Chương 1: Tổng quan nghiên cứu về nước dâng: Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về nước dâng do bão, nước dâng do gió mùa; Đặt vẫn đề nghiên cứu của luận án. Chương 2: Số liệu và phương pháp phân tích, tính toán nước dâng: Thu thập số liệu mực nước, dữ liệu bão/ ATNĐ và gió mùa; phương pháp phân tích mực nước và mô hình SỐ tri str dụng nghiên cứu hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đồ bộ nhiều giờ và nước dâng do gió mùa. Chương 3: Một số đặc điểm của nước dâng do bão và do gió mùa trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ qua phân tích số liệu thực đo: Đặc điểm khu vực nghiên cứu; Một số đặc điểm của nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước hoặc sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ và nước dâng do gió mùa. Chương 4: Đặc điểm nước dâng do bão và do gió mùa trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ qua mô phỏng số: Nguyên nhân gây nên hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ và các kết quả tính toán mô phỏng nước dâng do gió mùa.
TONG QUAN NGHIÊN CUU VE NƯỚC DANG Chương này sé tổng quan các kết quả nghiên cứu chính về nước dâng của các nhà khoa học trên thế giới và trong nước, từ đó định ra những vấn đề cần được nghiên cứu trong luận án. Nghiên cứu nước dâng ở ngoài nước Nghiên cứu về nước dâng do bão và do gió mùa đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm, chú ý đúng mực, các kết quả nghiên cứu đã cho ra những bức tranh rất lí thú và phong phú trên thế giới về hiện tượng tự nhiên này. Trên thế giới, cho đến nay đã chủ yếu sử dụng các phương pháp nghiên cứu về nước dâng như: phương pháp sử dụng các công thức bán thực nghiệm (công trình nghiên cứu của Ippen và Hallerman, 1966), phương pháp biéu đỗ (công trình của Yang và cộng sự, 1970) và phương pháp mô hình số trị (đây là phương pháp vẫn được phát triển và sử dụng có hiệu quả nhất cho đến ngày nay). Các phương pháp này đã được giới thiệu trong hướng dẫn dự báo nước dâng bão do Tổ chức Khí tượng thế giới ban hành [45].
Trong nghiên cứa của Ippen và Hallerman (1966) [29] đã sử dụng công thức thực nghiệm để tính nước dâng theo vận tốc gió, đà gió, hướng gió và độ sâu biển. Phương pháp nay đơn giản nhưng độ chính xác thấp. Nghiên cứu của Yang và cộng sự (1970) [43] đã xây dựng biểu đồ quan hệ giữa số liệu quan trắc nước dâng bão với các tham số bão. Do vậy sẽ rất hạn chế khi không có chuỗi số liệu đủ dài (thông thường khoảng 100 năm) và thường chỉ đúng cho các khu vực gần trạm quan trắc.
Đề khắc phục thiếu sót về mặt không đủ số liệu đo đạc thực nghiệm, các nhà nghiên cứu đã xây dựng phương pháp tính toán lý thuyết dựa trên cơ sở các phương trình toán học dé mô phỏng các hiện tượng tự nhiên và sử dụng số liệu đo đạc không cần quá dai dé hiệu chỉnh và kiêm định mô hình tính toán. Từ đó xây dựng bức tranh hình thành và diễn biến của các hiện tượng trong quá khứ, 16 hiện tại và tương lai. Trên cơ sở đó, rút ra quy luật về đặc trưng chế độ của hiện tượng tại những khu vực cần nghiên cứu. Những công trình tiêu biểu theo hướng sử dụng mô hình hóa số trị như nghiên cứu của Jelesnianski và cộng sự (1966 - 1967) [30, 31] đã phát triển mô hình số trị dé tính toán nước dâng bão và thủy triều, sử dụng hệ phương trình tuyến tính hai chiều ngang, với giả thuyết áp suất thủy tĩnh.
Lực ma sát đáy được bỏ qua hoặc xem là tỷ lệ bậc nhất với tốc độ dòng chảy. Trong mô hình số trị, bão đã được mô tả bởi các tham số như vi trí, gió cực đại, bán kính gió cực đại và độ giảm áp tai tâm bão. Hướng và tốc độ di chuyên của bão không thay đổi. Dựa trên các kết quả tính toán của mô hình, tác giả đã xây dựng một toán đồ nhằm phục vụ cho dự báo nước dâng bão khu vực biến của thành phố Atlantic, Hoa Kỳ.
Đến năm 1971 Nickerson va các cộng sự đã hoàn thiện mô hình của mình và được Cơ quan Nghiên cứu Khí tượng Hải dương Hoa Kỷ chấp thuận đưa vào dự báo nghiệp vụ [38]. Năm 1972, Jelesnianski đã xây dựng mô hình SPLASH (sau đó phat trién thành mô hình SLOSH) dùng dé mô phỏng nước dâng bão cho khu vực ven biên. Đây là mô hình có miễn tính bao phủ nhiều tiểu vùng như thềm lục địa, thủy vực năm sâu trong đất liền và một số vùng ven bờ. Tat cả có 33 tiểu vùng, mỗi vùng được áp dụng lưới tính phù hợp riêng và được đưa vào sử dụng từ năm 1991 không chỉ ở Hoa kỳ mà còn ở các vùng ven bờ Trung Quốc, Ấn Độ và Bahamas như công trình của Ryabinin và cộng sự [36].
Cho đến những năm gần đây, Sooyoul Kim và cộng sự (2007) [33] đã xây dựng mô hình dự báo nước dâng do bão tích hợp cả thủy triều và sóng biển (Surge Wave and Tide - SuWAT) có thiết kế lưới lồng dé tính toán nước dâng do bão. Mô hình đã được áp dụng tính nước dâng bão tại vịnh Tosa - Nhật Bản và cho kết quả phù hợp với số liệu thực đo, trong khi trước đó rất nhiều mô hình không tính đến nước dâng do sóng đã cho kết quả thấp hơn như công trình của Pavel Tkalich và cộng sự (năm 2013) [39]; công trình của Sinha và cộng sự (năm 2009) [41]. 17 Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) phát triển mô hình dự báo nước dâng bão của riêng mình gọi là mô hình nước dâng bão JMA (JMA’s Storm Surges Model [48]), và đã đưa vào sử dụng trong hệ thống cảnh báo nghiệp vụ nước dâng bão từ 1998. Mô hình này được xây dựng dựa trên hệ phương trình nước nông phi tuyến hai chiều, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn trên lưới Arakawa-C.
Mô hình trường gió và áp suất khí quyên được lấy từ kết quả mô hình dự báo khí tượng phi thủy tĩnh của JMA hoặc có thé sử dụng mô hình cấu trúc bão dạng giải tích. Miền tính của mô hình nước dâng bão JMA bao trùm toàn bộ vùng biển xung quanh Nhật Bản với độ phân giải của lưới tính là 1 phút kinh - vĩ, tức khoảng 1.5 km theo vĩ tuyến và 1.9 km theo kinh tuyến như trong nghiên cứu của Hasegawa (2015, 2017) [26, 27]. Với mỗi trường hợp cần dự báo, dựa trên những thông tin dự báo khí tượng về cơn bão như quỹ đạo, cường độ, bán kính gió cực đại, phạm vi vùng gió mạnh, mô hình dự báo nước dâng bão JMA sẽ tính toán theo các phương án: Quỹ đạo như dự báo; Quỹ đạo dự báo nhưng di chuyên nhanh nhất (với xác suất 70 %); Quỹ đạo dự báo nhưng di chuyền chậm nhất; Quỹ đạo lệch trái; Quỹ đạo lệnh phải như trong nghiên cứu của Higaki (2013) [28], sau đó kết quả được các chuyên gia phân tích, tong hợp và đưa vào bản tin dự báo. Không chi ở Việt Nam mà các vùng khác trong khu vực ven bờ, hải đảo của Biển Đông, như vùng bờ phía nam Trung Quốc, Thái Lan, Philippines, đều phải hứng chịu những tai họa do bão và nước dâng do bão hoạt động ở Biển Đông gây ra.
Do vậy, có rất nhiều công trình, ngoài Việt Nam, nghiên cứu về nước dâng bão ở khu vực Biển Đông và lân cận. Trong số này có thé kế đến các công trình cua Sinha va cộng sự (2009) [41], Wang và cộng sự (1997) [44]. Dang chú ý, trong công trình công bố năm 2009 của Sinha và cộng sự, đã mô tả lại diễn biến nước dâng do 4 cơn bão mạnh gây ra, đó là bão Sally-96, Linda-97, Xangsane-06 và Lekima-07. Trong đó, cơn bão Xangsane- 18 06 đã gây ra nước dâng lớn hơn 5 m ở ven biển Phillipines, cơn bão Lekima- 07 gây ra nước dâng 1.5 m ở vùng biển ven bờ Quảng Bình - Quang Trị của Việt Nam.
Các kết quả tính từ mô hình khá sát với số liệu thực do [41]. Nước dâng do bão phần lớn xuất hiện và đạt đỉnh vào thời điểm bão đồ bộ. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp đã ghi nhận hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước khi bão đồ bộ nhiều giờ (nước dâng trước bão - fore runner surge) hoặc sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ (nước dâng sau bão - after runner surge). Trong đó, hiện tượng nước dâng sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ và có thời gian kéo dài trong nhiều giờ đã gây nhiều thiệt hại do tính bất ngờ chưa dự báo được.
Một số trường hợp nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ như: bão Vera-86, bão Dinah-87, bão Caitlin-91, bão Mireille-91, bão Rusa-02, bão Maemi-03, bão Songda-04 dé bộ vào ven biển miền Trung Nhật Bản (nghiên cứu của Sooyoul Kim và cộng sự năm 2014 [35]); Trường hợp nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước khi bão đồ bộ nhiều giờ như: bão Iker-08 đồ bộ vào bắc bang Texas (nghiên cứu của Kennedy và cộng sự năm 2011 [32]). Tùy thuộc vào địa hình khu vực cũng như đặc trưng bão, nguyên nhân gây nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ có thé do: Tác động của hình thế gió, khí áp trước và sau khi bão đồ bộ, thủy triều, sóng biển và hiệu ứng Ekman tại lưu vực. Nghiên cứu của Sooyoul Kim và cộng sự (2014) [35] đã nghiên cứu nước dâng bão trong cơn bão Songda (với khí áp thấp nhất tai tâm là 925 mb, vận tốc gió lớn nhất đạt 47 m/s) dé bộ vào bờ biển Tottori-Nhật Bản ngày 08/9/2004 bằng mô hình tích hợp SuWAT theo nhiều phương án tính toán (sử dụng trường gió, khí áp từ mô hình bão giải tích, mô hình số trị khí tượng WRE; có và không xét tới ảnh hưởng của thủy triều, sóng và hiệu ứng Ekman). Kết qua cho thấy, dọc bờ biến Tottori-Nhật Bản đã xảy ra hiện tượng nước dâng đạt đỉnh sau bão với thời gian xuất hiện 19 sau khi bão đã đồ bộ 16 giờ; đồng thời đưa ra kết luận rằng hiệu ứng Ekman là nguyên nhân chính gây nên hiện tượng nước dâng lớn xuất hiện sau khi bão đã đồ bộ nhiều giờ và trường gió, khí áp tính từ mô hình WRF cho kết quả phù hợp hơn mô hình bão giải tích.