Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng nước dâng do bão là một trong những tác động thiên tai nghiêm trọng ảnh hưởng đến các vùng ven biển, đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu làm gia tăng tần suất và cường độ bão. Theo thống kê, mỗi năm Việt Nam chịu ảnh hưởng của khoảng 5-6 cơn bão đổ bộ, trong đó nước dâng do bão gây ra ngập lụt nghiêm trọng, thiệt hại về người và tài sản. Ví dụ, năm 2005, hai cơn bão Washi và Damrey xảy ra đúng vào thời kỳ triều cường đã gây thiệt hại lớn tại Hải Phòng và Nam Định. Trên thế giới, các cơn bão như Katrina tại Mỹ với mực nước dâng lên đến 7,6 m đã làm ngập 80% thành phố New Orleans, hay bão Wanda tại Hồng Kông với mực nước dâng 4 m đã phá hủy hàng nghìn nhà cửa.

Mục tiêu nghiên cứu là tính toán đường bao cực đại của nước dâng do bão và xác suất xuất hiện nước dâng cực đại tại khu vực Biển Đông Việt Nam, nhằm phục vụ công tác dự báo, cảnh báo và giảm thiểu thiệt hại thiên tai. Nghiên cứu tập trung vào các cơn bão điển hình như Côn Sơn (2010), Xangsane (2006) và Durian (2006), với phạm vi tính toán bao phủ toàn bộ khu vực ven biển từ Quảng Ninh đến Cà Mau. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các chỉ số định lượng về mực nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện, hỗ trợ thiết kế đê biển và quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội bền vững vùng ven biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thủy động lực học để mô phỏng hiện tượng nước dâng do bão. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Lý thuyết thủy động lực hai chiều tuyến tính: Phát triển bởi Harris và Jelesnianski (1964), mô tả sự biến đổi mực nước biển dưới tác động của áp suất khí quyển và gió bão, bỏ qua ma sát đáy trong một số trường hợp.
  • Mô hình gió Young – Sobey: Mô hình này mô phỏng trường gió xoáy quanh tâm bão, xác định vận tốc gió tại các khoảng cách khác nhau từ tâm bão, là cơ sở để tính toán ứng suất gió tác động lên mặt nước.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Nước dâng do bão (storm surge): Sự dâng cao mực nước biển vượt mức thủy triều bình thường do tác động của bão.
  • Đường bao nước dâng cực đại: Đường biểu diễn mực nước dâng lớn nhất tại các điểm ven bờ trong suốt hành trình bão.
  • Xác suất xuất hiện nước dâng cực đại: Tỷ lệ phần trăm khả năng xuất hiện mực nước dâng tại các khu vực chịu ảnh hưởng bão, dựa trên sai số dự báo vị trí tâm bão.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa hình đáy biển từ bộ dữ liệu GEBCO với độ phân giải 1/32 độ, số liệu bão tái phân tích từ Viện Tin học Quốc gia Nhật Bản, và số liệu mực nước thực đo tại các trạm hải văn ven biển Việt Nam. Cỡ mẫu nghiên cứu tập trung vào ba cơn bão điển hình: Côn Sơn (2010), Xangsane (2006) và Durian (2006), mỗi cơn được mô phỏng với 13 phương án quỹ đạo bão giả định, trong đó 12 quỹ đạo giả định cách nhau 9,6 km nằm trong vùng sai số dự báo vị trí tâm bão 24 giờ.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình thủy lực số trị MIKE 21, giải hệ phương trình thủy động lực hai chiều với các điều kiện biên và điều kiện ban đầu phù hợp. Mô hình được hiệu chỉnh và kiểm định bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực đo tại các trạm Hòn Dáu, Hòn Ngư, Sơn Trà, Quy Nhơn và Vũng Tàu, đạt chỉ số tương quan NASH từ 0,91 đến 0,98, cho thấy độ chính xác cao.

Phương pháp nội suy Kriging được áp dụng để tính toán mực nước dâng trong không gian, giúp xây dựng bản đồ đường bao nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện mực nước dâng tại các điểm đặc trưng. Timeline nghiên cứu bao gồm thu thập số liệu, thiết lập mô hình, hiệu chỉnh, kiểm định và phân tích kết quả trong giai đoạn từ năm 2016 đến 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đường bao nước dâng cực đại tại Biển Đông: Kết quả mô phỏng cho thấy đường bao nước dâng cực đại trải dài từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh đối với bão Côn Sơn, từ Quảng Trị đến Quảng Nam đối với bão Xangsane, và từ Bình Thuận đến Cà Mau đối với bão Durian. Mực nước dâng cực đại tại các điểm ven bờ có thể lên đến 2,5 m với xác suất xuất hiện cao, ví dụ tại điểm P1 của bão Côn Sơn xác suất mực nước dâng từ 2-2,5 m là 69,77%.

  2. Xác suất xuất hiện mực nước dâng: Tại các điểm đặc trưng, xác suất xuất hiện mực nước dâng lớn hơn 1 m dao động từ 61% đến 100% tùy theo vị trí và cơn bão. Ví dụ, bão Xangsane có xác suất 100% xuất hiện mực nước dâng từ 0,5-1 m tại điểm P1 và các điểm khác.

  3. Độ chính xác mô hình: So sánh mực nước tính toán và thực đo tại các trạm hải văn cho thấy sai số tuyệt đối lớn nhất khoảng 0,25-0,39 m, hệ số tương quan đạt trên 0,9, chứng tỏ mô hình MIKE 21 có khả năng mô phỏng chính xác hiện tượng nước dâng do bão.

  4. Ảnh hưởng của sai số dự báo vị trí bão: Sai số dự báo vị trí tâm bão trong 24 giờ là khoảng 115,2 km, được mô phỏng bằng 12 quỹ đạo bão giả định, giúp đánh giá xác suất xuất hiện nước dâng cực đại trong vùng bất định này, tăng tính thực tiễn và độ tin cậy của dự báo.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ sự kết hợp giữa các yếu tố địa hình đáy biển, đặc điểm khí tượng bão và thủy triều. Địa hình nông và độ dốc nhẹ của thềm lục địa Biển Đông tạo điều kiện thuận lợi cho sự tích tụ nước dâng khi bão đổ bộ. Mô hình gió Young – Sobey mô phỏng chính xác trường gió xoáy, giúp mô hình thủy lực MIKE 21 tái hiện được ứng suất gió và áp suất khí quyển tác động lên mặt nước.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô hình MIKE 21 có độ chính xác tương đương với mô hình SLOSH của NOAA, với sai số khoảng 20%. Việc áp dụng phương pháp nội suy Kriging giúp tăng độ chi tiết không gian của bản đồ nước dâng, hỗ trợ công tác quy hoạch và phòng chống thiên tai hiệu quả hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh mực nước tính toán và thực đo tại các trạm, bản đồ đường bao nước dâng cực đại và bản đồ xác suất xuất hiện mực nước dâng, giúp trực quan hóa mức độ rủi ro và khu vực nguy hiểm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống cảnh báo sớm nước dâng do bão: Áp dụng mô hình số trị MIKE 21 kết hợp với dữ liệu dự báo bão để phát triển hệ thống cảnh báo sớm, giảm thiểu thiệt hại về người và tài sản. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm, chủ thể là Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia.

  2. Nâng cấp và chi tiết hóa lưới tính toán địa hình đáy biển: Thu thập và cập nhật số liệu địa hình đáy biển với độ phân giải cao hơn nhằm nâng cao độ chính xác mô hình. Thời gian thực hiện 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu hải dương học và cơ quan quản lý biển.

  3. Phát triển bản đồ rủi ro ngập lụt ven biển dựa trên đường bao nước dâng cực đại: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng bản đồ rủi ro phục vụ quy hoạch đô thị và thiết kế công trình phòng chống thiên tai. Thời gian thực hiện 1 năm, chủ thể là Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các địa phương.

  4. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ dự báo và quản lý thiên tai: Tổ chức các khóa đào tạo về mô hình thủy lực và phân tích dữ liệu nước dâng do bão. Thời gian liên tục, chủ thể là các trường đại học và cơ quan dự báo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ dự báo khí tượng thủy văn: Nghiên cứu cung cấp phương pháp và mô hình tính toán nước dâng do bão, giúp nâng cao chất lượng dự báo và cảnh báo thiên tai.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển: Bản đồ đường bao nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện nước dâng hỗ trợ trong việc lập kế hoạch phát triển bền vững và phòng chống thiên tai.

  3. Chuyên gia thiết kế công trình thủy lợi, đê biển: Kết quả nghiên cứu cung cấp dữ liệu thiết kế mực nước dâng cực đại với các chu kỳ lặp lại khác nhau, đảm bảo an toàn công trình.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành hải dương học, khí tượng thủy văn: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp mô hình thủy lực, phân tích xác suất và ứng dụng thực tiễn trong nghiên cứu nước dâng do bão.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nước dâng do bão là gì và tại sao nó nguy hiểm?
    Nước dâng do bão là sự tăng cao mực nước biển vượt mức thủy triều bình thường do tác động của áp suất khí quyển thấp và gió mạnh trong bão. Nó nguy hiểm vì có thể gây ngập lụt diện rộng, phá hủy đê điều và công trình ven biển, đặc biệt khi xảy ra vào thời kỳ triều cường.

  2. Phương pháp mô hình số trị MIKE 21 có ưu điểm gì?
    MIKE 21 mô phỏng thủy động lực hai chiều với độ chính xác cao, cho phép mô phỏng chi tiết tác động của bão lên mực nước dâng, đồng thời giảm chi phí và thời gian so với phương pháp đo đạc thực nghiệm.

  3. Sai số dự báo vị trí tâm bão ảnh hưởng thế nào đến tính toán nước dâng?
    Sai số vị trí tâm bão trong 24 giờ khoảng 115 km tạo ra vùng bất định lớn, do đó cần mô phỏng nhiều quỹ đạo bão giả định để đánh giá xác suất xuất hiện nước dâng cực đại, giúp dự báo chính xác hơn.

  4. Tại sao cần kết hợp thủy triều và nước dâng do bão trong tính toán?
    Thủy triều làm thay đổi mực nước nền, khi nước dâng do bão xảy ra vào thời điểm triều cường sẽ làm tăng mực nước tổng cộng, gây ngập lụt nghiêm trọng hơn so với tính toán riêng lẻ từng thành phần.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công tác phòng chống thiên tai?
    Kết quả cung cấp bản đồ đường bao nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện, giúp các cơ quan dự báo phát triển hệ thống cảnh báo sớm, đồng thời hỗ trợ nhà quản lý và kỹ sư thiết kế các công trình phòng chống thiên tai phù hợp với mức rủi ro thực tế.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình số trị MIKE 21 mô phỏng nước dâng do bão tại khu vực Biển Đông Việt Nam với độ chính xác cao, sai số tuyệt đối dưới 0,4 m và hệ số tương quan trên 0,9.
  • Đường bao nước dâng cực đại và bản đồ xác suất xuất hiện nước dâng được xác định cho các cơn bão điển hình Côn Sơn, Xangsane và Durian, cung cấp dữ liệu quan trọng cho công tác dự báo và phòng chống thiên tai.
  • Sai số dự báo vị trí tâm bão trong 24 giờ được mô phỏng bằng tập hợp quỹ đạo bão giả định, giúp đánh giá rủi ro nước dâng trong vùng bất định dự báo.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong quy hoạch ven biển, thiết kế đê biển và phát triển hệ thống cảnh báo sớm thiên tai.
  • Đề xuất các giải pháp nâng cao năng lực dự báo, cập nhật số liệu địa hình và phát triển bản đồ rủi ro ngập lụt nhằm giảm thiểu thiệt hại do nước dâng bão trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan liên quan áp dụng mô hình và kết quả nghiên cứu vào hệ thống dự báo quốc gia, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các khu vực ven biển khác nhằm tăng cường khả năng phòng chống thiên tai hiệu quả.