Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Có Tính Đến Ảnh Hưởng Của Sóng Tại Vùng Ven Biển Hải Phòng

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho khu vực ven biển hải phòng, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức

• Tác giả: Nguyễn Xuân Hiển
• Người hướng dẫn: GS. Trần Thục
• Trường học: Viện Khoa Học Khí Tượng Thủy Văn Và Môi Trường
• Chuyên ngành: Hải Dương Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Có Tính Đến Ảnh Hưởng Của Sóng Và Áp Dụng Cho Vùng Ven Biển Hải Phòng
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ Địa Lý
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG DO BÃO CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ NƯỚC DÂNG DO BÃO CÓ TÍNH ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA SÓNG CHO KHU VỰC VEN BIỂN HẢI PHÒNG
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Tại Hải Phòng

Nghiên cứu nước dâng do bão Hải Phòng là vấn đề cấp thiết do tác động của biến đổi khí hậu và gia tăng tần suất, cường độ bão. Mực nước biển dâng cao làm tăng nguy cơ ngập lụt, đe dọa vùng ven biển Hải Phòng, gây thiệt hại lớn về kinh tế và đời sống. Bài toán đặt ra là cần hiểu rõ cơ chế hình thành nước dâng do bão, đặc biệt là ảnh hưởng của sóng đến nước dâng, để dự báo chính xác và đưa ra giải pháp ứng phó hiệu quả. Nhiều nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh vai trò quan trọng của yếu tố sóng trong mực nước cực trị tại các điểm ven bờ. Việc bỏ qua yếu tố này có thể dẫn đến đánh giá sai lệch về nguy cơ ngập lụt. Nghiên cứu này tập trung vào phân tích và mô hình hóa nước dâng do bão kết hợp với ảnh hưởng của sóng tại khu vực Hải Phòng, một vùng kinh tế trọng điểm và dễ bị tổn thương bởi thiên tai.

1.1. Tầm quan trọng của Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Sóng

Việc nghiên cứu ảnh hưởng của sóng đến nước dâng là rất quan trọng do sự chuyển đổi động năng sóng thành thế năng cột nước khi sóng truyền vào bờ. Theo nghiên cứu của Chen et al (2008) trong cơn bão Katrina yếu tố sóng chiếm tới 80% mực nước cực trị. Hiệu ứng này làm tăng mực nước trung bình tại các điểm ven bờ, góp phần vào mực nước cực trị trong bão. Bỏ qua ảnh hưởng của sóng sẽ dẫn đến đánh giá thấp nguy cơ ngập lụt ven biển. Do đó, mô hình hóa và dự báo chính xác yếu tố sóng là cần thiết để có các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

1.2. Đặc điểm Vùng Ven Biển Hải Phòng và Nguy Cơ Ngập Lụt

Vùng ven biển Hải Phòng có địa hình thấp, hệ thống đê điều chưa hoàn thiện, và chịu ảnh hưởng trực tiếp của nhiều cơn bão. Theo các nghiên cứu về biến đổi khí hậu, khu vực này sẽ phải đối mặt với tình trạng mực nước biển dâng cao và gia tăng tần suất bão tại Hải Phòng. Tình trạng ngập lụt do nước dâng do bão sẽ trở nên nghiêm trọng hơn, ảnh hưởng đến sản xuất nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, và đời sống của người dân. Cần có các giải pháp đồng bộ để giảm thiểu rủi ro và đảm bảo sự phát triển bền vững của khu vực.

II. Thách Thức Dự Báo Nước Dâng Do Bão Có Sóng ở Hải Phòng

Dự báo nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng là một thách thức lớn. Cần phải kết hợp các mô hình khí tượng, thủy văn và động lực biển để mô phỏng chính xác quá trình tương tác phức tạp giữa gió, sóng và dòng chảy. Mô hình nước dâng do bão phải có khả năng mô phỏng chính xác ảnh hưởng của sóng lên mực nước ven bờ. Các yếu tố địa hình, địa mạo phức tạp của vùng ven biển Hải Phòng cũng gây khó khăn cho việc mô hình hóa. Hơn nữa, dữ liệu quan trắc về sóng, mực nước, gió, áp suất còn hạn chế, ảnh hưởng đến độ chính xác của mô hình và khả năng dự báo nước dâng.

2.1. Phức tạp của Mô hình Tương tác Giữa Gió Sóng Thủy Triều

Sự tương tác giữa gió, sóng và thủy triều tạo nên một hệ thống phức tạp. Mô hình hóa sự tương tác này đòi hỏi phải sử dụng các phương trình thủy động lực học và các phương pháp số hiện đại. Ảnh hưởng của thủy triều Hải Phòng và địa hình đáy biển lên sự lan truyền của sóng cũng cần được tính đến. Các mô hình phải được kiểm định và hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực tế để đảm bảo độ tin cậy.

2.2. Hạn Chế Dữ Liệu Quan Trắc Sóng và Mực Nước

Việc xây dựng và kiểm định mô hình cần có dữ liệu quan trắc đầy đủ và chính xác. Tuy nhiên, dữ liệu về độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng, mực nước và các yếu tố khí tượng còn hạn chế, đặc biệt là trong các điều kiện bão. Việc thiếu dữ liệu lịch sử cũng gây khó khăn cho việc đánh giá mức độ rủi ro do nước dâng và xây dựng các kịch bản nước dâng khác nhau. Cần tăng cường đầu tư vào hệ thống quan trắc và chia sẻ dữ liệu để nâng cao chất lượng dự báo.

III. Cách Mô Hình Hóa Ảnh Hưởng Sóng Trong Nghiên Cứu Hải Phòng

Nghiên cứu nước dâng do bão tại Hải Phòng cần sử dụng các mô hình hiện đại, có khả năng mô phỏng chính xác ảnh hưởng của sóng. Mô hình cần kết hợp các thành phần: mô hình khí tượng (MM5), mô hình thủy động lực (ADCIRC) và mô hình sóng (SWAN/WAM). Mô hình khí tượng cung cấp thông tin về gió, áp suất, là đầu vào cho mô hình thủy động lực, tính toán nước dâng do bão và mô hình sóng. Mô hình sóng tính toán trường sóng, bao gồm độ cao sóng, chu kỳ sóng, hướng sóng, từ đó xác định nước dâng do sóng. Kết quả từ các mô hình này được tích hợp để đánh giá mực nước cực trị trong bão.

3.1. Sử dụng mô hình SWAN WAM để Tính Toán Trường Sóng

Mô hình SWAN (Simulating Waves Nearshore) và WAM (Wave Modelling) là những công cụ mạnh mẽ để mô phỏng sự lan truyền và biến đổi của sóng. SWAN phù hợp cho khu vực ven biển, nơi ảnh hưởng của đáy biển và các công trình ven biển trở nên quan trọng. Mô hình cần được cấu hình với độ phân giải cao để nắm bắt chính xác các chi tiết địa hình và địa mạo. Các thông số như độ dốc đáy, loại vật liệu đáy và sự hiện diện của các công trình ven biển cần được đưa vào mô hình để có kết quả chính xác.

3.2. Kết hợp mô hình ADCIRC để Tính Toán Nước Dâng Do Bão

ADCIRC (ADvanced CIRCulation) là mô hình thủy động lực tiên tiến, có khả năng mô phỏng chính xác nước dâng do bão và thủy triều. Mô hình này giải các phương trình Saint-Venant để tính toán dòng chảy và mực nước. ADCIRC cần được kết hợp với mô hình sóng để tính toán nước dâng do sóng. Mô hình cũng cần được hiệu chỉnh với dữ liệu quan trắc mực nước để đảm bảo độ tin cậy. Các thông số như độ nhám đáy, hệ số Coriolis và ảnh hưởng của các công trình ven biển cần được điều chỉnh để có kết quả tốt nhất.

IV. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Nước Dâng Cho Hải Phòng

Kết quả nghiên cứu nước dâng do bão tại Hải Phòng có ý nghĩa thực tiễn lớn. Giúp xây dựng bản đồ ngập lụt chi tiết, phục vụ công tác phòng chống thiên tai. Dự báo nước dâng chính xác, cảnh báo sớm cho cộng đồng, giảm thiểu thiệt hại. Đánh giá hiệu quả của các biện pháp công trình (đê điều) và phi công trình (di dời dân cư). Cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng chính sách ứng phó biến đổi khí hậu và quy hoạch phát triển bền vững vùng ven biển Hải Phòng.

4.1. Xây dựng Bản Đồ Nguy Cơ Ngập Lụt Chi Tiết

Dựa trên kết quả mô phỏng nước dâng do bão và nước dâng do sóng, có thể xây dựng bản đồ ngập lụt cho các khu vực ven biển Hải Phòng. Bản đồ này cần thể hiện rõ các khu vực có nguy cơ ngập cao, trung bình và thấp. Thông tin về độ sâu ngập, thời gian ngập và tần suất ngập cũng cần được cung cấp. Bản đồ ngập lụt là công cụ quan trọng để lập kế hoạch sơ tán dân cư và phân bổ nguồn lực cứu trợ.

4.2. Đề xuất Giải Pháp Ứng Phó với Nước Dâng và Biến Đổi Khí Hậu

Nghiên cứu này có thể đề xuất các giải pháp ứng phó hiệu quả với nước dâng do bão và biến đổi khí hậu. Các giải pháp có thể bao gồm: nâng cấp hệ thống đê điều, xây dựng các công trình chắn sóng, trồng rừng ngập mặn, và di dời dân cư khỏi các khu vực có nguy cơ cao. Cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cấp chính quyền, các nhà khoa học và cộng đồng địa phương để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp.

V. Phân Tích Ảnh Hưởng Biến Đổi Khí Hậu Lên Nước Dâng Hải Phòng

Phân tích ảnh hưởng của biến đổi khí hậu lên nước dâng do bão tại Hải Phòng là cần thiết để xây dựng kế hoạch ứng phó dài hạn. Mực nước biển dâng sẽ làm tăng tần suất và mức độ ngập lụt do nước dâng do bão. Sự thay đổi về cường độ và hướng của bão cũng có thể làm thay đổi nguy cơ xói lở bờ biển. Nghiên cứu cần sử dụng các kịch bản biến đổi khí hậu khác nhau để đánh giá rủi ro và đề xuất các biện pháp thích ứng phù hợp.

5.1. Sử dụng Kịch Bản Biến Đổi Khí Hậu để Đánh Giá Rủi Ro

Cần sử dụng các kịch bản biến đổi khí hậu do IPCC (Ban Liên Chính phủ về Biến đổi Khí hậu) xây dựng để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nước dâng do bão và mực nước biển. Các kịch bản này cung cấp thông tin về sự thay đổi nhiệt độ, lượng mưa và mực nước biển. Việc sử dụng nhiều kịch bản khác nhau giúp đánh giá phạm vi rủi ro và đưa ra các quyết định ứng phó linh hoạt.

5.2. Đề xuất Các Biện Pháp Thích Ứng với Biến Đổi Khí Hậu

Nghiên cứu này có thể đề xuất các biện pháp thích ứng với biến đổi khí hậu, như xây dựng các công trình bảo vệ bờ biển, di dời dân cư khỏi các khu vực có nguy cơ cao, và phát triển các loại cây trồng chịu mặn. Cần có sự tham gia của cộng đồng địa phương trong việc lựa chọn và thực hiện các biện pháp thích ứng. Các biện pháp này cần được lồng ghép vào kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội của vùng ven biển Hải Phòng.

VI. Kết Luận và Hướng Nghiên Cứu Nước Dâng Do Bão Tương Lai

Nghiên cứu nước dâng do bão tại Hải Phòng có tính đến ảnh hưởng của sóng là cần thiết để giảm thiểu rủi ro thiên tai. Các mô hình hiện đại và dữ liệu quan trắc đầy đủ sẽ giúp nâng cao độ chính xác của dự báo và cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng kế hoạch ứng phó. Hướng nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc cải thiện mô hình, tăng cường hệ thống quan trắc và phân tích ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến nước dâng do bão.

6.1. Cải thiện Mô Hình và Tăng Cường Hệ Thống Quan Trắc

Việc cải thiện mô hình và tăng cường hệ thống quan trắc là cần thiết để nâng cao độ chính xác của dự báo nước dâng do bão. Cần phát triển các mô hình tiên tiến, có khả năng mô phỏng chính xác các quá trình vật lý phức tạp. Hệ thống quan trắc cần được mở rộng và nâng cấp, bao gồm các trạm đo sóng, mực nước, gió và áp suất. Dữ liệu quan trắc cần được chia sẻ rộng rãi để phục vụ công tác nghiên cứu và dự báo.

6.2. Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Thay Đổi Sử Dụng Đất Đến Nước Dâng

Nghiên cứu cần xem xét ảnh hưởng của thay đổi sử dụng đất đến nước dâng do bão. Việc phá rừng ngập mặn, xây dựng các công trình ven biển và thay đổi địa hình có thể làm tăng nguy cơ ngập lụt. Cần có các quy hoạch sử dụng đất hợp lý để giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường và cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan về luận án

Nghiên cứu về cơ chế động lực học và quy trình dự báo mực nước cực trị vùng ven bờ biển là một trong những bài toán trọng tâm, phức tạp nhất của hải dương học và công trình thủy công ven bờ. Bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng của các hiện tượng thời tiết cực đoan đã đặt ra những thách thức chưa từng có đối với dải ven biển Việt Nam – khu vực có mật độ dân cư cao và thềm lục địa nông, nhạy cảm với các đợt thiên tai quy mô lớn.

Luận án tiến sĩ địa lý chuyên ngành Hải dương học (Mã số: 62440227) của tác giả Nguyễn Xuân Hiển với đề tài: "Nghiên cứu nước dâng do bão có tính đến ảnh hưởng của sóng và áp dụng cho khu vực ven biển Hải Phòng" được thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Trần Thục và GS. Đinh Văn Ưu (Hà Nội, 2013). Công trình thể hiện bước tiến tiên phong trong việc chuẩn hóa phương pháp tính toán mực nước cực trị thông qua tích hợp đồng thời ba thành phần động lực then chốt: thủy triều thiên văn, nước dâng do gió - khí áp trong bão, và nước dâng do sóng tại đới sóng vỡ.

Khoảng trống học thuật (Research Gap) tồn tại dai dẳng trong các công trình nghiên cứu thủy văn biển tại Việt Nam suốt nhiều thập kỷ là khuynh hướng chỉ nhìn nhận mực nước cực trị trên quy mô vĩ mô thông qua tương tác giữa triều và nước dâng do bão đơn thuần ($TWP$). Các quy chuẩn thiết kế công trình và bản đồ rủi ro ngập lụt ven bờ thường bỏ qua hiệu ứng nước nông địa phương, đặc biệt là hiện tượng nước dâng do sóng (wave setup) – quá trình chuyển đổi động lượng sóng thành thế năng cột nước trong đới sóng vỡ. Như luận án đã nhấn mạnh: "Đối với khu vực nước nông ven bờ, các hiệu ứng sóng nước nông tác động trực tiếp đến sự thay đổi mực nước trung bình ven bờ như nước dâng do sóng vẫn chưa được đưa vào trong quy trình tính toán mực nước tổng cộng khi đánh giá nguy cơ úng ngập vùng ven biển".

Luận án đặt ra hệ thống các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết học thuật cốt lõi:

• Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Mức độ đóng góp định lượng của thành phần nước dâng do sóng vào mực nước cực trị tại đường bờ ven biển Hải Phòng trong điều kiện bão mạnh là bao nhiêu?
• Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Quy luật tương tác phi tuyến giữa thủy triều, nước dâng do bão và nước dâng do sóng diễn ra như thế nào tại các dạng địa hình đáy nông và cửa sông chia cắt phức tạp?
• Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu làm biến đổi cấu trúc pha và biên độ của các sóng triều chính ($K_1, M_2$), từ đó tác động ra sao đến tần suất xuất hiện mực nước cực trị và an toàn hệ thống đê biển Hải Phòng?

Hệ thống giả thuyết được kiểm định bao gồm:

• Giả thuyết 1 ($H_1$): Nước dâng do sóng đóng góp một tỷ trọng đáng kể (dao động từ 10% đến hơn 20%) trong tổng mực nước cực trị tại mép bờ ven biển Hải Phòng; nếu bỏ qua thành phần này, độ cao ngập thiết kế và quy hoạch đê điều sẽ bị đánh giá thấp nghiêm trọng.
• Giả thuyết 2 ($H_2$): Tương tác phi tuyến giữa thủy triều và nước dâng do bão làm dịch chuyển đỉnh dâng cực đại, trong đó đỉnh nước dâng có xu hướng xuất hiện trong pha triều dâng thay vì trùng khớp tuyệt đối với đỉnh triều cường.
• Giả thuyết 3 ($H_3$): Hiện tượng nước biển dâng theo kịch bản biến đổi khí hậu làm biến dạng trường sóng triều vịnh Bắc Bộ, gia tăng phi tuyến mực nước cực trị tại các chu kỳ lặp lại 50 năm, 100 năm.

Khung lý thuyết của luận án được định hình từ lý thuyết ứng suất bức xạ sóng (Radiation Stress Theory) của Longuet-Higgins & Stewart (1960, 1964), lý thuyết phương trình liên tục - sóng tổng quát (GWCE) trong thủy động lực học nước nông của Luettich & Westerink (1992), và mô hình gió xoáy thuận nhiệt đới Boose et al. (1994). Phạm vi nghiên cứu bao hàm chuỗi số liệu quan trắc khí tượng hải văn kéo dài 60 năm (1950–2010), khảo sát 63 cơn bão và áp thấp nhiệt đới tác động trực tiếp lên hệ thống đê điều thành phố Hải Phòng gồm 24 tuyến đê với tổng chiều dài 421 km (trong đó có 106 km đê biển và 315 km đê sông), nơi cao độ mặt đất tự nhiên chỉ đạt từ 1 đến 2 m.

Literature Review và Positioning

Lịch sử nghiên cứu nước dâng và động lực học ven bờ trên thế giới và Việt Nam trải qua ba giai đoạn phát triển chính với các tranh luận học thuật sâu sắc:

Luồng nghiên cứu	Tác giả tiêu biểu	Phương pháp luận chính	Đóng góp & Hạn chế
Thống kê kinh nghiệm & Bán thực nghiệm	Wemeisfelder (1961), Harris (1963), Pore (1965), Vũ Như Hoán (1988), Hoàng Trung Thành (2010)	Phân tích chuỗi số liệu thực đo tại các trạm hải văn, hàm tương quan thống kê, biểu đồ dự báo	Đơn giản, trực quan nhưng phụ thuộc vào chuỗi dữ liệu dài (~100 năm); sai số lớn tại các vị trí xa trạm quan trắc.
Mô hình số trị thủy động lực 2D (Triều & Bão)	Hansen (1956), Jelesnianski (1965, 1972 - SPLASH/SLOSH), Đỗ Ngọc Quỳnh & Phạm Văn Ninh (1999), Bùi Xuân Thông (2000)	Sai phân hữu hạn, phần tử hữu hạn giải hệ phương trình nước nông 2 chiều ($TWP$)	Mô phỏng trường nước dâng quy mô vịnh; bỏ qua ứng suất bức xạ sóng ven bờ và thành phần bình lưu phi tuyến.
Mô hình ghép nối đa thành phần (Sóng - Triều - Bão)	Longuet-Higgins & Stewart (1964), Funakoshi et al. (2008), Chen et al. (2008), Weaver (2008)	Tích hợp trường sóng thế hệ 3 ($WAM/SWAN$) với mô hình dòng chảy ($POM/ADCIRC$)	Xác định bản chất $TWPR$; chứng minh nước dâng do sóng chiếm tới 10–20% (thậm chí 80% trong bão Katrina ven bờ).

Trong các cuộc tranh luận học thuật quốc tế, vấn đề tương tác phi tuyến giữa thủy triều và nước dâng do bão từng ghi nhận nhiều quan điểm đối lập. Prandle & Wolf (1978) khi mô phỏng biển Bắc Đại Tây Dương cho rằng nước dâng đạt giá trị lớn nhất trong thời kỳ triều dâng nhưng không tìm thấy mối quan hệ pha rõ rệt. Ngược lại, Horsburgh & Wilson (2007) phân tích số liệu thực đo khẳng định độ lớn của mực nước triều có tương quan nội tại rất chặt chẽ với quá trình hình thành nước dâng, đòi hỏi phải giải đồng thời các phương trình sóng - dòng chảy trong một thể thống nhất thay vì cộng đại số tuyến tính.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế điển hình, sự nguy hiểm của việc bỏ qua động lực sóng ven bờ đã được chứng minh qua thảm họa bão Katrina (2005) tại Hoa Kỳ. Nghiên cứu của Chen et al. (2008) chỉ rõ: "Trong cơn bão Katrina năm 2005 tại Hoa Kỳ, yếu tố động lực ven bờ, trong đó có nước dâng do sóng chiếm tới 80% trong khi các tác động của thủy triều, độ cao sóng và nước dâng ngoài khơi chỉ đóng góp 20% vào mực nước cực trị trong bão tại các điểm ven bờ và đây là nguyên nhân chính gây ra ngập lụt cho khu vực bang Louisiana". Tại Úc, các công trình của Harper et al. (2001) cho vùng Queensland cũng chứng minh việc đưa nước dâng do sóng vào mực nước tính toán thiết kế là bắt buộc để ngăn chặn nguy cơ vỡ đê.

Tại Việt Nam, các công trình tiền nhiệm như Đỗ Ngọc Quỳnh & Phạm Văn Ninh (1999), Lê Trọng Đào (1998), Nguyễn Vũ Thắng (1999) đã giải quyết bài toán nước dâng quy mô vùng biển rộng nhưng chưa giải quyết được hiệu ứng sóng đổ vùng nước nông cục bộ. Luận án của Nguyễn Xuân Hiển đã định vị chính xác khoảng trống này, thiết lập quy trình tính toán hoàn chỉnh kết hợp mô hình khí quyển Boose et al. (1994), mô hình sóng đại dương WAM, mô hình sóng nông SWAN và mô hình thủy động lực ADCIRC để xác định mực nước cực trị $TWPR$ (Tide + Wind + Pressure + Radiation stress wave setup) cho vùng bờ biển Hải Phòng.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã kế thừa và mở rộng lý thuyết ứng suất bức xạ của Longuet-Higgins & Stewart (1960, 1963, 1964), áp dụng cụ thể vào môi trường thềm lục địa nông, nhiều bãi cạn và cửa sông dạng hình phễu của vịnh Bắc Bộ. Cơ sở toán học của tensor ứng suất bức xạ được mô tả qua các thành phần:

$$S_{xx} = E \left[ n \left(\cos^2 \theta + 1\right) - \frac{1}{2} \right]$$

$$S_{xy} = S_{yx} = \frac{E}{2} n \sin 2\theta$$

Trong đó $E = \frac{1}{8}\rho g H_s^2$ là mật độ năng lượng sóng, $n$ là tỷ số giữa vận tốc nhóm sóng và vận tốc pha ($n = c_g/c$), $\theta$ là góc truyền sóng đối với trục tọa độ. Khi sóng tiến vào đới nước nông vuông góc với đường bờ, sự biến đổi của mực nước trung bình do sóng ($\bar{\eta}$) tuân theo phương trình cân bằng động lượng:

$$\frac{\partial \bar{\eta}}{\partial x} = -\frac{1}{\rho g \left(h + \bar{\eta}\right)} \frac{\partial S_{xx}}{\partial x}$$

Tại vùng ngoài đới sóng vỡ, gradient ứng suất bức xạ gây ra hiện tượng hạ thấp mực nước tĩnh (wave setdown, $\bar{\eta}_b < 0$):

$$\bar{\eta}_b = -\frac{k_b H_b^2}{8 \sinh(2 k_b h_b)} \approx -\frac{\gamma H_b}{16}$$

Khi sóng vỡ trong đới sóng đổ ($h \le h_b$), sự tiêu tán năng lượng sóng làm chuyển đổi động lượng thành thế năng, làm mực nước dâng cao tuyến tính hướng về phía bờ (wave setup):

$$\bar{\eta}(x) = \bar{\eta}_b + \frac{\frac{3}{8}\gamma^2}{1 + \frac{3}{8}\gamma^2} (h_b - h)$$

Với $\gamma = H_b / (h + \bar{\eta})$ là chỉ số sóng vỡ phụ thuộc vào độ dốc đáy biển. Luận án đã làm sáng tỏ cấu trúc lý thuyết rằng nước dâng do sóng duy trì như một dạng mực nước tĩnh nâng cao kéo dài trong nhiều giờ (thậm chí hàng ngày trong các đợt gió mùa mạnh), tỷ lệ thuận với độ dốc bãi biển và độ cao sóng có nghĩa ngoài khơi ($H_{os}$).

Vùng Nước Sâu              Đới Sóng Vỡ (Surf Zone)           Đường Bờ (Mép Nước)
(Deep Water)              (Breaking Point: hb, Hb)              (Shoreline)

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp bốn mô hình động lực học độc lập nhưng tương hỗ chặt chẽ, tạo thành một hệ thống tính toán khép kín từ đại dương vào dải bờ biển:

Điều kiện biên và giới hạn ứng dụng (Boundary Conditions) được xác định rõ ràng: mô hình thủy động lực ADCIRC giải hệ phương trình tích phân theo độ sâu 2DDI với điều kiện ma sát đáy bậc hai ($C_f = 0.0025$), kết hợp thuật toán làm khô/ướt bãi cạn (wetting/drying scheme) cho dải bãi triều rộng lớn tại Đình Vũ, Đồ Sơn và các cửa sông Bạch Đằng, Văn Úc, Lạch Tray.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên lập trường triết học thực chứng (Positivism) kết hợp mô hình hóa số trị cơ chế động lực học chất lỏng địa vật lý. Thiết kế mô hình đa tầng quy mô không gian (Multi-scale Spatial Domain) cho phép giải quyết triệt để bài toán truyền năng lượng từ ngoài khơi vào vùng nước nông:

1. Quy mô biển sâu (Basin scale): Toàn bộ Biển Đông (kinh độ $99^\circ\text{E} - 122^\circ\text{E}$, vĩ độ $0^\circ\text{N} - 25^\circ\text{N}$) sử dụng mô hình sóng WAM để tính toán trường sóng phát triển dưới tác động của gió bão thời gian thực.
2. Quy mô vịnh và khu vực (Regional scale): Toàn bộ vịnh Bắc Bộ được rời rạc hóa bằng lưới tam giác phi cấu trúc trong mô hình ADCIRC, cho phép tăng độ phân giải cực mịn tại các luồng lạch cửa sông và đường bờ uốn khúc của Hải Phòng.
3. Quy mô ven bờ cục bộ (Local coastal scale): Vùng biển ven bờ Hải Phòng được mô phỏng bằng mô hình phổ sóng SWAN lưới lồng mịn, giải phương trình cân bằng tác động sóng để trích xuất trường sóng sát mép nước.

Mẫu nghiên cứu bao gồm bộ dữ liệu hoàn chỉnh của 63 cơn bão nhiệt đới đổ bộ hoặc ảnh hưởng trực tiếp đến dải ven biển Hải Phòng trong giai đoạn 1950–2010.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình tính toán mực nước cực trị trong bão được thực thi qua 6 bước nghiêm ngặt:

1. Thu thập và tham số hóa cơn bão: Tọa độ tâm bão ($x_0, y_0$), hướng di chuyển, vận tốc dịch chuyển ($V_f$), khí áp tâm ($P_0$), độ giảm áp sai biệt ($\Delta P$), vận tốc gió cực đại ($V_m$), và bán kính gió cực đại ($R_{mw}$).
2. Tái tạo trường khí tượng: Sử dụng mô hình giải tích Boose et al. (1994) với hệ số suy giảm do địa hình $F=0.8$ trên đất liền và $F=1.0$ trên mặt biển, số mũ profin gió $x \in [0.4, 0.8]$.
3. Mô phỏng phổ sóng ngoài khơi và ven bờ: Mô hình WAM tính toán các thành phần nguồn cấp $S_{in}$, tiêu tán do bạc đầu $S_{dis}$, và truyền năng lượng phi tuyến $S_{nl}$; kết quả biên được chuyển tiếp cho mô hình SWAN tính toán sóng nước nông (khúc xạ, tiêu tán ma sát đáy $S_{ds,b}$, sóng vỡ $S_{ds,br}$).
4. Định lượng nước dâng do sóng: Tính toán giá trị $\bar{\eta}$ theo toán đồ FAMA, SPM kết hợp công thức tích phân giải tích dựa trên độ cao sóng có nghĩa $H_{os}$, chu kỳ đỉnh phổ $T_p$, và độ dốc đáy bãi biển.
5. Mô phỏng tương tác triều - nước dâng do bão bằng ADCIRC: Giải hệ phương trình liên tục GWCE và phương trình động lượng 2DDI, tích hợp 8 sóng triều chính ($M_2, S_2, K_1, O_1, N_2, K_2, P_1, Q_1$) chiết xuất từ mô hình triều toàn cầu.
6. Tổng hợp mực nước cực trị và phân tích tần suất: Trích xuất biến trình mực nước tổng cộng $TWPR$, xây dựng chuỗi cực trị và làm khớp đường phân bố xác suất lý thuyết (Pearson III, Gumbel).

Mô hình được kiểm định độc lập (Calibration & Validation) nghiêm ngặt dựa trên chuỗi số liệu thực đo tại trạm hải văn Hòn Dáu trong hàng loạt cơn bão lịch sử: bão Carla (1962), Kate (1973), Dan (1989), Frankie (1996), Niki (1996), Damrey (2005), Wukong (2006) và Vicente (2012). Kết quả kiểm nghiệm cho thấy sự tương thích rất cao giữa mực nước mô phỏng và số liệu thực đo với chỉ số sai số tương đối luôn nằm trong giới hạn cho phép ($< 10%$).

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Nghiên cứu của luận án mang lại 5 phát hiện mang tính bước ngoặt cho ngành hải dương học ven bờ tại Việt Nam:

【Định lượng Wave Setup】   【Tương tác phi tuyến】     【Cơ chế bão Washi/Damrey】 【Biến dạng sóng triều】
Đóng góp 10% - 25% tổng     Đỉnh nước dâng bão lệch     Triều cường + Nước dâng     BĐKH (42-86cm) làm lệch
mực nước cực trị tại bờ     pha so với đỉnh triều       tạo mực nước 418cm          pha/biên độ K1 và M2

1. Định lượng chính xác thành phần nước dâng do sóng: Luận án chứng minh nước dâng do sóng tại các bãi biển ven bờ Hải Phòng đóng góp từ 10% đến hơn 20% vào mực nước cực trị tổng cộng. Tại các khu vực có bờ dốc như Đồ Sơn hoặc phía ngoài đảo Cát Bà, giá trị nước dâng do sóng có thể đạt từ 0.4 m đến trên 0.8 m trong các cơn bão mạnh, xấp xỉ 20% độ cao sóng có nghĩa ngoài khơi.
2. Bản chất tương tác phi tuyến triều - nước dâng: Khác biệt với quan niệm cộng đại số đơn giản, khi giải bài toán ghép nối, mực nước triều cao làm tăng độ sâu nước thực tế, dẫn tới giảm nhẹ ứng suất gió bề mặt tác động lên cột nước nhưng lại cho phép sóng có biên độ lớn hơn truyền sát vào bờ mà không bị vỡ sớm, làm dịch chuyển thời điểm xuất hiện mực nước cực đại. Đỉnh dâng do bão thường đạt cực đại trong giai đoạn triều dâng.
3. Minh chứng thực nghiệm qua các cơn bão điển hình: Luận án đã tái hiện thành công thảm họa bão số 2 (Washi) và bão số 7 (Damrey) năm 2005. Bão Washi đã gây ra mực nước cực trị đo được tại trạm Hòn Dáu lên tới 418 cm do sự kết hợp đồng thời giữa triều cường, nước dâng do bão và sóng lớn, gây ngập úng 3.738 ha hoa màu và 2.000 ha lúa tại Hải Phòng.
4. Quy luật biến đổi sóng triều dưới tác động của biến đổi khí hậu: Dưới kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng từ 42 cm đến 86 cm (theo kịch bản A1FI của Bộ Tài nguyên và Môi trường), biên độ và góc pha của hai sóng triều chủ đạo ở vịnh Bắc Bộ là sóng nhật triều $K_1$ và sóng bán nhật triều $M_2$ đều bị thay đổi phi tuyến. Sự thay đổi này làm tái cấu trúc chế độ nhật triều thuần từ của khu vực ven biển Hải Phòng, khiến mực nước cực trị tính toán theo chu kỳ lặp tăng vọt.
5. Xây dựng bộ đường tần suất mực nước cực trị tại 7 vị trí ven biển trọng yếu (P1 - P7): Cung cấp các giá trị định lượng mực nước cực trị ứng với chu kỳ lặp lại 10, 20, 50 và 100 năm tại các khu vực cửa sông và đê biển xung yếu phục vụ trực tiếp công tác thiết kế công trình.

Trạm / Vị trí tính toán	Nước dâng bão lớn nhất mô phỏng (m)	Nước dâng sóng lớn nhất (m)	Mực nước cực trị hiện tại ($P=1%$, m)	Mực nước cực trị kịch bản BĐKH A1FI ($P=1%$, m)
P1 (Cát Bà - Đảo)	1.85	0.65	4.35	5.12
P2 (Đồ Sơn - Bờ biển)	2.45	0.58	4.82	5.61
P3 (Cửa Lạch Tray)	2.30	0.35	4.65	5.43
P4 (Cửa Văn Úc)	2.20	0.32	4.52	5.30
P5 (Đình Vũ - Cảng)	2.15	0.25	4.40	5.18
P6 (Bạch Long Vĩ)	1.40	0.75	3.85	4.60
P7 (Cửa sông Bạch Đằng)	2.10	0.28	4.38	5.15

Implications đa chiều

• Giá trị học thuật: Hoàn thiện lý thuyết thủy động lực học ven bờ tại Việt Nam bằng việc thiết lập chuẩn mực mô phỏng $TWPR$, nối kết thành công động lực học sóng nước sâu với quá trình biến dạng sóng vùng nước nông.
• Đổi mới phương pháp luận: Cung cấp quy trình công nghệ tích hợp mô hình khí quyển - sóng - thủy động lực học có thể chuyển giao áp dụng cho tất cả các tỉnh ven biển khác từ Quảng Ninh đến Cà Mau.
• Ứng dụng thực tiễn và chính sách: Cung cấp cơ sở khoa học trực tiếp để rà soát, nâng cấp 421 km hệ thống đê biển và đê sông Hải Phòng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cao trình các tuyến đê biển hiện tại (vốn được thiết kế theo các tiêu chuẩn cũ chỉ tính $TWP$) đang đứng trước nguy cơ bị tràn sóng nghiêm trọng khi bão mạnh đổ bộ trong thời kỳ triều cường và nước biển dâng.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả xuất sắc, luận án cũng thẳng thắn chỉ ra các giới hạn nghiên cứu:

1. Phương pháp ghép nối một chiều (Offline Coupling): Việc chuyển tiếp kết quả từ mô hình sóng SWAN sang ADCIRC được thực hiện theo phương thức nối tiếp một chiều (offline), chưa xét đến phản hồi ngược tức thời (online two-way coupling) giữa dòng chảy dâng và sự thay đổi trường sóng trong từng bước thời gian siêu nhỏ.
2. Độ phân giải số liệu địa hình bãi triều: Do hạn chế về số liệu đo đạc đo sâu chi tiết thời gian thực tại các dải rừng ngập mặn và bãi bồi cửa sông, hệ số nhám đáy $C_f$ vẫn phải sử dụng giá trị trung bình đại diện, chưa phản ánh hết tính dị hướng của thảm thực vật ven bờ.
3. Chuỗi số liệu quan trắc sóng ven bờ trong bão: Số liệu sóng thực đo tại các trạm hải văn ven bờ trong bão còn thiếu hụt do máy đo sóng thường bị gián đoạn hoạt động khi biển động dữ dội.

Chương trình nghiên cứu tương lai cần tập trung vào:

• Phát triển hệ mô hình ghép nối hai chiều toàn diện trực tiếp giữa ADCIRC + SWAN (Coupled ADCIRC+SWAN) trên siêu máy tính.
• Tích hợp quá trình xói lở đáy và vận chuyển bùn cát ven bờ trong bão vào mô hình mực nước cực trị.
• Nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng của thảm rừng ngập mặn đối với việc tiêu tán sóng và giảm thiểu nước dâng do sóng tại các cửa sông Hải Phòng.

Tác động và ảnh hưởng

Luận án của TS. Nguyễn Xuân Hiển đã tạo ra những tác động lan tỏa mạnh mẽ:

• Tác động học thuật: Trở thành tài liệu tham khảo kinh điển trong chuyên ngành Hải dương học và Thủy văn tại các cơ sở đào tạo lớn như Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN), Viện Địa lý, Viện Tài nguyên và Môi trường Biển, và Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu.
• Tác động ngành và hạ tầng kinh tế: Trực tiếp định hình lại các thông số tính toán mực nước thiết kế cho các dự án hạ tầng trọng điểm của thành phố Hải Phòng như Cảng cửa ngõ quốc tế Hải Phòng (Lạch Huyện), Khu kinh tế Đình Vũ – Cát Hải, và tuyến đê biển Cát Hải – Cát Bà.
• Định hướng chính sách công: Cung cấp luận cứ khoa học để Ban Chỉ huy Phòng chống thiên tai và Tìm kiếm cứu nạn TP. Hải Phòng xây dựng bản đồ ngập lụt phân vùng rủi ro bão, chủ động phương án sơ tán dân cư tại các vùng trũng thấp ven biển.

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận một khung phân tích chuẩn mực về ghép nối mô hình số trị đa quy mô và cơ sở dữ liệu bão chi tiết giai đoạn 1950–2010.
• Kỹ sư công trình thủy công & Cảng - Đường thủy: Sở hữu bộ số liệu mực nước cực trị và đường tần suất thiết kế ($P=1%, 2%, 5%$) chuẩn xác có tính đến sóng và biến đổi khí hậu để thiết kế đê, kè, cầu cảng.
• Các nhà hoạch định chính sách & Quản lý đô thị: Có cơ sở dữ liệu tin cậy để quy hoạch không gian phát triển kinh tế biển bền vững, bảo vệ an toàn tính mạng và tài sản cho hơn 2 triệu người dân thành phố Hải Phòng.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì? Đóng góp độc đáo nhất là việc vận dụng và kiểm chứng thành công lý thuyết ứng suất bức xạ sóng của Longuet-Higgins & Stewart (1964) trong điều kiện bãi cạn và cửa sông phức tạp của miền Bắc Việt Nam, chứng minh rằng nước dâng do sóng là một thành phần độc lập, không thể tách rời và đóng góp từ 10% đến 25% tổng mực nước cực trị ven bờ.

2. Điểm mới về phương pháp luận so với các nghiên cứu trước đây tại Việt Nam? So với các nghiên cứu trước đó của Đỗ Ngọc Quỳnh & Phạm Văn Ninh (1999) hay Bùi Xuân Thông (2000) chỉ giải bài toán thủy triều và nước dâng do bão ($TWP$), luận án đã tiên phong thiết lập chuỗi mô hình tích hợp 4 cấp: Mô hình bão Boose et al. $\to$ Mô hình sóng WAM $\to$ Mô hình sóng SWAN $\to$ Mô hình thủy động lực lưới phi cấu trúc ADCIRC để xác định mực nước tổng cộng $TWPR$.

3. Phát hiện bất ngờ nhất từ dữ liệu thực nghiệm là gì? Phát hiện bất ngờ là sự lệch pha giữa đỉnh nước dâng do bão và đỉnh triều: đỉnh nước dâng do bão có xu hướng xuất hiện trong giai đoạn triều đang dâng chứ không trùng với đỉnh triều cường cao nhất. Tuy nhiên, nếu thời điểm nước dâng do bão kết hợp sóng lớn trùng đúng vào kỳ triều cường (như bão Damrey 2005 đạt 418 cm), nguy cơ tràn và vỡ hệ thống đê biển Hải Phòng là gần như chắc chắn xảy ra nếu đê chỉ được thiết kế theo mực nước tĩnh cũ.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Có. Luận án cung cấp chi tiết toàn bộ hệ phương trình toán học, thông số đầu vào của mô hình Boose et al., cấu hình lưới phi cấu trúc của ADCIRC, các tham số nguồn sóng trong SWAN/WAM, cùng danh mục chi tiết 63 cơn bão lịch sử, cho phép các nhà khoa học độc lập có thể tái lập hoàn toàn quy trình tính toán cho các vùng biển khác.

5. Định hướng nghiên cứu 10 năm tiếp theo được vạch ra là gì? Định hướng phát triển hệ thống dự báo cảnh báo sớm thời gian thực (Real-time Early Warning System) về ngập lụt ven biển do bão, tích hợp mô hình ghép nối hoàn toàn 2 chiều (Fully-coupled Atmosphere-Wave-Ocean Model) với dữ liệu viễn thám radar và GIS ngập lụt đô thị.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Xuân Hiển là một công trình khoa học mẫu mực, giải quyết trọn vẹn cả yêu cầu học thuật hàn lâm lẫn đòi hỏi thực tiễn cấp bách trong công tác phòng chống thiên tai biển. Những đóng góp cốt lõi của công trình bao gồm:

1. Thiết lập hoàn chỉnh quy trình công nghệ tính toán mực nước cực trị ven bờ ($TWPR$) có tính đến sự đóng góp của thành phần nước dâng do sóng.
2. Định lượng chính xác tỷ trọng đóng góp của nước dâng do sóng (10–25%) vào tổng mực nước dâng trong bão tại dải ven biển Hải Phòng.
3. Làm sáng tỏ cơ chế tương tác phi tuyến phức tạp giữa thủy triều, nước dâng bão và sóng trong điều kiện thềm lục địa nông và cửa sông chia cắt.
4. Đánh giá toàn diện sự biến đổi cấu trúc pha và biên độ của các sóng triều chính ($K_1, M_2$) dưới tác động của kịch bản nước biển dâng do biến đổi khí hậu.
5. Cung cấp bộ bản đồ tần suất mực nước cực trị và cảnh báo nguy cơ ngập lụt cho 421 km hệ thống đê điều thành phố Hải Phòng, đóng góp nền tảng vững chắc cho sự phát triển kinh tế biển bền vững của vùng duyên hải Bắc Bộ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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].