Исследование, проведённое под руководством UNSW, показало: модели прогнозирования береговых линий эффективны при прогнозировании изменений природных песчаных пляжей с точностью примерно 10 метров
Результаты исследования, опубликованные в журнале Communications Earth & Environment в прошлом месяце, представляют собой наиболее полный на сегодняшний день бенчмаркинг моделей прогнозирования береговых линий.
Суть исследования
С изменением волнового климата и повышением уровня моря инженеры используют модели береговых линий для прогнозирования эволюции береговых линий — того, как пляжи растут, уменьшаются или смещаются из-за приливов, штормов или эрозии. Точные прогнозы помогают правительствам, планировщикам и сообществам принимать важные решения о развитии, управлении рисками и защите окружающей среды.
«Наши результаты показывают, что некоторые пляжи можно моделировать почти так же хорошо, как их можно наблюдать с помощью дистанционного зондирования», — говорит доктор Йонджин Мао, ведущий автор исследования из лаборатории водных исследований UNSW при Школе гражданского и экологического инжиниринга.
Однако исследователи говорят, что необходимы дополнительные бенчмарки для понимания эффективности моделей для береговых линий в урбанизированных районах, где искусственные сооружения усложняют динамику береговых линий, особенно в условиях ускорения климатических изменений.
В рамках исследования 34 модели береговых линий от разных разработчиков по всему миру были оценены на способность прогнозировать положение береговой линии в рамках слепого соревнования под названием ShoreShop2.0.
Соревнование проверяло, насколько хорошо модели могут прогнозировать изменения береговой линии в краткосрочной (5 лет) и среднесрочной (50 лет) перспективе. Реальный пляж — Curl Curl в Новом Южном Уэльсе — был анонимизирован как «BeachX», чтобы обеспечить объективные результаты.
Участникам были предоставлены только данные из открытых источников, включая волны, приливы, повышение уровня моря и данные о положении береговой линии за 20 лет, полученные из общедоступных спутниковых изображений, для калибровки. Данные о береговой линии за другие периоды были скрыты для оценки.
Исследователи обнаружили, что наиболее эффективные модели могут прогнозировать изменения береговой линии с точностью примерно 10 метров для пляжей в форме бухты как в краткосрочной, так и в среднесрочной перспективе, что соответствует разрешению спутниковых наблюдений за береговой линией.
«Подобно большинству пляжей, обнаруженных в Новом Южном Уэльсе, пляжи в форме бухты изогнуты и ограничены заголовками, которые защищают их от полной силы океана», — говорит доктор Мао. «Однако эти динамичные пляжи могут быстро меняться в ответ на воздействие окружающей среды, которое может усугубиться изменением волнового климата и повышением уровня моря».
«Мы обнаружили, что большинство моделей береговых линий успешно отражают реакцию на штормы не только в краткосрочных, но и в среднесрочных прогнозах», — добавляет он. «Результаты этого исследования подтверждают, что существующие модели могут дать нам надёжный прогноз того, как изменится наша береговая линия».
За годы своего существования эти модели стали более точными в имитации изменяющейся динамики береговой линии за счёт интеграции передовых вычислительных методов с растущими объёмами данных.
Тем не менее результаты подчёркивают, что эффективность модели зависит не только от самой модели, но и от качества используемых данных, особенно предварительной обработки данных о береговой линии, полученных со спутников.
«В рамках соревнования моделирам были предоставлены данные о береговой линии, полученные с помощью дистанционного зондирования, которые легко доступны, но обычно менее надёжны, чем наблюдения на местах», — говорит доктор Мао. «Поскольку данные о береговой линии на местах недоступны, мы рекомендуем более широкое использование пространственно-временных методов сглаживания для снижения шума данных, полученных со спутников, и повышения эффективности моделей».
Доктор Мао говорит, что ещё одним ключевым ограничением для большинства этих моделей является то, что они всё ещё в значительной степени полагаются на правило Брууна — 60-летний принцип, согласно которому профиль песчаного пляжа будет сохранять свою форму при повышении уровня моря, но смещаться в сторону суши и вверх, чтобы компенсировать это.
Он говорит, что многие учёные и инженеры-проектировщики считают это правило упрощением сложностей реальных прибрежных процессов. «Для долгосрочных прогнозов мы сомневаемся в надёжности моделей, которые всё ещё основаны на правиле Брууна», — говорит он. «Чтобы лучше отразить сложность прибрежных систем, нам необходимо разработать альтернативные подходы, которые будут отражать изменения береговой линии с течением времени».
Доктор Мао считает, что важно разработать модели для прогнозирования изменений береговой линии, поскольку риски, связанные с климатом, являются одними из самых высоких в прибрежных районах. Около 10% населения мира проживает в пределах пяти километров от побережья, и многие из этих районов сталкиваются с растущей угрозой эрозии и отступления береговой линии.
Доктор Мао считает, что мы можем ожидать увеличения вмешательства человека для защиты этих прибрежных сообществ — и что будущие исследования должны быть сосредоточены на этих сложных прибрежных средах. «Если мы посмотрим на густонаселённые прибрежные города по всему миру, мы увидим, что у них, как правило, больше «инженерных» пляжей со структурами, такими как волнорезы или морские стены», — говорит доктор Мао. «Но теперь инженеры начинают искать естественные вмешательства, такие как программы по обогащению пляжей песком».
«Возможность точно прогнозировать, как будут меняться пляжи, помогает правительствам, планировщикам и сообществам принимать более взвешенные решения о том, как сохранить нашу природную среду», — заключает он.
Предоставлено Университетом Нового Южного Уэльса.