Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng nước dâng do bão là một trong những tác động thiên tai nghiêm trọng, đặc biệt tại các vùng ven biển như Biển Đông Việt Nam. Theo thống kê, mỗi năm Việt Nam chịu ảnh hưởng của khoảng 5-6 cơn bão đổ bộ, kèm theo đó là hiện tượng nước dâng gây ngập lụt và thiệt hại lớn về người và tài sản. Nước dâng do bão không chỉ là sự tăng mực nước biển so với mực thủy triều bình thường mà còn là tổng hợp của nhiều yếu tố như áp suất khí quyển giảm, ứng suất gió, sóng biển và địa hình đáy biển. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là tính toán đường bao cực đại của nước dâng do bão và xác suất xuất hiện nước dâng cực đại tại các khu vực ven bờ Biển Đông Việt Nam, phục vụ công tác dự báo, phòng tránh thiên tai và phát triển kinh tế - xã hội bền vững. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào khu vực Biển Đông từ kinh độ 98°E đến 118°E và vĩ độ 5°N đến 24°N, với các trường hợp điển hình là các cơn bão Conson (2010), Xangsane (2006) và Durian (2006). Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp các bản đồ đường bao nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện nước dâng, giúp nâng cao hiệu quả cảnh báo và giảm thiểu thiệt hại do bão gây ra.

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 mô hình chính được áp dụng là mô hình gió Young-Sobey và mô hình thủy lực MIKE 21. Mô hình gió Young-Sobey mô phỏng trường gió xoáy quanh tâm bão dựa trên các tham số như bán kính gió cực đại, vận tốc gió lớn nhất và áp suất tại tâm bão. Mô hình thủy lực MIKE 21 sử dụng hệ phương trình thủy động lực hai chiều, bao gồm phương trình liên tục và phương trình động lượng theo hai phương x, y, để mô phỏng dao động mực nước và dòng chảy trong khu vực biển ven bờ. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Nước dâng do bão (storm surge): sự dâng cao mực nước biển do tác động của bão, vượt trên mực thủy triều bình thường.
  • Đường bao nước dâng cực đại: đường biểu diễn mực nước dâng lớn nhất có thể xảy ra trong khu vực nghiên cứu.
  • Xác suất xuất hiện nước dâng: phần trăm khả năng xuất hiện mực nước dâng tại các điểm ven bờ dựa trên các kịch bản bão giả định.
  • Phương pháp nội suy Kriging: kỹ thuật nội suy không gian sử dụng trọng số dựa trên khoảng cách và phân bố không gian để ước lượng mực nước dâng tại các điểm chưa quan trắc.
  • Chỉ số Nash: chỉ số đánh giá độ chính xác của mô hình mô phỏng so với số liệu thực đo.

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 như Hòn Dáu, Hòn Ngư, Sơn Trà, Quy Nhơn và Vũng Tàu. Cỡ mẫu mô hình bao gồm 16.797 nút lưới phần tử hữu hạn với kích thước lưới giảm dần từ ngoài biển vào sát bờ, đảm bảo độ phân giải cao cho khu vực ven bờ. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các kịch bản bão giả định dựa trên sai số dự báo vị trí tâm bão trong 24 giờ trước khi đổ bộ, với 12 quỹ đạo bão giả định cách nhau 9,6 km phân bố đều trong vùng sai số 115,2 km. Phương pháp phân tích sử dụng mô hình số trị MIKE 21 để mô phỏng mực nước dâng tổng cộng, kết hợp với mô hình gió Young-Sobey để tái tạo trường gió bão. Kết quả mô phỏng được nội suy không gian bằng phương pháp Kriging để xây dựng bản đồ đường bao nước dâng cực đại và tính xác suất xuất hiện mực nước dâng tại các điểm đặc trưng. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2006 đến 2010, tập trung vào các cơn bão điển hình trong khu vực Biển Đông.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đường bao nước dâng cực đại và phân bố không gian:
    Kết quả mô phỏng cho thấy đường bao nước dâng cực đại trải dài từ Quảng Ninh đến Hà Tĩnh đối với bão Conson 2010, từ Quảng Trị đến Quảng Nam đối với bão Xangsane 2006, và từ Bình Thuận đến Cà Mau đối với bão Durian 2006. Mực nước dâng cực đại tại các điểm ven bờ có thể đạt từ 2,5 m (bão Conson) đến khoảng 1,5 m (bão Xangsane) và thấp hơn tại khu vực Nam Bộ do bão Durian.

  2. Xác suất xuất hiện mực nước dâng:
    Tại điểm P1 khu vực bão Conson, xác suất xuất hiện mực nước dâng từ 2-2,5 m là 69,77%, trong khi tại điểm P3 xác suất đạt 100% cho mực nước từ 1,5-2 m. Đối với bão Xangsane, xác suất xuất hiện mực nước dâng từ 0,5-1 m tại điểm P1 là 100%, và các điểm khác cũng có xác suất cao từ 61% đến 100%. Bão Durian có xác suất xuất hiện nước dâng thấp hơn nhưng vẫn có thể gây ngập tại các điểm ven bờ Nam Bộ.

  3. Độ chính xác mô hình:
    Chỉ số Nash giữa kết quả mô phỏng và số liệu thực đo tại các trạm hải văn dao động từ 0,91 đến 0,98, cho thấy mô hình MIKE 21 có độ chính xác cao trong việc mô phỏng mực nước dâng do bão. Sai số tuyệt đối lớn nhất trong các cơn bão Damrey và Haima là khoảng 0,25-0,39 m, phù hợp với yêu cầu dự báo phục vụ phòng chống thiên tai.

  4. Ảnh hưởng của sai số dự báo vị trí bão:
    Việc xây dựng tập hợp bão giả định dựa trên sai số dự báo vị trí tâm bão trong 24 giờ (115,2 km) giúp đánh giá được phạm vi ảnh hưởng và xác suất xuất hiện nước dâng tại các khu vực ven bờ, góp phần nâng cao độ tin cậy của dự báo nước dâng tổng cộng trong bão.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự phân bố mực nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện khác nhau giữa các khu vực là do sự kết hợp của các yếu tố như địa hình đáy biển, độ sâu thềm lục địa, tốc độ và hướng di chuyển của bão, cũng như đặc điểm khí tượng hải văn vùng Biển Đông. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây và số liệu thực tế, đồng thời cho thấy mô hình số trị MIKE 21 kết hợp với mô hình gió Young-Sobey là công cụ hiệu quả để dự báo nước dâng do bão. Việc sử dụng phương pháp nội suy Kriging giúp tăng độ chính xác trong việc xác định mực nước dâng tại các điểm chưa có số liệu quan trắc. Các biểu đồ so sánh mực nước tính toán và thực đo tại các trạm hải văn minh họa rõ sự phù hợp giữa mô hình và thực tế, đồng thời bảng đánh giá sai số và chỉ số Nash cung cấp cơ sở định lượng cho độ tin cậy của mô hình. So với các phương pháp truyền thống như thang Saffir/Simpson hay công thức thực nghiệm, phương pháp mô hình số trị cho phép mô phỏng chi tiết hơn, bao gồm ảnh hưởng của địa hình và các yếu tố địa phương, từ đó nâng cao hiệu quả dự báo và giảm thiểu thiệt hại do nước dâng bão gây ra.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống dự báo nước dâng bão tích hợp mô hình số trị:
    Áp dụng mô hình MIKE 21 kết hợp với mô hình gió Young-Sobey để xây dựng hệ thống dự báo nước dâng bão cho toàn bộ dải ven biển Việt Nam, nhằm nâng cao độ chính xác và thời gian cảnh báo trước từ 24 đến 48 giờ. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, thời gian triển khai: 2 năm.

  2. Mở rộng mạng lưới quan trắc mực nước và khí tượng ven biển:
    Tăng cường lắp đặt các trạm hải văn và thủy văn dọc ven biển, giảm khoảng cách giữa các trạm xuống dưới 100 km để thu thập số liệu thực đo liên tục, phục vụ hiệu chỉnh và kiểm định mô hình. Chủ thể thực hiện: Bộ Tài nguyên và Môi trường, thời gian: 3 năm.

  3. Phát triển cơ sở dữ liệu bão và mực nước dâng dài hạn:
    Xây dựng cơ sở dữ liệu lịch sử các cơn bão và mực nước dâng tại các khu vực ven biển, phục vụ nghiên cứu thống kê và mô phỏng xác suất xuất hiện nước dâng cực đại. Chủ thể thực hiện: Viện Hải dương học, thời gian: 2 năm.

  4. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ mô hình số trị:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình thủy động lực và phân tích dữ liệu cho cán bộ kỹ thuật và nhà khoa học, đồng thời hợp tác quốc tế để cập nhật công nghệ mới. Chủ thể thực hiện: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, thời gian: liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cơ quan dự báo khí tượng thủy văn:
    Sử dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng dự báo nước dâng bão, phục vụ cảnh báo sớm và giảm thiểu thiệt hại thiên tai.

  2. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách ven biển:
    Áp dụng bản đồ đường bao nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện nước dâng để xây dựng quy hoạch phát triển bền vững, thiết kế đê biển và các công trình phòng chống thiên tai.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành hải dương học, khí tượng thủy văn:
    Tham khảo phương pháp mô hình số trị, kỹ thuật nội suy Kriging và phân tích xác suất trong nghiên cứu nước dâng do bão.

  4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực khai thác tài nguyên biển, du lịch ven biển:
    Đánh giá rủi ro thiên tai, lên kế hoạch phòng ngừa và bảo vệ tài sản, đảm bảo hoạt động kinh tế ổn định.

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 giảm và gió bão. Nó nguy hiểm vì có thể gây ngập lụt diện rộng, phá hủy đê điều và công trình ven biển, đe dọa tính mạng con người.

  2. Phương pháp mô hình số trị có ưu điểm gì so với phương pháp truyền thống?
    Mô hình số trị mô phỏng chi tiết các quá trình thủy động lực, bao gồm ảnh hưởng của địa hình và các yếu tố địa phương, cho kết quả chính xác hơn và có thể dự báo theo nhiều kịch bản giả định khác nhau.

  3. Sai số dự báo vị trí bão ảnh hưởng thế nào đến dự báo nước dâng?
    Sai số vị trí bão làm thay đổi phạm vi ảnh hưởng và mức độ nước dâng tại các khu vực ven bờ. Việc mô phỏng nhiều quỹ đạo bão giả định trong vùng sai số giúp đánh giá xác suất xuất hiện nước dâng chính xác hơn.

  4. Phương pháp nội suy Kriging được sử dụng để làm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp Kriging được dùng để ước lượng mực nước dâng tại các điểm chưa có số liệu quan trắc dựa trên dữ liệu từ các điểm lân cận, giúp xây dựng bản đồ phân bố mực nước dâng chi tiết và chính xác.

  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 nước dâng, giúp cơ quan chức năng đưa ra cảnh báo sớm, quy hoạch xây dựng đê điều và chuẩn bị phương án ứng phó phù hợp.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã thành công trong việc mô phỏng đường bao nước dâng cực đại và xác suất xuất hiện nước dâng do bão tại khu vực Biển Đông Việt Nam, với độ chính xác cao (chỉ số Nash ≥ 0,91).
  • Phương pháp mô hình số trị MIKE 21 kết hợp mô hình gió Young-Sobey và kỹ thuật nội suy Kriging là công cụ hiệu quả để dự báo nước dâng bão.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho công tác dự báo, cảnh báo và quy hoạch phòng chống thiên tai ven biển.
  • Đề xuất xây dựng hệ thống dự báo tích hợp, mở rộng mạng lưới quan trắc và phát triển cơ sở dữ liệu bão để nâng cao hiệu quả ứng phó thiên tai.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai ứng dụng mô hình trong thực tế, đào tạo nhân lực và hợp tác quốc tế để cập nhật công nghệ mới, góp phần bảo vệ an toàn cộng đồng ven biển.

Hành động ngay: Các cơ quan liên quan cần phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao năng lực dự báo và giảm thiểu thiệt hại do nước dâng bão gây ra.