Coastal planners using probabilistic risk assessments to evaluate structural flood risk reduction projects may wish to simulate the hydrodynamics associated with large suites of tropical cyclones in large ensembles of landscapes: with and without projects' implementation; over decades of their useful lifetimes; and under multiple scenarios reflecting uncertainty about sea level rise, land subsidence, and other factors. Wave action can be a substantial contributor to flood losses and overtopping of structural features like levees and floodwalls, but numerical methods solving for wave dynamics are computationally expensive, potentially limiting budget-constrained planning efforts. In this study, we present and evaluate the performance of deep learning-based surrogate models for predicting peak significant wave heights under a variety of relevant use cases: predicting waves with or without modeled peak storm surge as a feature, predicting wave heights while simultaneously predicting peak storm surge, or using storm surge predicted by another surrogate model as an input feature. All models incorporate landscape morphological elements (e.g., elevation, roughness, canopy) and global boundary conditions (e.g., sea level) in addition to tropical cyclone characteristics as predictive features to improve accuracy as landscapes evolve over time. Using simulations from Louisiana's 2023 Coastal Master Plan as a case study, we demonstrate suitable accuracy of surrogate models for planning-level studies, with a two-sided Kolmogorov-Smirnov test indicating no significant difference between significant wave heights generated by the Simulating Waves Nearshore model and those predicted by our surrogate models in approximately 89% of grid cells and landscapes evaluated in the study, with performance varying by landscape and model. On average, the models produced a root mean squared error of 0.05-0.06 m.


翻译:使用概率风险评估来评估结构性防洪减灾项目的沿海规划者,可能希望模拟与大量热带气旋组合在多种地形情景下的水动力学:包括项目实施与未实施的情况;跨越项目数十年使用寿命;以及在反映海平面上升、地面沉降及其他因素不确定性的多种情景下。波浪作用可能是造成洪水损失以及堤坝、防洪墙等结构特征越浪的重要因素,但求解波浪动力学的数值方法计算成本高昂,可能限制预算有限的规划工作。在本研究中,我们提出并评估了基于深度学习的代理模型在多种相关应用场景下预测峰值有效波高的性能:包括使用或不使用模拟峰值风暴潮作为特征来预测波浪、同时预测波高与峰值风暴潮、或使用另一代理模型预测的风暴潮作为输入特征。所有模型除了热带气旋特征外,还纳入地形形态要素(如高程、粗糙度、冠层)和全局边界条件(如海平面)作为预测特征,以提高地形随时间演变时的准确性。以路易斯安那州2023年沿海总体规划的模拟为案例研究,我们证明了代理模型在规划层面研究中具有适宜的准确性,双侧Kolmogorov-Smirnov检验表明,在本研究评估的约89%网格单元和地形中,近岸波浪模拟模型生成的有效波高与我们的代理模型预测值无显著差异,性能因地形和模型而异。平均而言,模型产生的均方根误差为0.05-0.06米。

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