nước dâng do bão trong cơn bão wungkong năm 2000

Các yếu tố chính gây ra nước dâng trong bão là sóng, gió, áp suất khí quyển và mưa… Ngoài ra, địa hình đáy biển và hình dạng đường bờ, nước lũ vùng cửa sông bão đổ bộ vào cũng ảnh hưởng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ HẢI DƯƠNG HỌC

-*** -BÁO CÁO KHOA HỌC TÍNH TOÁN NƯỚC DÂNG DO BÃO WUKONG

Người hướng dẫn: Th.S Hà Thanh Hương Sinh viên thực hiện: Trần Thị Thảo

Lớp:K57 Hải Dương Học MSV:12001682

Hà Nội - 2016ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

MỤC LỤC

Mở Đầu

Nước dâng do bão là hiện tượng mực nước biển dâng cao hơn mức bình thường (mực nước thủy triều) dưới tác động tổng hợp của nhiều nhân tố khi có bão Mặc dù khả năng xuất hiện không nhiều nhưng nó lại rất nguy hiểm do mực nước thường dâng cao

và bất ngờ Đặc biệt, trong thời kỳ triều cường, nước dâng do bão càng trở lên nguy hiểm hơn Các yếu tố chính gây ra nước dâng trong bão là sóng, gió, áp suất khí quyển

và mưa… Ngoài ra, địa hình đáy biển và hình dạng đường bờ, nước lũ vùng cửa sông bão đổ bộ vào cũng ảnh hưởng đáng kể đến nước dâng do bão

Nước dâng do bão là một hiện tượng tự nhiên nguy hiểm đối với các nước vùng ven biển, gây nhiều thiệt hại về người và của cải, làm cản trở các hoạt động của con người

và ảnh hưởng tới môi trường Ở Việt Nam, nước dâng bão cũng đã gây rất nhiều thiệt hại về người và của, nước dâng lớn nhất ghi nhận được trong cơn bão DAN tại Hải Phòng năm 1989 là 3,6m Trong lịch sử cũng đã ghi nhận nhiều thiệt hại do nước dâng

do bão gây ra Tháng 2 năm 1904 một cơn bão đổ bộ và Nam Bộ, gây ra nước dâng và sóng lớn đã cuốn trôi nhiều người và của cải Cơn bão số 2 năm 1981 đổ bộ vào Quỳnh Lưu – Nghệ An gây ra nước dâng rất lớn, nhiều nơi nước dâng cao 2,8 – 3,2 m, nơi cao nhất là Lạch Ghép trên 3,3 m Năm 1985 cơn bão Andy gây ra nước dâng cao nhất tại cửa Dĩnh (Quảng Bình) là 1,7 m và cơn bão Cecil gay ra nước dâng lớn nhất tại Mỹ Thủy (Thừa Thiên Huế) là 2,5 m Cơn bão Wayne năm 1986 gây ra nước dâng lớn nhất tại Trà Lý (Thái Bình) là 2,3 m Năm 1987, cơn bão Betty gay ra nước dâng lớn nhất tại Quỳnh Phượng (Nghệ An) là 2,5m Năm 1989, nước dâng lớn nhất do cơn bão Dot gây

ra tại Đồ Sơn (Hải Phòng) là 2,2m, cơn bão Irving gây ra tại Sầm Sơn (Thanh Hóa) là 2,9 m Năm 1996, cơn bão số 2 gây ra nước dâng cao nhất là 3,14 m ở đê Đông Minh (Tiền Hải – Thái Bình), cơn bão số 4 gây ra nước dâng cao nhất là 3,11 m tại Thịnh Long (Hải Hậu – Nam Định)

Nghiên cứu và dự báo nước dâng do bão đã và đang được quan tâm một cách hết sức đặc biệt Trên thế giới, đã có những phần mềm dự báo nước dâng hoặc đưa ra các toán đồ để dự báo trên cơ sở so sánh với các cơn bão chuẩn, Hiện nay, đã có những phần mềm thương mại dự báo nước dâng trên thế giới

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu toàn cầu, thiên tai ngày một gia tăng, đặc biệt là bão, kèm theo lũ lụt và nước dâng do bão Các thiên tai này, đã đang và sẽ gây ra những thiệt hại lớn về người và của Vì vậy, vấn

đề tính toán và dự báo nước dâng do bão có thể xẩy ra cho từng khu vực là một trong những biện pháp tích cực nhằm phòng tránh, đề ra những giải pháp cần thiết để giảm tối thiểu thiệt hại

Chương I: Nước dâng do bão

1.1 Khái niệm

Nước dâng do bão là hiện tượng nước biển dâng cao hơn mực nước triều do ảnh hưởng của bão Nước dâng xảy ra ở phía bên phải của tâm bão theo hướng đổ bộ vào đất liền, nước dâng cao nhất thường cách tâm bão từ 30 đến 70km Phạm vi nước dâng phụ thuộc phạm vi của cơn bão

Hiện tượng nước dâng do bão được gây nên khi một cơn bão di chuyển hướng vào

bờ tạo ra dồn nước tại bờ biển Nước dâng do bão là sự dâng cao của bề mặt nước biển trên mực nước nền do tác động của gió và áp suất của bão Nước dâng do bão thường xảy ra trên một đoạn bờ biển khoảng 160km hoặc hơn Ngoài khơi, mực nước tại tâm bão dâng do sự giảm áp suất tại tâm bão Mực nước tại tâm bão dâng theo quy luật khi

áp suất giảm 1 mb thì mực nước dâng 1 cm Khi bão đổ bộ vào bờ thì thủy triều, địa hình bờ, địa hình đáy, sự quay của trái đất, bán kính gió cực đại, tốc độ di chuyển của bão, mưa, dòng chảy sông đều là những yếu tố quan trọng quyết định độ dâng của mực nước Quá trình nước dâng xảy ra trong thời gian ngắn, nhưng bản chất của nó là sự truyền sóng dài

Hình 1 Một số mô phỏng nước dâng do bão

Ven biển phía Bắc Việt Nam có thể có nước dâng từ 2 – 3m, cá biệt có thể dâng cao hơn; ở phía Nam có thể có nước dâng từ 1 - 2m

Các mối đe dọa từ nước dâng do bão đến khu vực ven biển có thể trở nên nghiêm trọng hơn trong tương lai Thứ nhất, dân số tăng cao ở khu vực ven biển do sự phát triển tập trung của các ngành nghề như du lịch, dịch vụ, nuôi trồng và đánh bắt thủy hải sản Thứ hai, do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu thì cường độ và quỹ đạo các cơn bão có thể

sẽ khó dự báo hơn, không loại trừ cường độ bão mạnh hơn và nguy cơ ngập lụt cho các khu vực ven biển sẽ lớn hơn

1.2 Nguyên nhân dẫn đến nước dâng trong bão

Khi vận tốc gió vượt quá 74 mph (tương đương với 33 m/s, thường xảy ra trong bão lớn, cuồng phong) độ cao nước dâng rất đáng kể và gọi là nước dâng do bão Nước dâng

do bão là sự dâng mực nước thời đoạn ngắn để phản ứng với trường áp suất và trường ứng suất gió bão trên mặt biển Nước dâng do bão xảy ra trong thời kỳ triều cường trên nền nước cao là nguyên nhân gây ra những thiệt hại to lớn về người và của tại các khu vực bão đổ bộ và vùng lân cận Khi nước rút thường tạo vận tốc dòng chảy lớn gây xói

lở bờ Nước dâng/ rút do bão là một trong những hiện tượng tự nhiên nguy hiểm, nhưng người ta quan tâm đến nước dâng vì nó quyết định đến quy mô của các công trình ven bờ

- Tác động của độ giảm áp

Độ giảm áp trong các xoáy thuận nhiệt đới góp phần quan trọng và sự thay đổi mực nước biển Theo định luật thủy tĩnh thì:

P P − = ρ gh

Trong đó: h: độ cao mực biển

P: áp suất đáy, P0 : áp suất tại mặt yên tĩnh [N/m2] w

ρ : mật độ nước biển ( kg/m3) g: gia tốc trọng trường (m/s2)

Nếu P0 giảm đi một lượng

P

φ thì độ dâng mực nước

w

P h

g

φ

η φ

ρ

h

η φ=

là chênh lệch mực nước so với mực nước trung bình (

0

P

)

Lấy: w

ρ

= 1029 kg/m3

g = 9.81m/s2

Từ đó:

993* P m[ ]

với

P

φ tính bằng [N/m2+] Nếu

P

φ tính bằng milibar [mlb],

η

tính bằng cm thì:

993* P

Như vậy ta thấy nếu áp suất mặt biển giảm (hay tăng) 1mb thì mực biển tăng (hay giảm) xấp xỉ 1cm

- Tác động của gió và ảnh hưởng của độ sâu vùng bờ

Ở biển sâu hiệu ứng áp đóng vai trò quan trọng hơn việc hình thành nước dâng

Đối với vùng nước nông, gió đóng vai trò quan trọng hơn trong việc hình thành nước dâng Gió mạnh đẩy nước tràn lên bờ, nơi có độ sâu không lớn nên dòng chảy ngược lại biển bị cản trở do lực ma sát của dòng chảy với đáy biển Hay nói cách khác, lượng nước tràn lên bờ nhiều và chảy nhanh hơn so với lượng nước chảy ngược lại biển

Do vậy, kết quả của hiệu ứng gió và áp cho ta thấy rằng khi bão vào gần bờ, nước dâng

do bão phát triển mạnh và đạt cực đại ở ven bờ

Từ đây, có thể nói rằng những vùng thường chịu ảnh hưởng của nước dâng do bão là những vùng có thềm lục địa nông, rộng, những vịnh không sâu và ở những đảo được bao quanh là vùng biển nông

- Tác động của mưa

Những vùng bờ biển có mưa lớn trước khi bão đổ bộ thì có thể tạo ra sự kết hợp giữa nước mưa và nước dâng, tạo ra độ cao tổng cộng lớn

Chương 2 Mô hình ADCIRC

2.1 Giới thiệu chung về ADCIRC

Mô hình ADCIRC được xây dựng và phát triển bởi các trường đại học bang Carolina bao gồm đại học Notre Dame, đại học Oklahoma và đại học Texas nước Mỹ

Mô hình ADCIRC (Advanced Circulation Model for Oceanic) là một hệ thống những

mô hình giải các phương trình thủy động lực mô phỏng hoàn lưu tầng mặt và bài toán

thủy động lực hai hoặc ba chiều (http://www.adcirc.org/) Những chương trình này

dùng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép sử dụng các lưới phi cấu trúc có tính linh hoạt cao, đặc biệt có thể ứng dụng rất tốt cho các khu vực cửa sông ven biển có địa hình

và đường bờ phức tạp

2.2 Hệ phương trình cơ bản

a Các phương trình viết trong tọa độ Đề các

Các phương trình cơ bản bao gồm:

Phương trình liên tục:

0

ζ

Các phương trình bảo toàn động lượng:

( )

( )

sx bx

x x

sy by

Trong đó:

ζ là dao động mực nước

U, V là các vận tốc được lấy tích phân theo độ sâu theo hướng x và y

p là áp suất, H là độ sâu mực nước

Dx, Dy là các thành phần khuếch tán theo các phương

Bx, By là các thành phần gradient áp suất theo các phương, (η+γ): thế thuỷ triều Newton, thuỷ triều trái đất và các lực mang bản chất lực thuỷ triều

bx

τ τby

, là ứng suất đáy theo các hướng x và y 0

ρ

là mật độ tham chiếu của nước Ứng suất đáy trong phiên bản 2DDI của ADCIRC được biểu diễn như sau:

*

bx U

Tùy thuộc vào cách sử dụng, kết quả có thể là hàm tuyến tính, toàn phương hay tổ hợp của vận tốc trung bình theo độ sâu Đối với hầu hết những ứng dụng cho vùng ven

bờ, hàm ma sát toàn phương nên được sử dụng với hệ số ma sát C f ~0,0025 Trong vùng nước rất nông, ma sát tổ hợp có hiệu quả hơn, với C fmin ~ 0,0025, đặc biệt khi các

tham số khô và ướt được tính đến, khi đó biểu thức này giảm nhanh khi độ sâu nước trở nên nhỏ Ma sát tuyến tính chủ yếu sử dụng cho thử nghiệm mô hình hoặc khi mô hình

tuyến tính được chạy theo yêu cầu Trong trường hợp này, độ lớn của *

τ phải phù hợp (ít nhất là về độ lớn) với giá trị được sử dụng tính toán biểu thức ma sát toàn phương và

không phải với giá trị của

f

C

thông thường được sử dụng trong biểu thức toàn phương

Trong trường hợp sử dụng hàm tuyến tính:

* C f

τ =

Trong đó

f

C

= không đổi theo thời gian (có thể thay đổi theo không gian), đơn vị là

s-1

Trong trường hợp sử dụng hàm toàn phương:

2 2 1/2

*

f

H

Trong đó

f

C

= không đổi theo thời gian (có thể thay đổi theo không gian), không thứ nguyên

Hàm tổ hợp:

2 2 1/2

*

f

H

Trong đó

/ min(1 ( break) )

H

C C

H

θ γ θ

và

min

f

C

,

break

H

, ,

γ : không đổi theo thời gian

Trong tương quan hệ ma sát tổ hợp, tiệm cận trong vùng nước sâu (H > Hbreak) và tiệm

cận với

min( break)

f

H C

H

γ

trong vùng nước nông (H < Hbreak) Số mũ θ

xác định mức độ C f

tiến đến giới hạn tiệm cận và γ xác định mức tăng hệ số ma sát khi độ sâu giảm Nếu

2 min /

C =gn Hγ

và =1/3, trong đó g là gia tốc trọng trường và n là hệ số Meaning,

ma sát tổ hợp sẽ có một phương trình Meaning xử lý ma sát cho trường hợp H < H break

b Các phương trình viết trong tọa độ cầu

Phiên bản 2DDI của ADCIRC áp dụng cho giải bài toán cho cả 2 vùng nước nông

và nước sâu ADCIRC áp dụng vào hệ toạ độ cầu với đại lượng đơn vị là kinh độ và vĩ

độ (λ,φ)

Trong hệ toạ độ cầu, phương trình cơ bản bao gồm phương trình liên tục:

0 cos

Và các phương trình động lượng (ở dạng đã biến đổi):

0 0 0

tan

cos 1

cos

tan

cos 1

f V

P

f U

P

ϕ

η γ

ϕ

∂

Trong đó:(

η γ+

): thế thuỷ triều Newton, thuỷ triều trái đất, các lực có tác dụng

như thuỷ triều;

,

bλ bφ

τ τ

ứng suất đáy, R là bán kính trái đất

Chương 3 Tính toán nước dâng do bão Wukong

3.1 Cơn bão Wukong Bão Wukong (tên chỉ định quốc tế:0016, tên chỉ định JTWC: 23W, tên

NCHMF: Bão số 4) là một cơn bão nhiệt đới cuồng phong hình thành trên khu vực Biển

Đông vào ngày 6 tháng 9 năm 2000 và tan ngày 10 tháng 9 năm 2000 trên địa phận Thái Lan

Hình 2 Đường đi của bão Wukong.

Ngày 4 tháng 9, JMA phát hiện một áp thấp nhiệt đới ở vùng biển Tây Philippines

Nó đứng im cho đến khoảng 12 giờ (UTC) ngày 5 tháng 9 thì mới bắt đầu di chuyển theo hướng ngược chiều kim đồng hồ Cùng ngày, Việt Nam phát tin áp thấp nhiệt đới Sau đó nó mạnh lên thành bão vào khoảng 0 giờ (UTC) ngày 6 tháng 9 năm 2000 Nó tiếp tục tăng cường để đạt được cường độ bão cuồng phong lúc 18:00 (UTC) ngày 07 tháng 9 và đạt đến cường độ mạnh nhất của nó với sức gió tối đa 75 hải lý (140 km/h) lúc 06 giờ (UTC) ngày 08 tháng 9 JTWC cũng nâng mức cảnh báo lên cấp 2 Sau đó bão suy yếu dần, Wukong đi men dọc bờ biển phía nam của đảo Hải Nam ngày 09 tháng

9, lúc này Việt Nam phát tin bão khẩn cấp Sáng sớm 10/9 khi đến vùng biển ngoài khơi tỉnh Hà Tĩnh (cách đèo Ngang khoảng 70 km về phía Đông), bão suy yếu xuống cấp 10, giật trên cấp 10, chuyển hướng Tây Tây Nam, trưa 10 tháng 9 đổ bộ vào đất liền thuộc địa phận tỉnh Hà Tĩnh (tâm bão đi qua huyện Kỳ Anh).Sau khi đổ bộ nó suy yếu thành

áp thấp nhiệt đới rồi vùng thấp ở phía đông bắc của Thái Lan lúc 12 giờ (UTC) cùng ngày

Do ảnh hưởng của bão, khu vực đồng bằng Bắc Bộ và Bắc, Trung Trung Bộ đã có gió cấp 6,7 Một số nơi ở Nghệ An, Hà Tĩnh có gió cấp 8 Bão gây ra mưa lớn cho khu

vực Bắc và Trung Bộ Việt Nam trong các ngày 9-10-11 tháng 9 Thiệt hại do bão chưa

rõ nhưng rất lớn, khoảng trên 1,5 triệu USD

3.2 Số liệu đầu vào

• Miền tính, lưới tính

Miền tính được lựa chọn là toàn vùng Biển Đông giới hạn từ 990 E - 1210E và 10N

-250N và lưới tính là lưới phi cấu trúc, khoảng cách lưới thưa ở các biên phía Đông, phía Nam và mịn dần về phí bờ biển Việt Nam.Lưới tính là lưới phi cấu trúc với 13082 ô lưới và 24624 nút lưới Khoảng cách lưới tính nhỏ nhất ở ven bờ phía Tây Vịnh Bắc Bộ

và Bắc Trung Bộ là 5 km

Hình 3 Miền tính và lưới tính

• Số liệu địa hình

Số liệu địa hình đáy biển được lấy từ Cục quản lý đại dương và khí quyển quốc gia Mỹ: http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/gdas/gx_announce.Html và có độ phân giải là

1 phút

• Số liệu track bão

Số liệu track bão được lấy từ trang web:

Bảng 1: Số liệu track bão Wukong đổ bộ vào tỉnh Hà Tĩnh năm 2000 ST

T Year

Mont

h Day Hour Lat Long

Pmi n

Vma x

Rma x

Vmov e

1 2000 9 4 6 16.6 117.2 1000 20 20 11

2 2000 9 4 12 16.7 116.6 1000 20 20 11

3 2000 9 4 18 16.6 116.4 1000 20 20 4

6 2000 9 5 12 16.9 117.2 996 20 20 10

11 2000 9 6 18 18.9 116.3 985 30 35 13

18 2000 9 8 12 18.8 112.5 955 44 75 16

19 2000 9 8 18 18.6 111.6 960 41 65 17

22 2000 9 9 12 18.3 108.8 975 32 35 17

23 2000 9 9 18 18.5 107.8 980 30 35 19

24 2000 9 10 0 18.3 106.8 985 30 35 19

25 2000 9 10 6 17.9 105.6 990 27 35 23

27 2000 9 10 18 17.9 102.5 1000 27 25 27

• Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Các điều kiện biên của mô hình thuỷ động lực là tác nhân quyết định sự chuyển động của nước biển Tại biên cứng, điều kiện dính không thấm, các thành phần vận tốc lấy bằng 0 Sinh viên sử dụng điều kiện biên dao động mực nước tại các biên lỏng Dao động mực nước thủy triều tại các biên lỏng được được tạo bằng mô đun TIDE từ hằng

số điều hòa của 4 sóng K1, O1, M2, S2

3.3 Hiệu chỉnh

Để hiệu chỉnh mô hình, sinh viên tính mực nước thủy triều tại 2 trạm Hòn Dáu và Hòn Ngư sau đó hiệu chỉnh với số liệu trích từ bảng thủy triều của Trung tâm Hải văn (Tổng cục Biển và Hải đảo) Hiệu chỉnh dao động mực nước thủy triều tính toán bằng cách thay đổi giá trị hệ số ma sát đáy

Chuỗi mực nước thủy triều được tính từ 00h ngày 10/01/2014 đến 23h ngày 20/01/2014 Chuỗi dao động mực nước tại các biên lỏng làm điều kiện biên của mô hình

đã được hiệu chỉnh từ giờ UTC về múi giờ Hà Nội Các hình 4 và 5 thể hiện kết quả nghiệm triều của mô hình tại 2 trạm Hòn Dáu và Hòn Ngư Có thể thấy công việc nghiệm triều cho kết quả khá tốt về pha và biên độ dao động thủy triều Điều này chứng

tỏ các thông số của mô hình đủ tin cậy để chạy các bước tính toán tiếp theo

Hình 4 Kết quả nghiệm triều tại Hòn Dáu

Hình 5 Kết quả nghiệm triều tại Hòn Ngư

3.4 Kết quả tính toán

- Bão Wukong bắt đầu ảnh hưởng đến dải ven bờ Việt Nam vào 0h ngày 8/9/2000 Bão bắt đầu ảnh hưởng đến khu vực ven bờ với sức gió 10m/s Nước dâng cao nhất tại khu vực Bắc Vịnh Bắc Bộ

Hình 6 Thời điểm bắt đầu có nước dâng tại dải ven bờ

Thời điểm bão bắt đầu đổ bộ vào tỉnh Hà Tĩnh lúc 0h ngày 10/9/2000 Mực nước dâng tại toàn bộ dải ven bờ từ Hà Tĩnh đến Quảng Ninh cao ~ 1m Khu vực đảo Hải Nam mực nước cao hơn