Nghiên cứu Đặc Điểm nước dâng do bão và gió mùa khu vực biển ven bờ vịnh bắc bộ

Nghiên cứu đặc điểm nước dâng do bão và gió mùa khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ Nghiên cứu đặc điểm nước dâng do bão và gió mùa khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tác giả luận án

Phạm Trí Thức

LỜI CẢM ƠN

Luận án được hoàn thành tại Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đinh Văn Mạnh và PGS.TS Nguyễn Bá Thủy

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới hai Thầy đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn để tác giả hoàn thành luận án

Tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy cô Bộ môn Khoa học và Công nghệ biển, Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, cơ quan công tác Học viện Hải quân - Quân chủng Hải quân, cơ quan quản lí Đoàn 871 - Tổng cục Chính trị - Bộ Quốc Phòng đã giúp đỡ, ủng hộ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện luận án

Nhân dịp này, tác giả cũng xin được bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới các nhà khoa học, các thầy, cô và đồng nghiệp với tình cảm và lòng chân thành đã động viên, giành nhiều thời gian và công sức giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báu trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận án

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến bố mẹ, vợ con và gia đình đã quan tâm, động viên, khích lệ, ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi để tác giả yên tâm thực hiện và hoàn thành luận án

Tác giả luận án Phạm Trí Thức

1 Tính cấp thiết của đề tài 10

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án 14

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu 14

4 Điểm mới của luận án 14

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 15

6 Cấu trúc của luận án 15

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG 16

1.1 Nghiên cứu nước dâng ở ngoài nước 16

1.2 Nghiên cứu nước dâng ở trong nước 22

Kết luận chương 1 27

Chương 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG 28

2.1 Số liệu quan trắc mực nước, dữ liệu bão/ ATNĐ và gió mùa 28

2.1.1 Số liệu mực nước, gió và khí áp tại các trạm khí tượng hải văn 28

2.1.2 Dữ liệu bão/ ATNĐ 29

2.1.3 Dữ liệu gió mùa 31

2.2 Phương pháp phân tích, tính toán nước dâng 33

2.2.1 Phương pháp tách nước dâng từ số liệu mực nước thực đo 33

2.2.2 Mô hình tích hợp thủy triều, sóng và nước dâng do bão

(mô hình SuWAT) 37

2.2.3 Mô hình bão giải tích (Fujita-1952) 44

2.2.4 Mô hình dự báo số trị khí tượng (WRF) 46

3.1.2 Đặc điểm về khí tượng, hải văn 49

3.2 Đặc điểm nước dâng trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ

qua phân tích số liệu thực đo 54

3.2.1 Đặc điểm nước dâng tại các trạm ven bờ vịnh Bắc Bộ và tần suất xuất hiện nước dâng do các nguyên nhân khác nhau 54

3.2.2 Nước dâng do bão trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 69

3.2.3 Nước dâng do gió mùa trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 74

Kết luận chương 3 85

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 86

4.1 Nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ

trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 86

4.1.1 Hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ 86

4.1.2 Nguyên nhân gây nên nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ 89

4.1.3 Nguyên nhân xuất hiện nước dâng đáng kể tại những điểm xa

vị trí bão đổ bộ trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 95

4.2 Mô phỏng nước dâng do gió mùa trong khu vực biển ven bờ

vịnh Bắc Bộ 103

4.2.1 Đợt nước dâng ngày 31/10/2017 104

4.2.2 Đợt nước dâng ngày 21-22/12/2017 105

4.2.3 Đặc điểm nước dâng do gió trung bình các tháng 107

Kết luận chương 4 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ

LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ADCIRC Mô hình hoàn lưu ven bờ

[Advanced CIRCulation] ATNĐ Áp thấp nhiệt đới

NCEP Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia của Mỹ

[National Centers for Environmental Prediction]

ROMS-2D Mô hình hải dương khu vực 2 chiều

[The Regional Ocean Modeling System] SPLASH Chương trình đặc biệt để tính toán nước dâng do bão

[Spesical Program to List Amplitude of Surge from Huricanes] SLOSH Mô hình tính nước dâng do bão cho khu vực ven biển, biển và hồ

[Sea, Lake, and Overland Surges from Hurricanes] SuWAT Mô hình tích hợp thủy triều, sóng biển và nước dâng bão

(Surge Wave and Tide) SWAN Mô hình mô phỏng sóng vùng ven bờ

[Simulating Waves Nearshore] WRF Mô hình nghiên cứu và dự báo khí tượng

[Weather Research and Forecast Model] WMO Tổ chức Khí tượng thế giới

[World Meteorological Organization]

CÁC THUẬT NGỮ SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

1 Đợt nước dâng

Khoảng thời gian xuất hiện nước dâng có độ lớn từ 25 cm trở nên do các nguyên nhân khác nhau (như bão, gió mùa…) gây nên

2 Nước dâng đạt đỉnh

Nước dâng lớn nhất xuất hiện tại một vị trí trong thời gian bão/ ATNĐ ảnh hưởng

3 Nước dâng do gió mùa

Nước dâng xuất hiện do tác động trực tiếp của gió mùa gây nên

4 Hiệu ứng Ekman

Hiện tượng nước dâng tại vùng ven bờ do tác động của dòng chảy mạnh gây bởi gió có cường độ mạnh thổi theo hướng ổn định

5 Sóng dài

Dao động của mực nước biển và Đại Dương có chu kỳ dao động cỡ phút trở lên (độ dài sóng lớn hơn nhiều lần so với độ sâu của biển)

DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ

Hình 1 (a) Phân bố bão và nguy cơ nước dâng do bão tại các khu vực

ven biển Việt Nam và (b) Độ lớn nước dâng do bão đã xảy ra và

có thể xảy ra theo từng đoạn bờ biển Việt Nam 11

Hình 2 Ngập lụt do nước dâng bão Kalmaegy-14 kết hợp với

triều cường tại: (a) TP Hạ Long và (b) Đồ Sơn 13

Hình 3 Hình ảnh ngập lụt do nước dâng do gió mùa trong đợt

triều cường ngày 31/10/2017 tại Cửa Lò-Nghệ An 13

Hình 2.1 Vị trí các trạm quan trắc mực nước trong khu vực biển ven bờ

vịnh Bắc Bộ 29

Hình 2.2 Quy trình tách nước dâng ra khỏi số liệu mực nước thực đo 37

Hình 2.3 Sơ đồ tích hợp của mô hình SuWAT cho lưới lồng 3 lớp 41

Hình 2.4 Trường độ sâu và miền tính của 3 lưới lồng 43

Hình 2.5 Minh họa các thành phần trong công thức tính vận tốc gió 45

Hình 2.6 Miền tính của mô hình WRF mô phỏng trường gió và khí áp

trong bão Kalmaegy (9/2014) 46

Hình 3.1 Bản đồ địa hình khu vực vịnh Bắc Bộ 49

Hình 3.2 Hoa gió tại một số trạm ven bờ vịnh Bắc Bộ tháng 1 và tháng 7 50

Hình 3.3 Tỉ lệ bão xuất hiện trên Biển Đông theo tốc độ gió trong

giai đoạn từ 1960-2018 52

Hình 3.4 Dao động mực nước, thủy triều và nước dâng tại trạm Hòn Dấu

từ ngày 03-05/10/1989 trong thời gian bão Angela-89 ảnh hưởng 56

Hình 3.5 Minh họa cách xác định vị trí và thời điểm bão đổ bộ 59

Hình 3.6 Phân bố tần suất xuất hiện nước dâng do các nguyên nhân

tại các trạm trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 61

Hình 3.7a Dao động mực nước trong bão Niki-96 tại trạm Hòn Dấu 63

Hình 3.7b Dao động mực nước trong bão Becky-90 tại trạm Hòn Ngư 68

Hình 3.7c Dao động mực nước trong bão Ketsana-09 trạm Sơn Trà 68

Hình 3.8 Nước dâng tại trạm Hòn Dấu trong bão Washi-05 đổ bộ

vào Nam Định lúc 10h 31/7/2005 70

Hình 3.9 Nước dâng lớn xuất hiện tại trạm Hòn Dấu:

(a) trước khi bão Irving-89 đổ bộ vào Thanh Hóa và

(b) sau khi bão Winnie-64 đổ bộ vào Quảng Ninh 70

Hình 3.10 Hình thế thời tiết và diễn biến mực nước trạm Hòn Dấu,

Hòn Ngư và Sơn Trà trong các đợt nước dâng 81

Hình 3.11 Trường gió, khí áp ngày 28-31/10/2017 82

Hình 3.12 Trường gió, khí áp ngày 19-22/12/2017 84

Hình 4.1 Sơ đồ đường đi của bão Kalmaegy-14 87

Hình 4.2 Dao động của mực nước tổng cộng, thủy triều và nước dâng

trong bão Kalmaegy-14 ảnh hưởng tại trạm Hòn Dấu (a) và Hòn Ngư (b) 88

Hình 4.3 Dao động của nước dâng với vận tốc gió (a) và nước dâng

với khí áp (b) tại trạm Hòn Dấu trong bão Kalmaegy-14 89

Hình 4.4 So sánh nước dâng tính toán với số liệu quan trắc tại trạm

Hòn Dấu (a) và Hòn Ngư (b) trong thời gian bão Kalmaegy-14 ảnh hưởng 90

Hình 4.5 Phân bố nước dâng bão lớn nhất trong bão Kalmaegy-14:

(a) Sử dụng trường gió, khí áp từ mô hình bão giải tích,

(b) theo mô hình WRF 91

Hình 4.6 So sánh khí áp (a) và vận tốc gió (b) tính từ mô hình WRF,

mô hình Fujita với số liệu quan trắc tại trạm Hòn Dấu

trong bão Kalmaegy-14 91

Hình 4.7 Phân bố trường gió và nước dâng tại các thời điểm: bão đổ bộ (a); sau khi bão đổ bộ 4 giờ (b); sau đổ bộ 6 giờ (c) và sau đổ bộ 8 giờ (d) 93

Hình 4.8 Phân bố trường nước dâng và dòng chảy tại các thời điểm sau khi bão đổ bộ 4 giờ 94

Hình 4.9 So sánh nước dâng tính toán và quan trắc tại trạm Hòn Dấu (a)

và Hòn Ngư (b) trong bão Kalmaegy-14 theo phương án xét đầy đủ

trường gió, khí áp và chỉ xét trước khi bão đổ bộ 95

Hình 4.10 So sánh nước dâng tính toán và quan trắc tại Hòn Dấu

và Hòn Ngư trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 97

Hình 4.11 Lan truyền nước dâng khi các cơn bão ảnh hưởng trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 98

Hình 4.12 Sơ đồ đường đi của bão Cecil-85 99

Hình 4.13 Phân bố nước dâng dọc theo vĩ độ tại thời điểm bão

Cecil-85 đổ bộ 99

Hình 4.14 So sánh nước dâng tính toán với số liệu quan trắc tại trạm

Hòn Dấu (a) và Hòn Ngư (b) trong thời gian bão Cecil-85 ảnh hưởng 100

Hình 4.15 Lan truyền của nước dâng sau khi bão Cecil-85 đổ bộ 100

Hình 4.16 Trường nước dâng tại từng thời điểm sau khi bão

Cecil-85 đổ bộ 103

Hình 4.17 Diễn biến nước dâng trong ngày 26/10-02/11/2017 tại:

(a) trạm Hòn Dấu; (b) trạm Hòn Ngư 104

Hình 4.18 So sánh mực nước tính toán từ mô hình với số liệu quan trắc

tại trạm Hòn Dấu (a) và Hòn Ngư (b) 104

Hình 4.19 Hình thế thời tiết lúc 13 giờ ngày 31/10/2017 (a) và phân bố

nước dâng lớn nhất trên vịnh Bắc Bộ trong đợt ngày 31/10/2017 (b) 105

Hình 4.20 Diễn biến nước dâng đợt ngày 21-22/12/2017 tại:

(a)- trạm Hòn Dấu; (b)- trạm Hòn Ngư 106

Hình 4.21 So sánh mực nước tính toán từ mô hình với số liệu quan trắc

tại trạm Hòn Dấu (a) và Hòn Ngư (b) 106

Hình 4.22 Hình thế thời tiết lúc 19 giờ ngày 21/12/2017 (a) và phân bố

nước dâng trong vịnh Bắc Bộ đợt nước dâng ngày 21-22/12/2017 107

Hình 4.23 Phân bố nước dâng trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ

theo gió trung bình các tháng 110

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Nguy cơ nước dâng do bão và mực nước tổng cộng trong bão

cho các khu vực trong vùng biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 25

Bảng 2.1 Thông tin về trạm quan trắc và thời gian thu thập số liệu mực nước

tại Hòn Dấu, Hòn Ngư và Sơn Trà 28

Bảng 2.2 Thông tin về bão Doksuri-17 được thu thập trên trang JMA

của Nhật Bản 30

Bảng 2.3 Số liệu tái phân tích được thu thập tại mực 10 m lúc 00 giờ

(UTC) ngày 27/9/2012 32

Bảng 2.4 Miền tính và độ phân giải lưới tính 43

Bảng 3.1 Thống kê số cơn bão/ ATNĐ xuất hiện trên Biển Đông theo tốc độ

gió bão trong giai đoạn từ 1960-2018 51

Bảng 3.2a Bộ hằng số điều hòa tại trạm Hòn Dấu 55

Bảng 3.2b Bộ hằng số điều hòa tại trạm Hòn Ngư 55

Bảng 3.2c Bộ hằng số điều hòa tại trạm Sơn Trà 55

Bảng 3.3a Số đợt nước dâng theo cấp độ dâng và tháng tại trạm Hòn Dấu

(trong thời gian từ 1960 - 2018) 57

Bảng 3.3b Số đợt nước dâng theo cấp độ dâng và tháng tại trạm Hòn Ngư

(trong thời gian từ 1961 - 2018) 57

Bảng 3.3c Số đợt nước dâng theo cấp độ dâng và tháng tại trạm Sơn Trà

(trong thời gian từ 1980 - 2018) 58

Bảng 3.4 Tần suất xuất hiện nước dâng do các nguyên nhân tại các trạm

trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 61

Bảng 3.5a Thống kê các đợt nước dâng có độ lớn nước dâng lớn nhất

đạt từ 100 cm trở lên tại trạm Hòn Dấu trong thời gian từ 1960 - 2018 62

Bảng 3.5b Thống kê các đợt nước dâng có độ lớn nước dâng lớn nhất

đạt từ 100 cm trở lên tại trạm Hòn Ngư trong thời gian từ 1961 - 2018 63

Bảng 3.5c Thống kê các đợt nước dâng có độ lớn nước dâng lớn nhất

đạt từ 100 cm trở lên tại trạm Sơn Trà trong thời giưn từ 1980 - 2018 68

Bảng 3.6 Nước dâng đạt đỉnh có độ lớn  50 cm xuất hiện trước khi bão

đổ bộ nhiều giờ trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 71

Bảng 3.7 Nước dâng đạt đỉnh có độ lớn  50 cm xuất hiện sau khi bão

đổ bộ nhiều giờ trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 73

Bảng 3.8 Nước dâng do gió mùa tại các trạm hải văn trong khu vực

biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 74

Bảng 4.1 Danh sách các cơn bão sử dụng để tính toán lan truyền nước dâng

trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ 96

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu hiện nay trên phạm vi toàn cầu đang diễn ra rất phức tạp và hậu quả của nó là tạo nên sự thay đổi của mực nước biển và đại dương, tác động rất lớn đến công tác phòng tránh thiên tai, quy hoạch, phát triển và an ninh quốc phòng vùng ven bờ Một trong những ảnh hưởng quan trọng của sự biến đổi khí hậu là xuất hiện các cơn bão có cường độ rất mạnh/ siêu bão đổ bộ vào ven biển và sự thay đổi bất thường của các yếu tố khí tượng Kèm theo đó là hiện tượng nước dâng ở vùng ven bờ gây ngập úng ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của dân cư các tỉnh ven biển, gây trở ngại rất lớn trong công tác phòng, chống thiên tai tại các địa phương

Độ lớn của nước dâng tùy thuộc vào cường độ, hướng đi và tốc độ di chuyển của tâm bão và đặc biệt là phụ thuộc vào địa hình đáy biển và hình thái bờ khu vực bão đổ bộ Độ lớn nước dâng bão đã từng ghi được ở các vùng ven biển trên thế giới có thể đạt từ 3 - 6 m, thậm chí đến cả chục mét

Sử sách đã ghi lại nhiều thảm họa của nhân loại do nước dâng bão gây nên, xảy ra vào đúng lúc nước lớn (triều cường), cùng với sóng trong bão có độ cao cỡ đến hơn chục mét, tổng hợp lại thì tai họa thật khôn lường Một vài thảm họa lớn có thể kể đến là:

Tháng 1/1953 một cơn bão lớn đã gây ra ngập lụt nặng nề cho cả một khu vực rộng lớn bao gồm Hà Lan, Đan Mạch, Anh và Scotland Nước dâng xảy ra vào lúc triều cao, áp suất thấp đã tạo ra mực nước biển cao hơn 5.6 m ở một số địa phương Hàng nghìn người đã chết hoặc mất tích trong thảm họa nước dâng vào thời điểm triều cường này [25]

Gần đây hơn, cơn bão Katrina (2005) đổ bộ vào thành phố New Orleans, bang Louisiana, Hoa Kỳ với tốc độ gió trong bão lên tới 70 m/s, gây nước dâng tới 6 m, làm chết 1.800 người (chủ yếu do nước dâng gây ngập lụt) và làm thiệt hại tới 81 tỷ đô la [22]

Bão Nargis (2008) đổ bộ vào Myanmar, đây là cơn bão gây thương vong về người nhiều nhất trong lịch sử Myanmar, số người chết và mất tích lên tới hơn 100 nghìn người, thiệt hại khoảng 10 tỷ đô la [23]

Siêu bão Haiyan cấp 17 (2013) tràn vào phía đông Phillipines đã gây ra nước dâng bão tới 5 m, làm 6.300 người chết, phá hủy gần 90% thành phố Tacloban, thiệt hại về tài sản lên đến hàng tỷ đô la [46]

Theo đánh giá của Cơ quan Khí tượng Nhật Bản, Việt Nam là một trong những nước có nguy cơ nước dâng cao trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dương [37] Đặc biệt là tại dải ven bờ vịnh Bắc Bộ, đây là nơi có nhiều bão hoạt động mạnh, có địa hình ven bờ nông và đáy thoải, như trên hình 1a Độ lớn của nước dâng do bão ở Việt Nam (từ vĩ tuyến 160

N trở lên) thuộc loại lớn, rất nguy hiểm (nước dâng lớn nhất đã đo được là 3.6 m và mực nước tổng cộng là 5.8 m tại Cửa Hội do cơn bão Dan-89 gây ra) [14], như trên hình 1b

Hình 1 a- Phân bố bão và nguy cơ nước dâng do bão tại các khu vực ven biển Việt Nam và b- Độ lớn nước dâng do bão đã xảy ra và có thể xảy ra theo từng

đoạn bờ biển Việt Nam [14]

Nguy cơ ND cao (nhiều bão + biển

nông)

Nguy cơ ND thấp (ít bão + biển sâu)

Nguy cơ ND thấp (ít bão + biển nông)Số lượng bão

Vùng biển ven bờ vịnh Bắc Bộ là nơi tập trung dân cư và có nhiều hoạt động kinh tế - xã hội quan trọng Đây cũng là một trong những khu vực thường xuyên phải đối mặt với rủi ro thiên tai có nguồn gốc khí tượng thủy văn như bão, gió mùa và nước dâng Trong quá khứ, có nhiều cơn bão mạnh đổ bộ và gây nước dâng rất cao trên dải ven bờ vịnh Bắc Bộ, như bão Kelly (1981) gây nước dâng tại Lệch Gép - Nghệ An là 3.3 m; bão Ceicil (1985) gây nước dâng 2.5 m tại Thừa Thiên Huế đã gây ra ngập lụt một diện rộng dọc bờ biển miền Trung và cướp đi sinh mạng khoảng một nghìn người; bão Frankie (1986) gây nước dâng tới 3.2 m tại Tiền Hải - Thái Bình; bão Dan (1989) gây nước dâng 3.6 m tại Cửa Việt, là mức nước dâng bão cao nhất đã đo được ở ven bờ Việt Nam từ trước đến nay đã làm thiệt mạng 350 người và mất tích 600 người; bão Niki (1996) gây nước dâng 3.1 m tại Hải Hậu - Nam Định [14]

Tại Việt Nam, nghiên cứu về nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước khi bão đổ bộ (nước dâng trước bão) hoặc sau khi bão đã đổ bộ (nước dâng sau bão) và nước dâng do gió mùa chưa được quan tâm nhiều Tuy nhiên, có nhiều đợt nước dâng khá cao (trên 0.5 m) mà nguyên nhân chưa được phân tích làm rõ, trong đó phải kể đến hiện tượng nước dâng rất cao xảy ra vào ngày 20/9/2005, tức là trước thời điểm bão Damrey đổ bộ 10 ngày, cả trạm Hòn Dấu và Hòn Ngư đều ghi nhận nước dâng cao trên 1 m mà không rõ nguyên nhân; hiện tượng nước dâng cao tại trạm Hòn Dấu sau khi bão Kalmaegy-14 đã đổ bộ vào ven biển Quảng Ninh Nước dâng trên 1.1 m xảy ra đúng lúc thủy triều lên cao đã gây ngập lụt nặng nề tại một số tuyến đường thành phố Hạ Long (Quảng Ninh), như trên hình 2a Làm ngập toàn bộ tuyến đường tại khu 1 (dài gần 1 km), tràn vào các nhà hàng, khách sạn và chảy ngược vào các khu dân cư phường Ngọc Hải, quận Đồ Sơn (Hải Phòng), như trên hình 2b

Hình 2 Ngập lụt do nước dâng bão Kalmaegy-14 kết hợp với triều cường tại:

a- TP Hạ Long (Nguồn báo Vietnamnet) và b- Đồ Sơn (Nguồn báo Đầu tư)

Hiện tượng triều cường xảy ra tại vùng biển Nghệ An, xuất hiện trong đợt hoạt động của gió mùa đông bắc trên Biển Đông từ ngày 26/10-02/11/2017, đã gây ngập lụt nặng nề tại khu vực ven biển Cửa Lò-Nghệ An, như trên hình 3

Hình 3 Hình ảnh ngập lụt do nước dâng do gió mùa trong đợt triều cường

ngày 31/10/2017 tại Cửa Lò-Nghệ An (Nguồn: Báo công an nhân dân)

Có thể vẫn còn rất nhiều đợt nước dâng cao bất thường xuất hiện mà nguyên nhân gây nên vẫn chưa được làm rõ Nhất là trong bối cảnh biến đổi khí hậu khi được nhận định sẽ có nhiều cơn bão mạnh/ siêu bão với diễn biến bất thường ảnh hưởng tới dải ven bờ biển của Việt Nam

Với những phân tích ở trên, cho thấy: cần thiết phải nghiên cứu về hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước hoặc sau khi bão đã đổ bộ và nước dâng do gió mùa trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ để làm rõ nguyên nhân, nhằm giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai và nâng cao chất lượng trong công tác phòng chống lụt, bão gây ra trên dải ven biển nước ta

2 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Luận án “Nghiên cứu đặc điểm nước dâng do bão và gió mùa khu

vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ” được lựa chọn với mục tiêu sau:

- Phân tích đặc điểm nước dâng do bão và gió mùa khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ

- Xác định nguyên nhân gây nên hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Nước dâng do bão và nước dâng do gió mùa - Phạm vi nghiên cứu: khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ (từ vĩ độ 16o00’N - 21o30’N, từ kinh độ 105o40’E - 110o00’E)

4 Điểm mới của luận án

- Dựa trên chuỗi số liệu quan trắc mực nước đầy đủ và cập nhật (đến tháng 12 năm 2018), đã xác định các đặc trưng thống kê nước dâng về quy mô, tần suất theo các nguyên nhân như bão, gió mùa Trong đó, tần suất xuất hiện nước dâng do bão/ ATNĐ là 64.5 %; do gió mùa là 26.1 %; do các nguyên nhân khác là 9.4 %

- Xác định được những nguyên nhân và cơ chế gây ra cực đại nước dâng xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ vào vùng bờ từ kết quả của mô hình số trị Một trong những nguyên nhân gây ra nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ là do sự tồn tại của trường gió tây nam từ cấp 7 trở lên Ngoài ra còn do sự lan truyền và phản xạ nước dâng trong vịnh Bắc Bộ

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: góp phần hoàn thiện nghiên cứu nước dâng, phân tích làm rõ nguyên nhân của hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ, phân tích đặc điểm nước dâng do gió mùa khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ

- Ý nghĩa thực tiễn: nhằm đánh giá độ lớn nước dâng theo thời gian và không gian phục vụ xây dựng các phương án ứng phó với thiên tai nước dâng, ngoài ra còn sử dụng thông tin trong quy hoạch, thiết kế và xây dựng công trình ven bờ biển

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được trình bày trong 4 chương:

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 vấn 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 trị sử dụng nghiên cứu hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đổ 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 đổ 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 đổ bộ nhiều giờ và các kết quả tính toán mô phỏng nước dâng do gió mùa

Chương 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC DÂNG

Chương này sẽ 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

1.1 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 biểu đồ (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 này 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

Để 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 để mô phỏng các hiện tượng tự nhiên và sử dụng số liệu đo đạc không cần quá dài để hiệu chỉnh và kiểm định mô hình tính toán Từ đó xây dựng bức tranh hình thành và diễn biến của các hiện tượng trong quá khứ,

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 để 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 vị trí, gió cực đại, bán kính gió cực đại và độ giảm áp tại tâm bão Hướng và tốc độ di chuyển 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 biển của thành phố Atlantic, Hoa Kỳ Đến năm 1971 Nickerson và các cộng sự đã hoàn thiện mô hình của mình và được Cơ quan Nghiên cứu Khí tượng Hải dương Hoa Kỳ chấp thuận đưa vào dự báo nghiệp vụ [38]

Năm 1972, Jelesnianski đã xây dựng mô hình SPLASH (sau đó phát triển thành mô hình SLOSH) dùng để mô phỏng nước dâng bão cho khu vực ven biển Đây là mô hình có miền tính bao phủ nhiều tiểu vùng như thềm lục địa, thủy vực nằm sâu trong đất liền và một số vùng ven bờ Tất 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 để 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]

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 quyển được lấy từ kết quả mô hình dự báo khí tượng phi thủy tĩnh của JMA hoặc có thể 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 chuyển nhanh nhất (với xác suất 70 %); Quỹ đạo dự báo nhưng di chuyển 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, tổng hợp và đưa vào bản tin dự báo

Không chỉ 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 thể kể đến các công trình của Sinha và cộng sự (2009) [41], Wang và cộng sự (1997) [44] Đáng 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-

06 đã gây ra nước dâng lớn hơn 5 m ở ven biển Phillipines, cơn bão 07 gây ra nước dâng 1.5 m ở vùng biển ven bờ Quảng Bình - Quảng Trị của Việt Nam Các kết quả tính từ mô hình khá sát với số liệu thực đo [41]

Lekima-Nước dâng do bão phần lớn xuất hiện và đạt đỉnh vào thời điểm bão đổ bộ Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp đã ghi nhận hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước khi bão đổ bộ nhiều giờ (nước dâng trước bão - fore runner surge) hoặc sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ (nước dâng sau bão - after runner surge) Trong đó, hiện tượng nước dâng sau khi bão đã đổ 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 đổ 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 đổ 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 đổ bộ nhiều giờ như: bão Iker-08 đổ 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 đổ bộ nhiều giờ có thể do: Tác động của hình thế gió, khí áp trước và sau khi bão đổ 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 tại tâm là 925 mb, vận tốc gió lớn nhất đạt 47 m/s) đổ 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 WRF; có và không xét tới ảnh hưởng của thủy triều, sóng và hiệu ứng Ekman) Kết quả cho thấy, dọc bờ biển Tottori-Nhật Bản đã xảy ra hiện tượng nước dâng đạt đỉnh sau bão với thời gian xuất hiện

sau khi bão đã đổ 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 đổ bộ nhiều giờ và trường gió, khí áp tính từ mô hình WRF cho kết quả phù hợp hơn mô hình bão giải tích

Nghiên cứu của Kenedy và cộng sự (2011) [32], về hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện trước khi bão Iker-08 đổ bộ nhiều giờ vào bắc Bang Texas cho thấy: ngoài hiệu ứng Ekman, địa hình khu vực có ảnh hưởng mạnh đến cơ chế gây nước dâng trước khi bão đổ bộ nhiều giờ

Ngoài hiện tượng nước dâng do bão/ ATNĐ, tại nhiều khu vực trên thế giới khi gió có vận tốc lớn, thổi theo hướng ổn định và kéo dài cũng gây nước dâng đáng kể Chính vì vậy, nước dâng trong các đợt gió mùa gần đây đã được tập trung nghiên cứu, nhất là tại những khu vực có biên độ thủy triều lớn, chỉ cần nước dâng cỡ vài chục centimet xuất hiện vào kỳ triều cường cũng có thể gây ngập trên diện rộng… Nước dâng do gió được thể hiện theo 3 cơ chế: tác động trực tiếp từ ứng suất gió trên bề mặt biển; tác động gián tiếp qua ứng suất sóng; và do hiệu ứng Ekman Tuy nhiên, từ số liệu quan trắc thực tế, việc xác định mức độ đóng góp của nước dâng do cơ chế nào gây nên là rất khó Người ta chỉ có thể xác định thông qua kết quả mô phỏng cho từng thành phần Nước dâng do tác động trực tiếp từ ứng suất gió thường chỉ lớn với trường hợp gió trong bão, áp thấp nhiệt đới hoặc gió mùa có cường độ mạnh và thổi ổn định theo hướng vuông góc với đường bờ (nghiên cứu của Phạm Văn Ninh năm 2000 [14]) Nước dâng do ứng suất gió đã được nghiên cứu nhiều, nhất là trong bão và gió mùa như nghiên cứu của Mastenbroek và cộng sự (1993); Lin và cộng sự (2002); Sooyoul Kim và cộng sự (2008, 2010); Chen và cộng sự (2008); Wei và cộng sự (2017) Với nước dâng do sóng, công trình nghiên cứu của Sooyoul Kim và cộng sự (2010) [34] đã khẳng định nước dâng gây bởi ứng suất sóng có thể chiếm tới 35% mực nước

dâng tổng cộng trong bão Rất nhiều nghiên cứu cũng đã khẳng định nước dâng do sóng cao thường ở tại các khu vực ven bờ có độ dốc lớn như nghiên cứu của Forbes và cộng sự (2014) [24]; Sooyoul Kim và cộng sự (2010) [34] Chính vì vậy, tại nhiều khu vực ven biển với độ dốc địa hình lớn và hướng gió thịnh hành vuông góc với đường bờ nước dâng trong các đợt gió mùa có thể cao tới 1,0 m Nghiên cứu của Pavel Tkalich và cộng sự (2013) [39] cho thấy: tại trạm thủy triều Tanjong Pagar-Singapore, nước dâng do gió mùa đông bắc trên Biển Đông cao khoảng 30 cm, cực đại tới 50 cm và do gió mùa tây nam cao khoảng 20 cm, cực đại tới 30 cm

Malaysia là đất nước ít chịu ảnh hưởng của bão, tuy nhiên trong nhiều đợt gió mùa đông bắc hoạt động mạnh và kéo dài, một số khu vực ven biển bên phía Biển Đông cũng ghi nhận nước dâng do gió mùa cao tới 50 cm Chính vì vậy, mô hình kết hợp thủy triều và nước dâng do gió mùa (mô hình TIDE-2D and TUNA-SU) được xây dựng để phục vụ dự báo, cảnh báo ngập lụt do triều cường vào các tháng cuối năm tại Malaysia (nghiên cứu của Ping-Tung Shaw và cộng sự năm 1998 [40]) Tại Nhật Bản, ngoài hệ thống cảnh báo, dự báo hiện tượng nước dâng do nhiễu động khí áp và nước dâng do bão/ ATNĐ, cơ quan Khí tượng Nhật Bản đã xây dựng hệ thống dự báo nghiệp vụ nước dâng do gió mùa, được chạy tự động liên tục, dự báo thực hiện cho 48 giờ tại các khoảng thời gian 02 và 09 giờ UTC Công nghệ dự báo nước dâng do gió mùa tại Nhật Bản là sự kết hợp của mô hình dự báo khí tượng GMS và mô hình hải dương MRI-Surge

Tại các nước Bắc Âu như Na Uy, Thụy Điển, Đan Mạch, nơi có hoạt động của không khí lạnh với cường độ mạnh quanh năm, gây nước dâng và sóng lớn nên ngoài việc dự báo, cảnh báo thời tiết nguy hiểm trên biển như gió mạnh, sóng lớn, dông, lốc, nước dâng do không khí lạnh cũng được dự báo nghiệp vụ với 2 phiên một ngày Nước dâng dự báo kết hợp với thủy triều

dự tính đưa vào cảnh báo ngập lụt tại một số khu vực Công nghệ dự báo nước dâng do gió mạnh tại đây sử dụng sản phẩm dự báo khí tượng của Cơ quan Khí tượng hạn vừa Châu Âu kết hợp với mô hình ROMS-2D, độ phân giải của lưới tính chi tiết tới 1,0 km cho khu vực ven bờ

Như vậy, nghiên cứu nước dâng do các nguyên nhân khác nhau ở nước ngoài được tập trung nghiên cứu đa dạng, các kết quả nghiên cứu phản ánh đầy đủ và chi tiết dựa trên các phương pháp từ thô sơ đến hiện đại được áp dụng thực tế tại nhiều nước trên thế giới Các nước phát triển sớm nhận định về sự nguy hiểm của hiện tượng nước dâng và đã phát triển các phương pháp nghiên cứu nhằm nghiên cứu chuyên sâu cũng như xây dựng các quy trình, công nghệ dự báo nước dâng, góp phần làm giảm nhẹ thiên tai và phòng chống bão lũ tại các nước trên thế giới

1.2 Nghiên cứu nước dâng ở trong nước

Nghiên cứu về nước dâng do bão/ ATNĐ, song song với hướng nghiên cứu bằng phương pháp đo đạc thực địa, ở nước ta đã có các nghiên cứu bằng phương pháp số trị từ những năm 70 của thế kỷ trước Trong đó phải kể đến các nghiên cứu, như: đề tài “Thủy triều Biển Đông và sự dâng lên của mực nước biển ven bờ Việt Nam” KT.03.03 (1991 - 1995) do GS.TS Nguyễn Ngọc Thụy làm chủ nhiệm; đề tài “Cơ sở khoa học và các đặc trưng kỹ thuật đới bờ phục vụ yêu cầu xây dựng công trình biển ven bờ” KHCN.06.10 (1996-2000) do GS.TSKH Phạm Văn Ninh và PGS.TS Đỗ Ngọc Quỳnh làm chủ nhiệm; đề tài “ Đánh giá biến động mực nước biển cực trị do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu phục vụ chiến lược phát triển kinh tế biển” KC09.23/06-10 do GS.TS Đinh Văn Ưu làm chủ nhiệm; đề tài cấp nhà nước “Xây dựng công nghệ dự báo liên hoàn bão, nước dâng và sóng ở Việt Nam bằng mô hình số với thời gian dự báo trước 3 ngày” KHCN-08-05 do GS.TS Trần Tân Tiến làm chủ nhiệm (2010) [16] Các nghiên cứu này, đã thiết lập được các mô hình số trị thủy động mô tả và dự báo hiện tượng nước dâng do bão, đã

tập trung nghiên cứu những vấn đề về đặc trưng chế độ, công nghệ dự báo, về tần suất xuất hiện và nguy cơ ngập lụt do nước dâng bão trong Biển Đông nói chung và các vùng biển ven bờ Việt Nam nói riêng

Trong thời gian gần đây, với sự tiếp cận được các phần mềm chuyên ngành trên thế giới và tự xây dựng mô hình của các tác giả trong nước, nghiên cứu về nước dâng bão và các vấn đề có liên quan ở Việt Nam được mở rộng ra đáng kể Các nghiên cứu cho ra một số kết quả có tính riêng biệt, như nghiên cứu của: Nguyễn Thế Tưởng và cộng sự (2007) [20]; Đinh Văn Ưu (2015) [21]; Vũ Thị Thu Thủy (2003) đã sử dụng phần mềm Delft-3D để thiết lập mô hình số trị tính toán nước dâng bão kết hợp thủy triều trong Biển Đông [42] Các nghiên cứu nước dâng bão bằng việc tự xây dựng mô hình đều đáp ứng được yêu cầu của dự báo về độ chính xác và tính kịp thời trong dự báo như công trình nghiên cứu của Đinh Văn Mạnh và cộng sự (2009, 2010, 2012, 2018) [7, 8, 9, 10, 11]

Các nghiên cứu gần đây hơn, vẫn theo hướng sử dụng những phần mềm thương mại có sẵn để nghiên cứu mọi khía cạnh của nước dâng bão có thể kể đến các công trình của Đỗ Đình Chiến (2015) [2] sử dụng mô hình SuWAT của Nhật Bản và SWAN để nghiên cứu nước dâng bão có xét đến ảnh hưởng của thủy triều và sóng biển bằng mô hình tích hợp, xây dựng và đánh giá chu kỳ lặp nhiều năm của độ cao nước dâng cho vùng ven biển miền Trung từ Quảng Bình đến Quảng Nam; Lê Trọng Đào và Nguyễn Bá Thủy (2001) [4] sử dụng chương trình dự báo nước dâng bão của Viện Thủy lực Delft, Hà Lan; Nguyễn Thọ Sáo (2001) [15], sử dụng kết quả của mô hình RAMS, tính toán dự báo nước dâng do bão

Các nghiên cứu về đặc trưng chế độ nước dâng bão trong dải ven biển nước ta cũng đã được tiến hành như trong các nghiên cứu của Đinh Văn Mạnh và cộng sự (2009, 2010) [7, 8, 9], Phạm Văn Ninh và cộng sự (1991)

[13] Trong các công trình này, các tác giả đã tự xây dựng mô hình số trị để nghiên cứu các đặc trưng chế độ về thủy triều và nước dâng bão vùng biển ven bờ Việt Nam Trên cơ sở đó đã tính toán các thông số về cao độ mực nước (suất đảm bảo, chu kỳ lặp lại) làm điều kiện đầu vào cho việc thiết kế các công trình bảo vệ bờ, công trình ven bờ biển của Việt Nam (đã được sử

dụng trong tài liệu “Tiêu chuẩn kĩ thuật thiết kế đê biển” do Bộ Nông nghiệp

và Phát triển Nông thôn phát hành năm 2012) [11]

Các nghiên cứu về nước dâng bão tại khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ như: nghiên cứu của Lê Trọng Đào và cộng sự (1999) [3] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán đồng thời thuỷ triều và nước dâng bão nhằm tính toán thuỷ triều và nước dâng do bão cho vịnh Bắc Bộ Kết quả đã cho thấy, do khu vực có độ lớn thủy triều lớn (nhiều vị trí tới 4 m) nên ảnh hưởng của thủy triều tới nước dâng bão ở đây là đáng kể, trong tính toán và dự báo nước dâng bão ở vịnh Bắc Bộ cần xét đến ảnh hưởng của thủy triều Nghiên cứu của Nguyễn Vũ Thắng (1999) [18] cũng sử dụng phương pháp này để tính toán và dự báo nước dâng do bão cho khu vực ven biển Hải Phòng và đã có được những kết quả ban đầu cũng như đưa ra quy trình xây dựng sơ đồ dự báo nước dâng do bão cho khu vực Mặc dù đây là những nghiên cứu đầu tiên về nước dâng bão bằng mô hình số trị theo phương pháp phần tử hữu hạn nhưng đã đạt kết quả rất khích lệ Gần đây phải kể đến nghiên cứu của Nguyễn Xuân Hiển và cộng sự (2012): đánh giá ảnh hưởng của thủy triều đến nước dâng do bão ven biển Hải Phòng Nghiên cứu của Nguyễn Xuân Hiển (2013) [5] sử dụng mô hình ADCIRC của Mỹ, SWAN của Hà Lan để nghiên cứu nước dâng do bão và nước dâng do sóng trong bão cho khu vực biển ven bờ Hải Phòng

Trên cơ sở các nghiên cứu về nước dâng do bão và thủy triều xảy ra tại các khu vực ven biển của Việt Nam, cũng như đánh giá các nhân tố ảnh

hưởng đến nước dâng do bão, tốc độ gió lớn nhất trong bão, hướng di chuyển của bão, áp suất khí quyển, địa hình khu vực, hướng bờ và biên độ thủy triều Có thể nhận định về nguy cơ nước dâng do bão, nước dâng tổng cộng trong bão ở các khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ như sau, thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Nguy cơ nước dâng do bão và mực nước tổng cộng trong bão

cho các khu vực trong vùng biển ven bờ vịnh Bắc Bộ [1]

( Công bố kết quả phân vùng bão, xác định nguy cơ bão, nước dâng do bão và phân vùng gió cho các vùng sâu trong đất liền khi bão mạnh, siêu bão đổ bộ - Ban hành kèm

theo Quyết định số 2901/QĐ-BTNMT Ngày 16 tháng 12 năm 2016 của Bộ trưởng

Bộ Tài nguyên và Môi trường )

Vùng biển ven bờ vịnh Bắc Bộ

Nước dâng bão cao nhất

đã xảy ra

[m]

Nước dâng do bão cao nhất có thể xảy ra

[m]

Biên độ triều lớn nhất

[m]

Mực nước tổng cộng trong bão có thể xảy ra [m]

Quảng Ninh - Thanh Hóa 3.5 4.9 1.7 - 2.0 6.6 - 6.9 Nghệ An -Thừa Thiên Huế:

- Nghệ An - Hà Tĩnh - Quảng Bình - T T Huế

4.5 3.9

5.0 4.2

1.2 - 1.7 0.5 - 1.2

6.2 - 6.7 4.7 - 5.4

Cho đến nay, nghiên cứu về hiện tượng nước dâng do gió mùa cũng chưa được quan tâm nghiên cứu nhiều tại Việt Nam và hiện tại chưa có quy trình công nghệ dự báo nghiệp vụ về hiện tượng này Theo kết quả nghiên cứu của đề tài 48B.02.02 thì ngoài bão, gió mùa cũng gây ra nước dâng đáng kể Tại Việt Nam trong những đợt gió mùa mạnh (cấp 6-7) và kéo dài 2 đến 3 ngày cũng gây ra nước dâng khoảng từ 30-40 cm, có khi cao hơn Nghiên cứu này còn cho thấy: Trường gió đông về mùa hè gây nước dâng lớn hơn các trường gió khác ở các vùng biển đồng bằng Bắc Bộ và Nam Bộ, giá trị đạt tới 40 cm [13]

Nghiên cứu của Bùi Xuân Thông (2007) [19] trong đề tài “Nghiên cứu hiện tượng mực nước biển dâng dị thường không phải do bão xảy ra tại các vùng cửa sông ven biển Việt Nam” và các thông tin được cập nhật gần đây nhất cho thấy: các đợt mực nước biển dâng cao trùng vào thời kỳ gió mùa đông bắc có cường độ mạnh duy trì nhiều ngày và tăng cường lấn sâu xuống phía nam; chưa có hiện tượng “Triều cường” xảy ra vào thời kỳ gió mùa tây nam

Với triều cường tại ven biển Nam Bộ, trong năm 2011, khi nghiên cứu 2 đợt triều cường gây nước dâng cao kỷ lục tại Thành phố Hồ Chí Minh qua số liệu ghi nhận được tại trạm quan trắc mực nước Phú An (đợt 1 vào 26-29/9/2011 và đợt 2 vào 25-31/10/2011), nhóm tác giả Phan Thanh Minh và cộng sự (2011) [12] đã thu thập các hình thế thời tiết trong những ngày này và đưa ra nhận định rằng hiện tượng triều cường tại Thành phố Hồ Chí Minh gắn liền với những ngày có gió mùa mạnh (gió chướng ở Nam Bộ), nguyên nhân chính là do không khí lạnh tăng cường gây ra các cơn sóng lớn đã dồn vào vùng cửa sông đẩy mực nước đỉnh triều dâng cao bất thường

Dựa theo số liệu phân tích mực nước nhiều năm tại các trạm hải văn và thủy văn cửa sông, tác giả Hoàng Trung Thành (2012) [17] đã chỉ ra rằng: thời gian của các đợt nước dâng chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi chế độ gió lớn nhất là trong mùa gió đông bắc; các đợt nước dâng nhỏ hơn 50 cm chiếm đại đa số; độ lớn của nước dâng trong các đợt gió mùa có thể đạt tới 30-40 cm

Nghiên cứu dao động của mực nước, tác giả Phạm Văn Huấn (2016) [6], đã nghiên cứu một số đặc trưng biến động của mực nước biển ven bờ Việt Nam bằng phương pháp phân tích xu thế và phương pháp phân tích cực trị Kết quả cho thấy: tốc độ dâng lên của mực nước biển ở toàn dải bờ biển Việt Nam khoảng 2-3 mm/ năm; kết quả phân tích các mực nước tần xuất hiếm có giá trị tham khảo tin cậy cao; quy mô chung của nước dâng ven bờ dao động khoảng từ 100 - 300 cm, có thể có những đợt nước dâng không liên quan tới hoạt động bão

Kết luận chương 1

Như vậy, hiện tượng nước dâng xảy ra ở vùng ven biển Việt Nam là một hiện tượng tự nhiên phổ biến và chủ yếu do bão/ ATNĐ và do gió mùa gây ra Đã có nhiều tác giả trong nước nghiên cứu về hiện tượng tự nhiên này và cho kết quả đáng khích lệ Tuy nhiên, để nâng cao chất lượng dự báo nước dâng cũng như xây dựng cơ sở dữ liệu về mực nước biển phục vụ công tác xây dựng, bảo vệ và phát triển bền vững vùng ven biển, cần phải có những nghiên cứu sâu thêm về hiện tượng tự nhiên phổ biến và nguy hiểm này

Đã có nhiều nghiên cứu về nước dâng bão tại Việt Nam bằng các phương pháp khác nhau: Từ việc khảo sát, đo đạc và phân tích thống kê đến việc sử dụng các chương trình, mô hình, phần mềm có mã nguồn mở cũng như các mô hình tự xây dựng của các tác giả trong nước Hiện nay mô hình số trị là phương pháp thông dụng hiện đại trong nghiên cứu tính toán mô phỏng nước dâng do bão, gió mùa

Hiện tượng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đổ bộ nhiều giờ đã gây nhiều thiệt hại do tính bất ngờ chưa dự báo, cảnh báo được và khác với quy luật thông thường Nhất là trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ, nơi có số lượng bão đổ bộ lớn nhất cả nước và ngày càng xuất hiện nhiều cơn bão rất mạnh/ siêu bão ảnh hưởng đến khu vực này Do vậy, nhiệm vụ đặt ra trong luận án là ứng dụng các mô hình số trị hiện đại ở ngoài nước (như mô hình SuWAT) để nghiên cứu tính toán và mô phỏng nước dâng đạt đỉnh xuất hiện sau khi bão đã đổ bộ nhiều giờ

Chương 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH,

TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG

Chương này sẽ trình bày về số liệu (nguồn gốc, thời gian thu thập, phương pháp thu thập); phương pháp tách nước dâng và mô hình số trị sử

dụng trong tính toán, phân tích nước dâng

2.1 Số liệu quan trắc mực nước, dữ liệu bão/ ATNĐ và gió mùa

2.1.1 Số liệu mực nước, gió và khí áp tại các trạm khí tượng hải văn

Để phục vụ phân tích các đặc điểm của nước dâng cũng như so sánh với kết quả tính toán nước dâng bằng mô hình số trị trong khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ, luận án đã thu thập số liệu mực nước quan trắc từng giờ tại 3 trạm hải văn trong khu vực, đó là các trạm Hòn Dấu (thời gian thu thập từ 1960 - 2018), Hòn Ngư (từ 1961 - 2018) và Sơn Trà (từ 1980 - 2018) Thông tin về trạm quan trắc, thời gian thu thập được thể hiện trên bảng 2.1 và trên hình 2.1 Trong đó, các giá trị mực nước từng giờ được tính theo đơn vị centimet (cm) so với mốc “0” trạm Đây là các trạm thuộc mạng lưới quan trắc khí tượng hải văn quốc gia và các số liệu đã được kiểm định tại Trung tâm Quan trắc Khí tượng Thủy văn thuộc Tổng cục Khí tượng Thủy văn trước khi đưa vào sử dụng Ngoài thu thập số liệu mực nước, số liệu gió và khí áp tại trạm Hòn Dấu và Hòn Ngư trong một số đợt nước dâng cũng được thu thập để phân tích diễn biến nước dâng và kiểm định các mô hình mô phỏng gió và khí áp (mô hình bão giải tích và mô hình dự báo số trị WRF)

Bảng 2.1 Thông tin về trạm quan trắc và thời gian thu thập số liệu mực nước

tại trạm Hòn Dấu, Hòn Ngư và Sơn Trà

[độ]

Vĩ độ

[độ]

Năm quan trắc

1 Hòn Dấu Đồ Sơn - TP Hải Phòng 106o48.00’20o40.00’ 1960-2018 2 Hòn Ngư Nghi Lộc - Nghệ An 105o46.00’ 18o48.00’ 1961-2018 3 Sơn Trà Sơn Trà - TP Đà Nẵng 108o13.00’ 16o06.00’ 1980-2018

Hình 2.1 Vị trí các trạm quan trắc mực nước trong khu vực biển

ven bờ vịnh Bắc Bộ

2.1.2 Dữ liệu bão/ ATNĐ

Thông tin về bão và ATNĐ được thu thập để xác định nguyên nhân các đợt nước dâng tại khu vực cũng như sử dụng mô phỏng trường gió và khí áp làm đầu vào cho mô hình tính nước dâng Dữ liệu bão/ ATNĐ trong khoảng thời gian từ 1960 - 2018 được thu thập trên trang web của Cơ quan khí tượng Nhật Bản (JMA - Japan Meteorological Agency) (website: https://www.jma.go.jp [48]) Ngoài ra, đối với những vị trí gần bờ của Việt Nam, số liệu phân tích bão của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia được thu thập để so sánh, đối chiếu với số liệu của JMA

Các thông tin về bão/ ATNĐ thu thập trên trang JMA của Nhật Bản, bao gồm: tên bão, số hiệu bão, thời gian tại từng vị trí tâm bão (theo giờ quốc tế UTC), kí hiệu cấp bão, tọa độ tâm bão, khí áp thấp nhất tại tâm bão, vận tốc gió cực đại, bán kính lớn nhất và nhỏ nhất của gió từ 50 knot và 30 knot Cấu trúc dữ liệu bão của JMA đối với trường hợp cơn bão Doksuri tháng 9/2017 được minh họa trên bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông tin về bão Doksuri-17 được thu thập trên

trang JMA của Nhật Bản [48] DOKSURI 20171107

(1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 17091000 002 2 143 1300 1004 000 17091006 002 2 144 1291 1004 000 17091012 002 2 144 1280 1004 000 17091018 002 2 144 1271 1004 000 17091100 002 2 147 1262 1004 000 17091106 002 2 147 1249 1002 000 17091112 002 2 147 1239 1002 000 17091118 002 2 146 1230 1002 000 17091200 002 2 144 1221 1002 000 (8) (9) (10) (11) 17091206 002 2 146 1207 1000 000

17091212 002 3 143 1195 998 035 00000 0000 90090 0090 17091218 002 3 147 1181 998 040 00000 0000 90120 0120 17091300 002 3 147 1172 996 040 00000 0000 90180 0180 17091306 002 3 153 1160 996 040 00000 0000 90180 0180 17091312 002 3 155 1146 996 040 00000 0000 10210 0180 17091318 002 4 159 1136 990 050 00000 0000 10240 0180 17091400 002 4 161 1122 980 055 90030 0030 80270 0180 17091406 002 5 164 1114 970 065 90040 0040 80270 0180 17091412 002 5 170 1098 955 080 90060 0060 80240 0150 17091418 002 5 174 1087 955 080 90075 0075 80240 0150 17091500 002 5 178 1074 955 080 90075 0075 80210 0150 17091506 002 5 177 1061 955 080 80075 0040 80210 0150 17091512 002 4 181 1047 980 060 90040 0040 80210 0150 17091518 002 3 183 1027 996 040 00000 0000 80210 0150 17091600 002 2 186 1010 1002 000

Trong bảng 2.2 bao gồm: cột (1) là thời gian (ngày, tháng, năm, giờ quốc tế UTC) với bước thời gian 06 giờ (0 giờ, 6 giờ, 12 giờ, 18 giờ); cột (2) là chỉ báo; cột (3) là kí hiệu cấp bão; cột (4) vĩ độ tại tâm bão, tính đến 0.1 độ; cột (5) kinh độ tại tâm bão, tính đến 0.1 độ; cột (6) là khí áp thấp nhất tại tâm bão tính bằng milibar (mb); cột (7) là vận tốc gió cực đại tính bằng knot (kt); cột (8) bán kính lớn nhất của gió 50 kt; cột (9) là bán kính nhỏ nhất của gió 50 kt; cột (10) bán kính lớn nhất của gió 30 kt; cột (11) là bán kính nhỏ nhất của gió 30 kt

2.1.3 Dữ liệu gió mùa

Để phân tích, đánh giá nguyên nhân cũng như sử dụng mô phỏng nước dâng trong các đợt gió mùa tại khu vực biển ven bờ vịnh Bắc Bộ, luận án đã thu thập dữ liệu các đợt gió mùa (cấp 6 - 7 trở lên) từ số liệu tái phân tích của NCEP NCEP đã thực hiện các chương trình tái phân tích số liệu khác nhau nhằm mục đích thiết lập bộ số liệu toàn cầu cho các biến khí quyển khác nhau trên một thời đoạn dài Việc tái phân tích được thực hiện trên cơ sở sử dụng số liệu đầu vào từ các nguồn khác nhau như: số liệu quan trắc từ các trạm khí tượng, tàu biển, máy bay, bóng thám không và vệ tinh… Do vậy, các số liệu tái phân tích có độ tin cậy cao, đồng nhất Nguồn số liệu này đã được sử trong trong nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như tại Việt Nam

Bộ số liệu thu thập từ NCEP bao gồm các biến khí áp bề mặt biển (p), gió kinh hướng (u) và vĩ hướng (v) tại mực 10 m được cung cấp trên trang (website http://www.esrl.noaa.gov/psd [47]) Giá trị của các biến được trích xuất theo từng ốp thời gian vào 00 giờ, 06 giờ, 12 giờ và 18 giờ (giờ UTC), với độ phân giải lưới là 0.5 độ x 0.5 độ Luận án tiến hành trích xuất số liệu trên miền từ 5-25 vĩ độ Bắc, 105-125 kinh độ Đông với khoảng thời gian thu thập từ ngày 01/ 01/ 1960 đến ngày 31/ 12/ 2018 Minh họa về số liệu tái phân tích gió, khí áp tại mực 10 m của NCEP thể hiện trên bảng 2.3

Ngoài số liệu trường gió và khí áp thu thập tại các ốp từ NCEP, bộ số liệu trường gió trung bình tháng được cung cấp trên trang (website https://cds.climate.copernicus.eu/user/reset [49]) cũng đã được thu thập để mô phỏng nước dâng theo gió trung bình tháng, mùa Số liệu trung bình tháng bao gồm: gió kinh hướng (u) và vĩ hướng (v) tại mực 10 m

Bảng 2.3 Số liệu tái phân tích được thu thập tại mực 10 m

lúc 00 giờ (UTC) ngày 27/9/2012 [47]

2.2 Phương pháp phân tích, tính toán nước dâng

Trong mục này giới thiệu các phương phương pháp phân tích, tính toán nước dâng, bao gồm phương pháp tách nước dâng từ số liệu quan trắc mực nước biển, mô hình số trị mô phỏng nước dâng do bão/ ATNĐ và gió mùa (mô hình SuWAT), mô hình số trị dự báo khí tượng quy mô khu vực WRF và mô hình bão giải tích (Fujita)

2.2.1 Phương pháp tách nước dâng từ số liệu mực nước thực đo

Số liệu mực nước quan trắc mực nước tại các trạm hải văn thực chất là tổng hợp của hai thành phần: thủy triều và nước dâng (thành phần dư hoặc phi tuần hoàn) Với mục đích khảo sát riêng rẽ các đặc trưng về nước dâng nên cần thiết phải tách phần nước dâng ra khỏi giá trị mực nước tổng hợp Giá trị nước dâng thuần túy được sử dụng để phân tích, đánh giá đặc điểm nước dâng cũng như hiệu chỉnh và kiểm định các mô hình dự báo nước dâng do bão, áp thấp nhiệt đới và gió mùa

Với thành phần thủy triều, do là quá trình dao động của mực nước biển hoặc đại dương dưới tác động của các lực điều hòa, nên nghiên cứu thủy triều bằng phương pháp phân tích điều hòa là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa về khoa học cũng như thực tiễn Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới cũng như ở Việt Nam Kết quả của phương pháp này cho phép nhận được các hằng số điều hòa thủy triều tại từng vị trí nghiên cứu trên cơ sở phân tích các chuỗi số liệu đo đạc mực nước Từ đó rút ra các đặc trưng về chế độ, tính toán, dự báo hoặc làm cơ sở cho các bài toán nghiên cứu phân bố không gian của hiện tượng thủy triều Các hằng số điều hòa còn được sử dụng để hiệu chỉnh và kiểm tra mô hình tính thủy triều Đồng thời, từ các hằng số điều hòa thủy triều này sẽ dự tính được chuỗi dao động thủy triều cho nhiều năm

Có một số phương pháp phân tích điều hòa thủy triều như: phương pháp bình phương tối thiểu; phương pháp Doodson phân tích chuỗi mực nước một ngày để nhận được bốn sóng thủy triều M2,S2,K1,O1; phương pháp Franko phân tích chuỗi mực nước bảy ngày để nhận được tám sóng thủy triều chính M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1; phương pháp Darwin phân tích chuỗi mực nước 15 ngày hoặc 30 ngày để nhận được tám sóng chính và ba sóng bổ sung

644,MS , MM Thực hiện các phương pháp này đòi hỏi chuỗi quan trắc mực nước từng giờ liên tục, quá trình phân tích phải dựa theo các bảng biểu chuyên dụng và tra cứu các tham số thiên văn đã được bảng hóa

Hiện nay phương pháp phổ biến thường được áp dụng trong phân tích, tính toán thủy triều là phân tích điều hòa dựa trên phương pháp bình phương tối thiểu Phương pháp này cho phép phân tích chuỗi số liệu không liên tục

2.2.1.1 Phương pháp bình phương tối thiểu trong phân tích điều hòa thủy triều

Theo phương pháp phân tích điều hoà, độ cao thủy triều là tổ hợp tuyến tính của các sóng triều và phụ thuộc vào các tham số thiên văn theo thời gian Độ cao thủy triều thiên văn tại một thời điểm (t) được tính theo công thức:

i

iii

ii

(2.1)

Công thức tính độ cao thủy triều (2.1) được biến đổi về dạng thuận tiện cho việc phân tích điều hòa theo phương pháp bình phương tối thiểu bằng cách nhóm những đại lượng biến thiên theo thời gian và đưa ra các ký hiệu:

i

itiiti

10



Khi đó các hằng số điều hòa biên độ Hi và pha gi của các sóng triều thành phần được tính qua Xi và Yi như sau:

22

ii

iii

XYarctgg  ; với i1,2, ,n (2.3) Phân tích điều hòa thủy triều dựa trên phương pháp bình phương tối

thiểu là việc xác định các hằng số Ao, Hi và gi sao cho mực triều thiên văn ξt

phù hợp tốt nhất với các giá trị mực nước thực đo ξđ, tức là làm cho tổng các bình phương của hiệu mực nước quan trắc và mực triều thiên văn trong tất cả các quan trắc nhận giá trị cực tiểu, tức là:







nt

t

n

i

iii

ii

1

mincos

2

1

00



Khảo sát điều kiện cực tiểu của biểu thức (2.3) theo các biến Ao, Hi và gi bằng cách cho đạo hàm riêng theo từng biến bằng 0 sẽ rút ra một hệ phương trình đại số tuyến tính bậc 2n+1, trong đó n là số lượng các sóng triều được phân tích (từ M2 đến phân triều được quy ước ký hiệu là W) dạng:

0

NAX

(2.2)

(2.4)

















zb

za

zb

za

z

YXYXA

bba

bb

ba

bb

baa

ab

aa

aa

bba

bb

ba

bb

baa

ab

aa

aa

ba

ba

n

SMM

SMM

SM

M

SS

SM

SM

SS

MS

MM

MM

MM

MS

MM

MM

MM

SM

M

222

222

22

2

22

22

22

22

22

22

22

22

22

22

22

22

22

trong đó ký hiệu [.] chỉ phép lấy tổng theo thời gian từ t1 đến tn

Hệ phương trình (2.5) có thể giải bằng phương pháp lặp Gause-Zeidel, kết quả nhận được các giá trị A0, Xi và Yi với i thay đổi từ sóng triều M2 đến sóng triều W

2.2.1.2 Tách nước dâng từ số liệu thực đo

Trong trường hợp tại các vị trí đo đạc đã biết được các giá trị hằng số điều hòa, thành phần nước dâng tại thời điểm t sẽ được tính theo công thức:

)()()

trong đó: ξđ (t) là mực nước thực đo tại thời điểm t (m); ξt (t) là mực thủy triều

tại thời điểm t (m), được tính từ công thức 2.1; ξnd (t) là độ cao nước dâng (m)

Chương trình phân tích điều hòa và tách nước dâng được viết trên ngôn ngữ Fortran 90, được biên dịch và chạy trên các máy PC sử dụng hệ điều hành Windows Toàn bộ quy trình dự tính thủy triều và tách nước dâng từ số liệu thực đo được thực hiện theo sơ đồ, như trên hình 2.2

(2.6) (2.5)