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Publication
Modelling storm-induced erosion in coastal embayments in the Victoria Coast (Southern Australia) supported by citizen science data
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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
Storms play a crucial role in shaping coastal landscapes, driving significant morphological changes and influencing short and long-term beach stability. The significance of understanding coastal storms and their associated impacts is pivotal for coastal management. Coastal erosion responses to storm events vary significantly depending on the coastal geomorphology of the beaches. This thesis investigated the performance of the XBeach model in simulating storm erosion in selected embayed beaches on the coast of Victoria (Australia). High-resolution Citizen Science datasets were employed to calibrate and validate the models in Apollo Bay, Marengo and Port Fairy beaches. The models were extensively calibrated to simulate the erosional response to high-intensity storms, and validated with lower intensity storms. Calibrated models accurately reproduced storm induced erosion with excellent performance scores of BSS - 0.9 and RMSE - 0.2 for all the study sites. A sensitivity analysis performed by varying parameters like wetslp, dryslp, gamma, alpha and delta, revealed that the models were extremely sensitive to a combination of gamma and delta values, but showed limited variation in performance for changes in wetslp and dryslp. The models exhibited a high degree of sensitivity to the antecedent topography of the profiles considered, with the beach face slope being the major factor controlling the modelled storm erosion response, thus the selection of facua, beta, gammax, gamma2, and facsl values for each site was contingent upon the steepness of the profiles considered. This indicated that site-specific hydrodynamics and morphological conditions controlled the response of the beaches to storms. Thus, sites with similar coastal characteristics exhibited similar responses to storms, and the model parameterisations obtained for a specific site resulted in reasonale to poor performance scores when applied to other sites. The beach slope, reflecting the morphodynamic state of the beach, showed that the geological controls on embayed beaches indirectly influenced XBeach parameterization through adjustments related to the slope.
Compreender os impactos das tempestades costeiras e as consequências associadas a estes eventos extremos é cada vez mais importante devido às alterações climáticas e ao aumento das populações costeiras. Neste sentido, o papel dos modelos numéricos baseados em processos para simular a erosão durante tempestades é fundamental para a gestão e planeamento das zonas costeiras. Em praias arenosas em baía ou encaixadas, os impactos das tempestades refletem interações complexas influenciadas por fatores geológicos, contrastando com padrões melhor estabelecidos para praias expostas e abertas. A investigação desta tese focou-se nos efeitos das tempestades em praias em baía, destacando a necessidade de uma compreensão mais profunda de como os litorais arenosos encaixados respondem às tempestades devido ao seu comportamento morfodinâmico moldado pelas características geológicas. O modelo numérico XBeach foi utilizado para simulação da resposta morfodinâmica de praias e dunas, uma vez que tem vindo a demonstrar um excelente desempenho na simulação da resposta à erosão por tempestades em praias arenosas. Testar diferentes parametrizações de processos no XBeach é fundamental, especialmente para praias em baía onde os processos morfodinâmicos induzidos por tempestades são influenciados pela presença de superfícies geológicas resistentes. Esta complexidade, ausente em praias expostas e sem restrições, reforça a necessidade de uma avaliação sistemática para aumentar a precisão dos modelos numéricos de erosão provocada por tempestades. O estabelecimento de modelos precisos em ambientes complexos requer conjuntos de dados de elevada qualidade para a calibração e validação dos modelos. Para isso, o Programa de Monitorização Costeira de Victoria (VCMP), uma iniciativa de ciência cidadã na desenvolvido para o estado de Victoria, na Austrália, contém um repositório de conjuntos de dados topográficos obtidos por drones, batimetria e hidrodinâmica de alta qualidade e disponibilizados de forma aberta. Assim, este trabalho visa avaliar a eficácia de modelos numéricos baseados em processos para simulação da erosão induzida por tempestades em praias em baía com configurações geomorfológicas diversas, utilizando dados de Ciência Cidadã. Os principais objetivos do estudo incluem a caracterização e simulação das alterações morfológicas induzidas por tempestades nas praias em baía do estado de Victoria. Para isso, este trabalho implementou o modelo XBeach para simular a erosão induzida por tempestades, utilizando observações de dados da Ciência Cidadã para a calibração e validação do modelo. Além disso, este estudo procura explorar diferentes parametrizações do modelo XBeach para compreender de que forma os fatores geológicos influenciam o desempenho do modelo em diferentes condições de tempestade. As tempestades foram caracterizadas a partir dos conjuntos de dados de agitação disponíveis entre 2019 a 2023, utilizando o limiar de 99,8% de excedência da altura significativa das ondas. Analisando os eventos de tempestade identificados com os perfis topográficos disponíveis, foram escolhidos 3 locais para o estudo, Apollo Bay, Marengo e Port Fairy. Foram identificados dois eventos de tempestade em cada local, utilizando um para calibração e outro para validação do modelo XBeach em modo de perfil (1D). Os conjuntos de dados de topografia medidos com drone não se prolongam até à zona intertidal abaixo do nível médio do mar, por isso, exigiram a aplicação da teoria do perfil de equilíbrio de Dean para integrar os perfis topográficos e batimétricos. O modelo XBeach foi configurado para cada local, tendo sido realizadas aproximadamente 700 corridas de calibração do modelo para simular eficazmente a resposta à erosão por tempestades nos três locais de estudo. Como principais resultados e observações, este estudo evidenciou a complexa relação entre a topografia antecedente da praia, o estados morfodinâmicos das praias e os controlos geológicos nas praias em baía do litoral Victoria. Os locais de estudo, que são ambientes com regime de maré micro a mesotidal, exibiram regimes de impacto de tempestades caracterizados por espraio e colisão. As simulações do modelo XBeach revelam que as respostas das praias às tempestades são significativamente dependentes da inclinação da face da praia. A integração de parâmetros de calibração específicos para cada praia como facua, beta, gamma2, facsl e gammax, bem como a consideração das condições iniciais da praia foram cruciais para obter simulações precisas. A análise da transferibilidade dos parâmetros de calibração entre tempestades e praias distintas forneceram uma demonstração clara de que as parametrizações do modelo são altamente sensíveis às condições hidrodinâmicas e morfodinâmicas locais de cada área de estudo, que podem ser transferidas mas comprometendo a precisão do modelo. A análise de sensibilidade revelou ainda que os parâmetros hidrodinâmicos como gama e delta influenciam significativamente o desempenho do modelo, mais do que parâmetros morfológicos como wetslp e dryslp. A inclinação da face de praia, que é um indicador geral do estado morfodinâmico da praia, exigiu ajustes na parametrização do XBeach, salientando a importância do estado morfodinâmico da praia. Embora os resultados não demonstrem de forma inequívoca que os controlos geológicos afetam diretamente a parametrização do modelo XBeach, os perfis analisados localizaram-se no centro das baías e em áreas completamente arenosas, limitando a avaliação dos controlos geológicos diretos. No entanto, com base na literatura existente, considera-se que os controlos geológicos influenciam o estado morfodinâmico da praia em ambientes de baía. Assim sendo, a influência dos controlos geológicos na parametrização do XBeach é indireta, mediada pelo estado morfodinâmico das praias. A aplicação do modelo XBeach em três praias em baía do litoral de Victoria representa um passo inicial para a implementação de modelos avançados de erosão por tempestades utilizando dados de Ciência Cidadã. Apesar de algumas limitações, nomeadamente os desafios inerentes à recolha de dados na zona intertidal com drones, o conjunto de dados disponibilizado pelo VCMP permitiu a implementação de modelos numéricos de processos morfodinâmicos com excelentes métricas de desempenho. Isto foi possível porque os dados possuem elevada resolução espacial e temporal, bem como de elevada qualidade altimétrica e posicional, sendo de acesso livre para o público e comunidades científica. No geral, este trabalho permitiu uma melhor compreensão da parametrização do modelo XBeach, destacando a influência significativa dos estados morfodinâmicos da praia na implementação de modelos numéricos para zonas costeiras. Investigação futura neste tópico poderá concentrar-se no teste de parametrizações do XBeach para uma gama mais ampla de estados morfodinâmicos de praia em sistemas em baía, onde os mesmos mudam ao longo da praia à medida que os controlos geológicos diminuem com o afastamento dos promontórios e afloramentos. O investigação futura pode ser também expandida com recurso ao modelo XBeach em modo 2D, incorporando processos hidrodinâmicos e morfodinâmicos mais complexos para simular a erosão induzida por tempestades. Isto permitiria uma compreensão mais detalhada da dinâmica das praias em baía e das suas respostas a eventos de tempestade. Além disso, a integração de métodos de recolha de dados mais abrangentes e contínuos, potencialmente através de iniciativas de Ciência Cidadãs focadas em tempestades costeiras, poderá fornecer conjuntos de dados mais adequados para a calibração e validação de modelos de impatos de tempestades. Estes esforços aumentariam significativamente a precisão das previsões, apoiando assim estratégias mais eficazes de gestão costeira e de resposta a catástrofes.
Compreender os impactos das tempestades costeiras e as consequências associadas a estes eventos extremos é cada vez mais importante devido às alterações climáticas e ao aumento das populações costeiras. Neste sentido, o papel dos modelos numéricos baseados em processos para simular a erosão durante tempestades é fundamental para a gestão e planeamento das zonas costeiras. Em praias arenosas em baía ou encaixadas, os impactos das tempestades refletem interações complexas influenciadas por fatores geológicos, contrastando com padrões melhor estabelecidos para praias expostas e abertas. A investigação desta tese focou-se nos efeitos das tempestades em praias em baía, destacando a necessidade de uma compreensão mais profunda de como os litorais arenosos encaixados respondem às tempestades devido ao seu comportamento morfodinâmico moldado pelas características geológicas. O modelo numérico XBeach foi utilizado para simulação da resposta morfodinâmica de praias e dunas, uma vez que tem vindo a demonstrar um excelente desempenho na simulação da resposta à erosão por tempestades em praias arenosas. Testar diferentes parametrizações de processos no XBeach é fundamental, especialmente para praias em baía onde os processos morfodinâmicos induzidos por tempestades são influenciados pela presença de superfícies geológicas resistentes. Esta complexidade, ausente em praias expostas e sem restrições, reforça a necessidade de uma avaliação sistemática para aumentar a precisão dos modelos numéricos de erosão provocada por tempestades. O estabelecimento de modelos precisos em ambientes complexos requer conjuntos de dados de elevada qualidade para a calibração e validação dos modelos. Para isso, o Programa de Monitorização Costeira de Victoria (VCMP), uma iniciativa de ciência cidadã na desenvolvido para o estado de Victoria, na Austrália, contém um repositório de conjuntos de dados topográficos obtidos por drones, batimetria e hidrodinâmica de alta qualidade e disponibilizados de forma aberta. Assim, este trabalho visa avaliar a eficácia de modelos numéricos baseados em processos para simulação da erosão induzida por tempestades em praias em baía com configurações geomorfológicas diversas, utilizando dados de Ciência Cidadã. Os principais objetivos do estudo incluem a caracterização e simulação das alterações morfológicas induzidas por tempestades nas praias em baía do estado de Victoria. Para isso, este trabalho implementou o modelo XBeach para simular a erosão induzida por tempestades, utilizando observações de dados da Ciência Cidadã para a calibração e validação do modelo. Além disso, este estudo procura explorar diferentes parametrizações do modelo XBeach para compreender de que forma os fatores geológicos influenciam o desempenho do modelo em diferentes condições de tempestade. As tempestades foram caracterizadas a partir dos conjuntos de dados de agitação disponíveis entre 2019 a 2023, utilizando o limiar de 99,8% de excedência da altura significativa das ondas. Analisando os eventos de tempestade identificados com os perfis topográficos disponíveis, foram escolhidos 3 locais para o estudo, Apollo Bay, Marengo e Port Fairy. Foram identificados dois eventos de tempestade em cada local, utilizando um para calibração e outro para validação do modelo XBeach em modo de perfil (1D). Os conjuntos de dados de topografia medidos com drone não se prolongam até à zona intertidal abaixo do nível médio do mar, por isso, exigiram a aplicação da teoria do perfil de equilíbrio de Dean para integrar os perfis topográficos e batimétricos. O modelo XBeach foi configurado para cada local, tendo sido realizadas aproximadamente 700 corridas de calibração do modelo para simular eficazmente a resposta à erosão por tempestades nos três locais de estudo. Como principais resultados e observações, este estudo evidenciou a complexa relação entre a topografia antecedente da praia, o estados morfodinâmicos das praias e os controlos geológicos nas praias em baía do litoral Victoria. Os locais de estudo, que são ambientes com regime de maré micro a mesotidal, exibiram regimes de impacto de tempestades caracterizados por espraio e colisão. As simulações do modelo XBeach revelam que as respostas das praias às tempestades são significativamente dependentes da inclinação da face da praia. A integração de parâmetros de calibração específicos para cada praia como facua, beta, gamma2, facsl e gammax, bem como a consideração das condições iniciais da praia foram cruciais para obter simulações precisas. A análise da transferibilidade dos parâmetros de calibração entre tempestades e praias distintas forneceram uma demonstração clara de que as parametrizações do modelo são altamente sensíveis às condições hidrodinâmicas e morfodinâmicas locais de cada área de estudo, que podem ser transferidas mas comprometendo a precisão do modelo. A análise de sensibilidade revelou ainda que os parâmetros hidrodinâmicos como gama e delta influenciam significativamente o desempenho do modelo, mais do que parâmetros morfológicos como wetslp e dryslp. A inclinação da face de praia, que é um indicador geral do estado morfodinâmico da praia, exigiu ajustes na parametrização do XBeach, salientando a importância do estado morfodinâmico da praia. Embora os resultados não demonstrem de forma inequívoca que os controlos geológicos afetam diretamente a parametrização do modelo XBeach, os perfis analisados localizaram-se no centro das baías e em áreas completamente arenosas, limitando a avaliação dos controlos geológicos diretos. No entanto, com base na literatura existente, considera-se que os controlos geológicos influenciam o estado morfodinâmico da praia em ambientes de baía. Assim sendo, a influência dos controlos geológicos na parametrização do XBeach é indireta, mediada pelo estado morfodinâmico das praias. A aplicação do modelo XBeach em três praias em baía do litoral de Victoria representa um passo inicial para a implementação de modelos avançados de erosão por tempestades utilizando dados de Ciência Cidadã. Apesar de algumas limitações, nomeadamente os desafios inerentes à recolha de dados na zona intertidal com drones, o conjunto de dados disponibilizado pelo VCMP permitiu a implementação de modelos numéricos de processos morfodinâmicos com excelentes métricas de desempenho. Isto foi possível porque os dados possuem elevada resolução espacial e temporal, bem como de elevada qualidade altimétrica e posicional, sendo de acesso livre para o público e comunidades científica. No geral, este trabalho permitiu uma melhor compreensão da parametrização do modelo XBeach, destacando a influência significativa dos estados morfodinâmicos da praia na implementação de modelos numéricos para zonas costeiras. Investigação futura neste tópico poderá concentrar-se no teste de parametrizações do XBeach para uma gama mais ampla de estados morfodinâmicos de praia em sistemas em baía, onde os mesmos mudam ao longo da praia à medida que os controlos geológicos diminuem com o afastamento dos promontórios e afloramentos. O investigação futura pode ser também expandida com recurso ao modelo XBeach em modo 2D, incorporando processos hidrodinâmicos e morfodinâmicos mais complexos para simular a erosão induzida por tempestades. Isto permitiria uma compreensão mais detalhada da dinâmica das praias em baía e das suas respostas a eventos de tempestade. Além disso, a integração de métodos de recolha de dados mais abrangentes e contínuos, potencialmente através de iniciativas de Ciência Cidadãs focadas em tempestades costeiras, poderá fornecer conjuntos de dados mais adequados para a calibração e validação de modelos de impatos de tempestades. Estes esforços aumentariam significativamente a precisão das previsões, apoiando assim estratégias mais eficazes de gestão costeira e de resposta a catástrofes.
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Keywords
Storm erosion Morphodynamic state Citizen science Geological controls Sensitivity Beach face slope