Mở đầu Phần này trình bày khái quát tính cấp thiết, lý do chọn đề tài luận án và mục tiêu, nhiệm vụ nghiên cứu; đồng thời nêu tóm tắt đối tượng, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án. Tổng quan vấn đề nghiên cứu Các nội dung chính trong chương này là tổng quan các kết quả nghiên cứu chính trong nước và trên thế giới về các hợp phần của mực nước cực trị trong bão, bao gồm: nước dâng do bão và nước dâng do sóng trong dải ven bờ. Phương pháp nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng Chương này giới thiệu phương pháp và quy trình tính toán nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng (mực nước cực trị trong bão) cho các điểm ven bờ và cơ sở lý thuyết của các mô hình và phương pháp chính để tính, bao gồm các mô hình tính toán trường khí tượng, mô hình tính toán nước dâng do bão, mô hình tính toán sóng trong bão và công thức tính nước dâng do sóng. Kết quả đánh giá mực nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng cho khu vực Hải Phòng Phần đầu của chương khái quát về khu vực nghiên cứu với những đánh giá về điều kiện địa hình, hình thái, điều kiện tự nhiên có ảnh hưởng đến mực nước nói chung và nước dâng trong bão khu vực Hải Phòng.
Phần sau của chương đưa ra các kết quả tính toán, phân tích và nhận định về nước dâng do bão tại khu vực Hải Phòng từ số liệu lịch sử, những nghiên cứu về nước dâng do bão kết hợp với thủy triều, nước dâng do sóng. Chương này cũng trình bày những đánh giá, nhận định về ảnh hưởng của 10 nước biển dâng do biến đổi khí hậu đến chế độ thủy triều, mực nước cực trị trong bão và nguy cơ ngập gây ra bởi nước dâng trong bão cho khu vực Thành phố Hải Phòng. Kết luận và kiến nghị: Trình bày tóm tắt các kết quả nghiên cứu của luận án đã đạt được và kiến nghị các vấn đề cần nghiên cứu tiếp theo. Tài liệu tham khảo Phụ lục 11 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới Trong thực tế nghiên cứu tính toán biến động mực nước cực trị vùng ven biển, các nhà khoa học và kỹ thuật biển đã chú trọng đến biến động của mực nước tĩnh do tác động của triều thiên văn và triều khí tượng (gió và áp). Vì vậy, rất nhiều công trình liên quan đến việc xây dựng, phát triển công thức, mô hình mô phỏng thủy triều, nước dâng do bão và đưa thành các quy trình để ứng dụng và tính toán, dự báo biến động của mực nước cực trị. Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường dưới tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khí tượng khi có bão. Mặc dù tần suất xuất hiện không nhiều nhưng nó lại rất nguy hiểm do mực nước thường dâng cao và bất ngờ, gây ngập lụt cho khu vực ven biển.
Harris (1963) [32] đã tổng kết rằng có năm yếu tố khác nhau có thể gây nên sự thay đổi mực nước ở các khu vực ven biển trong một cơn bão là: (a) ảnh hưởng của áp suất, (b) ảnh hưởng trực tiếp của gió, (c) ảnh hưởng của chuyển động quay của trái đất, (d) ảnh hưởng của sóng, và (e) ảnh hưởng của mưa. Pore (1965) [58] đã bổ sung hai thành phần là: (a) ảnh hưởng của thủy triều và (b) ảnh hưởng của hình dạng đường bờ và độ sâu biển. Do là một hiện tượng tự nhiên nguy hiểm, gây nhiều thiệt hại về người và của cải, làm cản trở các hoạt động của con người và ảnh hưởng tới môi trường nên nước dâng do bão đã được cộng đồng khoa học rất quan tâm nghiên cứu. Có nhiều phương pháp chính trong nghiên cứu, tính toán và dự báo nước dâng do bão như phương pháp phân tích, thống kê từ số liệu thực đo, thực nghiệm, phương pháp mô hình số trị, hoặc kết hợp cả hai phương pháp trên.
12 Trong phương pháp phân tích, thống kê, đã có nhiều nghiên cứu, thực hiện tính toán, dự báo nước dâng do bão cho các khu vực khác nhau trên thế giới, ví dụ nghiên cứu của Wemeisfelder (1961) sử dụng số liệu mực nước nhiều năm tại cảng Hook của Hà Lan để đưa ra biểu đồ tính toán và dự báo nước dâng do bão phục vụ thiết kế công trình [69] hay công trình của Yang và nnk (1970) [72] sử dụng phương pháp thống kê để đánh giá các giá trị cực trị nước dâng do bão tại các khu vực ven biển nước Hoa Kỳ như Atlantic, New Jersey, Delaware cũng từ các số liệu thực đo tại các trạm quan trắc. Nhìn chung, phương pháp phân tích, thống kê thường đơn giản, dễ sử dụng nhưng cũng tồn tại một số hạn chế nhất định. Thứ nhất, để có được các hàm thực nghiệm, biểu đồ có độ tin cậy cao theo phương pháp thống kê, chuỗi số liệu mực nước thực đo phải đủ dài (khoảng 100 năm nếu sử dụng cho mục đích tính toán mực nước phục vụ thiết kế công trình) và đó là một vấn đề khó cho nhiều trạm mực nước thực đo trên thế giới hiện nay. Thứ hai là các giá trị dự báo nước dâng do bão thường chỉ đúng cho các khu vực gần trạm quan trắc còn tại các vị trí xa hơn, độ chính xác giảm.
Trong việc sử dụng các mô hình số trị, một trong những nghiên cứu đầu tiên được áp dụng cho vùng biển Bắc (North Sea) bởi Hansen năm 1956 khi ông sử dụng mô hình số trị thủy động lực để mô phỏng hiện tượng nước dâng. Sau đó, một mô hình khác mô phỏng nước dâng do bão được áp dụng cho vùng Great Lakes bởi Platzman (1958). Các kết quả tính toán được so sánh với số liệu thực đo và cho phép đánh giá khả năng ứng dụng của mô hình số trị trong tính toán và dự báo nước dâng do bão. Những năm sau, cùng với sự phát triển của máy tính, các nghiên cứu về nước dâng do bão sử dụng mô hình số trị được quan tâm nhiều hơn.
Năm 1965, Jelesnianski sử dụng phương pháp mô hình số trị đơn giản với việc bỏ qua thành phần ma sát và thành phần phi tuyến để mô phỏng nước dâng do 13 bão. Kết quả tính toán cho thấy, địa điểm nước dâng do bão đạt giá trị cao nhất tại khu vực bên phải hướng di chuyển của bão và thời gian nước dâng do bão đạt giá trị cao nhất gần như đồng thời với thời gian bão đổ bộ [43]. Năm 1972, Jelesnianski đã phát triển mô hình SPLASH (Spesical Program to List Amplitude of Surge from Huricanes) để tính toán nước dâng do bão [44]. Sau đó, mô hình SLOSH (Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes) được phát triển để mô phỏng nước dâng do bão cho các khu vực ven biển, biển và hồ và mô hình này đã được NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) sử dụng rộng rãi để mô phỏng ngập lụt vùng ven biển gây ra bởi nước dâng do bão ở Hoa Kỳ (Jelesnianski et al, 1984, 1992).
Mặc dù được áp dụng tương đối phổ biến nhưng mô hình này vẫn có nhiều hạn chế, cần được cải thiện. Trước tiên, do sử dụng lưới có cấu trúc cố định nên mô hình có hạn chế trong việc mô phỏng cho các khu vực có địa hình, đường bờ phức tạp và do đó, mô hình bị hạn chế trong mô phỏng ngập lụt. Thứ hai, do các thành phần bình lưu trong phương trình động lượng đã bị bỏ qua trong mô hình nên có ảnh hưởng đến tính chính xác của mô phỏng. Trong những thập kỷ gần đây, nhiều mô hình sử dụng các sơ đồ sai phân khác nhau đã được phát triển để mô phỏng nước dâng do bão tại nhiều nơi trên thế giới (Lynch, 1983; Blumberg và Mellor, 1987; Flather và nnk, 1991; Luettich và nnk, 1992; Westerink và nnk, 1992;.
Hubbert và McInnes, 1999). Năm 1995, DeVries và nnk đã đưa ra công trình nghiên cứu và so sánh khả năng của một số mô hình được ứng dụng trên thế giới. Một trong những nghiên cứu đầu tiên được biết tới khi kết hợp giữa phương pháp mô hình số trị và thống kê là công trình của Bretschneider (1959). Trong công trình của mình, Bretschneider đã sử dụng số liệu thống kê thu thập được của tất cả các cơn bão đổ bộ vào khu vực ven biển Atlantic, Hoa Kỳ để đánh giá và tính toán các khả năng xuất hiện của hướng và vị trí 14 bão đổ bộ của các vị trí cần nghiên cứu tại cảng Dalaware và Chesapeake.
Với mỗi hướng và vị trí đổ bộ của một cơn bão, một mô hình số trị đơn giản được sử dụng để mô phỏng và tính toán nước dâng lớn nhất trong bão. Sau này, một số nghiên cứu tiếp theo phát triển theo hướng tính toán các giá trị nước dâng do bão với các chu kỳ lặp lại khác nhau (100 năm, 500 năm) [54]. Năm 1967, Jelesnianski cũng dựa trên phương pháp này để tính nước dâng do bão bằng cách sử dụng mô hình tính trường gió trong bão để đưa vào mô hình số trị. Tương tự là các nghiên cứu cho khu vực bờ biển South Carolina của Myers năm 1975; khu vực bờ biển Atlantic của Ho năm 1976.
Ngoài ra, từ sau Hansen (1956), các hướng nghiên cứu khác nhau về nước dâng do bão, bao gồm cả phương pháp thống kê, mô hình số trị đã được thực hiện, có thể kể đến như Bretschneider, 1959; Harris, 1963; Pore, 1965; Valle-Levinson và nnk, 2002; Wang và nnk, 2005; Li và nnk, 2006; Shen và nnk, 2008. Trong thời gian đầu, khi sử dụng mô hình số trị để mô phỏng nước dâng do bão, các nghiên cứu thường chỉ mô phỏng, tính toán các hiện tượng riêng lẻ như thủy triều, sóng, nước dâng do bão,. Sau đó, đã có một số công trình nghiên cứu tương tác giữa thủy triều với nước dâng và sóng trong bão đã được thực hiện. Năm 1978, trong một nghiên cứu về tương tác giữa thủy triều và nước dâng do bão trong khu vực biển Bắc Đại Tây Dương bằng mô hình số trị, Prandle và Wolf cho rằng, nước dâng có xu hướng đạt giá trị cao nhất trong thời kỳ triều dâng nhưng về pha thủy triều và nước dâng do bão lại không có quan hệ rõ rệt [59].
Theo một cách tiếp cận khác, Hosburgh và Wilson (2007) sử dụng phương pháp thống kê để phân tích số liệu từ các trạm đo mực nước trong một năm và đưa ra nhận định rằng, độ lớn của mực nước thủy triều có quan hệ chặt chẽ với nước dâng do bão [41].