中期预测而言，LX-Shore系列（混合模型）的预测结果与实测数据最为接近。这些模型通过耦合沿岸和横向泥沙输移过程，在保持长期稳定性的同时，对极端风暴事件的响应也与实测数据最为吻合。这些模型的预测表明，一次强风暴即可导致海岸线暂时后退15-20米，完全恢复可能需要两到三年时间。CoSMoS-COAST系列模型具有极佳的稳定性，而其他模型则可能存在长期漂移和过度响应的问题。

模型结果表明数据质量是影响模型性能的关键限制因素。虽然卫星遥感数据覆盖范围广，但其时间分辨率较低，通常为每周到每月，难以捕捉风暴后的快速恢复过程。此外，瞬时水边位置会受到波浪爬升和潮汐的影响，导致瞬态误差，进而影响模型预测。

研究发现，时空数据平滑处理，例如使用稳健的二维滤波技术，可以显著提高模型性能。随后，非盲测试模型通过优化数据预处理，平均误差降低了15%。

鲁棒二维平滑是一种先进的信号处理方法，专门用于处理海岸线卫星数据中的噪声。本质上，它是一种基于加权最小二乘法的迭代滤波算法，对卫星图像中的异常值（例如瞬态波浪噪声）具有很强的鲁棒性。

影响模型预测的另一个关键因素是近岸波浪数据的准确性。目前，波浪数据存在多种误差，包括全球波浪再分析数据近岸转换误差、在10米等深线而非破碎带提取波浪参数造成的偏差，以及使用日平均波浪条件低估极端事件影响等。这些误差都会影响模型预测。

对于长期预测，大多数模型都依赖于经典的布朗运动定律来估算海平面上升的影响。然而，该定律假设沉积物供应无限且平衡，忽略了近海沉积物输送或人类活动（例如海滩养护）的影响。这可能导致模型出现显著偏差。

基于平衡剖面理论，布朗定律揭示了海平面上升与海岸线后退之间的线性关系。该理论认为，海岸剖面保持着一种平衡形状。随着海平面上升，不断增加的容纳空间迫使这种平衡剖面向陆地移动，以维持其相对于新海平面的形状。因此，该理论认为，随着海岸剖面向陆地移动，上层沙滩被侵蚀，侵蚀物质沉积在近岸，导致近岸海底上升，从而维持水深不变。布朗定律预测，海岸线后退的幅度可能是海平面上升幅度的10到50倍，具体倍数取决于沙滩的坡度。

本研究为根据具体需求选择合适的工具提供了依据。此外，数据预处理至关重要；适当的数据处理有时比模型本身的影响更大。借鉴 ShoreShop 2.0 的经验，可以改进卫星和波浪数据，从而提高预测精度。此外，人为扰动海滩对长期预测的不可控影响也会显著影响预测结果。另外，GENESIS、Delft3D 和 MIKE21 等商业模型的缺失也是一个重要问题。

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