น้ำขึ้นจากพายุ

น้ำขึ้นจากพายุ () คือคลื่นที่เกิดจากการยกตัวขึ้นของน้ำทะเลนอกชายฝั่งด้วยอิทธิพลของความกดอากาศต่ำและอิทธิพลของพายุหมุนเขตร้อน น้ำขึ้นจากพายุขั้นตอนแรกเกิดจากลมความเร็วสูงที่พัดผลักดันผิวมหาสมุทร ลมจะทำให้น้ำยกตัวสูงขึ้นจากระดับน้ำทะเลปกติ ขั้นตอนที่สองคือความกดอากาศต่ำที่ศูนย์กลางพายุ (ตาพายุ) มีผลเพิ่มยกระดับน้ำขึ้นอีกเล็กน้อย และอีกสาเหตุคือชั้นความลึก (bathymetry) ของน้ำทะเล ผลกระทบรวมจากปรากฏการณ์ความกดอากาศต่ำร่วมกับการพัดของลมพายุเหนือทะเลน้ำตื้นนี้เองที่เป็นต้นเหตุของอุทกภัยจากน้ำขึ้นจากพายุ คำว่า "storm surge" ในภาษาอังกฤษยังมีคำอื่น ๆ ที่ใช้แบบไม่เป็นทางการ (ไม่ใช่ศัพท์ทางวิทยาศาสตร์) คือ "storm tide" (น้ำขึ้นหนุนจากพายุ) นั่นเพราะมันเกี่ยวโยงกับการยกขึ้นของน้ำทะเลจากพายุ, ภาวะน้ำขึ้นหนุน (plus tide), คลื่นเคลื่อนยกตัว (wave run-up), และการท่วมหลากของน้ำจืด เมื่อเอ่ยถึงอ้างอิงความสูงของน้ำขึ้นจากพายุ สิ่งสำคัญคือความชัดเจนของจุดอ้างอิง จากรายงานพายุหมุนเขตร้อนของศูนย์พายุหมุนแห่งชาติ (National Hurricane Center, NHC) รายงานอ้างอิงน้ำขึ้นจากพายุจากความสูงของระดับน้ำที่สูงเหนือจากระดับน้ำขึ้นของอุตุพยากรณ์ และความสูงของระดับน้ำที่ถูกพายุยกขึ้นเหนือจากสถิติระดับน้ำทะเลที่อ้างอิงใน พ.ศ. 2472 (NGVD-29)

อิทธิพลที่มีผลต่อการการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำในระหว่างเกิดพายุมีอย่างน้อย 5 อิทธิพล ได้แก่ อิทธิพลความกดอากาศ, อิทธิพลโดยตรงจากลมพายุ, อิทธิพลของการหมุนตัวของโลก, อิทธิพลของคลื่น, และอิทธิพลของปริมาณน้ำฝนที่ตก

อิทธิพลความกดอากาศของพายุหมุนเขตร้อนจะทำให้ระดับของน้ำในทะเลเปิดยกตัวสูงขึ้นในเขตที่บรรยากาศมีความกดอากาศต่ำ และลดระดับต่ำลงในเขตบรรยากาศมีความกดอากาศสูง ระดับน้ำที่ยกตัวสูงขึ้นจะแปรผกผันกับความกดอากาศที่ต่ำลง เพื่อที่จะทำให้ความกดโดยรวมที่ระนาบของใต้ผิวน้ำคงที่ ผลกระทบนี้ทำให้ประมาณได้ว่าระดับน้ำทะเลจะเพิ่มสูงขึ้น 10 มิลลิเมตร (0.4 นิ้ว) ต่อทุก ๆ 1 มิลลิบาร์ที่ลดลงของความกดอากาศ

ความแรงที่พื้นผิวลมเป็นสาเหตุโดยตรงของความสูงชันของพายุลม ปรากฏการณ์นี้รู้จักกันในชื่อ "เกลียวเอ็กมาน" (Ekman spiral) มีข้อเท็จจริงที่ว่าความกดดันของลม (wind stress) เป็นสาเหตุของปรากฏการณ์การก่อตัวของลม นั่นคือมีแนวโน้มที่ระดับน้ำจะยกเพิ่มในด้านทิศเดียวกับกระแสลมที่พัดเข้าฝั่ง และระดับน้ำจะลดลงในด้านตรงกันข้าม เพราะเหตุนี้จึงเป็นธรรมดาที่พายุจะพัดน้ำซัดอ่าวในทิศทางไปของพายุ เพราะเหตุว่าเกลียวเอ็กมานมีผลจากการแผ่ในแนวฉากของลมที่ผ่านน้ำ และผลกระทบนี้จะแปรผกผันกับความลึกของน้ำ อิทธิพลความดันและการก่อตัวของลมในทะเลเปิดจะผลักดันน้ำเข้าสู่อ่าวในแนวเดียวกับอิทธิพลของน้ำขึ้นน้ำลง

อิทธิพลของการหมุนของโลกเป็นสาเหตุของปรากฏการณ์คอริออลิส (Coriolis effect) ซึ่งปรากฏการณ์นี้จะทำให้ทิศทางกระแสน้ำเบี่ยงโค้งไปทางขวาในซีกโลกเหนือ และเบี่ยงโค้งไปทางซ้ายในซีกโลกใต้จากอิทธิพลของการหมุนของโลก เมื่อโค้งของกระแสน้ำเข้าพุ่งปะทะกับชายฝั่งในแนวตั้งฉากจะไปเพิ่มขยายคลื่นที่ยกตัวให้เพิ่มขึ้น และหากโค้งของกระแสน้ำหันออกจากชายฝั่งมีผลให้คลื่นที่ยกตัวนั้นลดลง

อิทธิพลของคลื่น ขณะที่คลื่นได้รับกำลังจากลม โดยเฉพาะจากพลังของลมพายุ ลมที่มีพลังจะยกคลื่นให้ใหญ่และแรงในทิศทางเดียวกันกับแนวการเคลื่อนที่ของลม แม้กระนั้นก็จะเห็นผลการเปลี่ยนแปลงที่ผิวคลื่นเพียงเล็กน้อยในทะเลเปิด (ทะเลลึก) แต่มันจะมีผลให้คลื่นขยายตัวใหญ่และแรงขึ้นคลื่นนั้นเมื่อเข้าใกล้ชายฝั่ง เมื่อแนวคลื่นที่กำลังแตกตัวขนานกับหาดมันนำน้ำจำนวนมากซัดตรงเข้าสู่ฝั่ง ขณะที่คลื่นแตกตัวอนุภาคของน้ำที่เคลื่อนเข้าฝั่งนั้นมีโมเมนตัมจำนวนมาก จนอาจซัดกระเซ็นขึ้นไปตามความชันของหาดจนสูงเหนือระดับน้ำทะเลและคลื่นที่ตามมาในลูกที่สองถูกซัดสูงขึ้นก่อนที่มันจะแตกกระจาย

ปริมาณน้ำฝนที่ตกมีอิทธิพลมากตรงบริเวณชะวากทะเล (บริเวณที่น้ำจืดกับน้ำเค็มบรรจบกัน) ในพื้นที่เปิดเฮอริเคนสามารถสร้างปริมาณน้ำฝนได้ถึง 12 นิ้วใน 24 ชั่วโมง และอาจจะสูงกว่าในพื้นที่ปิด ผลที่ตามมาคือ สันปันน้ำ (watersheds) (ร่องเขาที่เป็นแนวร่องน้ำ) น้ำจะไหลบ่าอย่างเร็วระบายสู่แม่น้ำ นี่ทำให้ระดับน้ำเพิ่มสูงในระดับสูงสุดของระดับน้ำขึ้นบริเวณปากแม่น้ำ เป็นเพราะพายุขับดันคลื่นยกตัวจากมหาสมุทรและน้ำฝนที่ไหลมาจากชะวากทะเล

การวัดการยกตัวสามารถทำได้โดยตรงที่สถานีวัดน้ำขึ้นน้ำลงชายฝั่ง (coastal tidal stations) โดยวัดความแตกต่างของระดับน้ำขึ้นพยากรณ์การระดับยกตัวที่สังเกตได้ ข้อสารสนเทศนี้สามารถดูในขณะเกิดจริงได้ที่เว็บไซต์น้ำขึ้นน้ำลงและกระแสน้ำของ NOAA (NOAA Tides and Currents website) ตลอดเวลาที่ทำการรายงาน

การวัดการยกตัวอีกวิธีหนึ่งที่เริ่มนำมาใช้โดย NHC เมื่อ พ.ศ. 2548 โดยทีมงาน USGS ที่ใช้การติดจั้งตัวแปรสัญญาณความกดอากาศไปตามชายฝั่งทะเลก่อนที่พายุหมุนจะมาถึง ซึ่งเป็นการทดลองใช้ครั้งแรกกับพายุหมุนริตา (Hurricane Rita) กรรมวิธีนี้ได้นำมาตรวจสอบความถูกต้องกับกรรมวิธีอื่นที่ใช้กับริตาด้วย และต่อมาได้ใช้กีบพายุหมุนเออร์เนสโกเมื่อปี พ.ศ. 2549 อีกครั้ง เครื่องรับรู้ประเภทนี้สามารถนำไปติดตั้งไว้ในตำแหน่งที่จะถูกน้ำท่วมโดยสามารถวัดความสูงของน้ำส่วนบนได้

น้ำขึ้นจากพายุที่สูงที่สุดที่มีบันทึกในประวัติศาสตร์เกิดจากพายุหมุนมาฮินา (Cyclone Mahina) ที่อ่าวแบเทิสต์ (Bathurst Bay) ประเทศออสเตรเลีย เมื่อปี พ.ศ. 2442 ซึ่งประมาณว่าสูงถึง 13 เมตร แต่งานวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อ พ.ศ. 2543 ให้ข้อสังเกตว่าสาเหตุเหตุหลัก ๆ น่าจะเกิดจากคลื่นเคลื่อนยกตัวมากกว่าเนื่องจากความชันของพื้นใต้ชายฝั่งทะเล บันทึกของน้ำขึ้นจากพายุที่สูงที่สุดเกิดจากพายุหมุนแคทรินาเมื่อ พ.ศ. 2548 ซึ่งทำให้คลื่นยกตัวสูงขึ้นถึงระดับ 7.6 เมตร รอบ ๆ อ่าวเซนต์หลุยส์ รัฐมิสซิสซิปปี, ในชุมชนเวฟแลนด์, ตัวอ่าวเซนต์หลุยส์, ไดมอนด์เฮด, และช่องแคบคริสเตียน โดยมีคลื่นยกตัวสูงถึง 8.5 เมตรที่ช่องแคบคริสเตียน บันทึกน้ำขึ้นจากพายุอีกรายหนึ่งเกิดในบริเวณเดียวกันจากพายุหมุนคามิลเมื่อเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2512 โดยมีคลื่นยกตัวสูงสุดถึง 7.5 เมตรจากระดับน้ำทะเลสูงสุดซึ่งเกิดที่ช่องแคบคริสเตียนเช่นกัน

ในอดีตประเทศไทยก็เคยเกิดปรากฏการณ์น้ำขึ้นจากพายุ เมื่อวันที่ 25-26 ตุลาคม พ.ศ. 2505 ขึ้นในภาคใต้ของประเทศไทย แหลมตะลุมพุก อำเภอปากพนัง จังหวัดนครศรีธรรมราช จากพายุโซนร้อนแฮเรียต มีเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 300 กิโลเมตร ความเร็วลม 180 - 200 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ความเร็วในการเคลื่อนที่ 92.622 กิโลเมตรต่อชั่วโมง เกิดคลื่นยักษ์สูงประมาณยอดต้นสน (20 เมตร) สร้างความเสียหายให้ 9 จังหวัดในภาคใต้เป็นอย่างมาก สถานที่ราชการ อาคารบ้านเรือน โรงเรียน วัด ถูกพายุพัดพังระเนระนาด การไฟฟ้าและสถานีวิทยุตำรวจเสียหายหนัก ไม่สามารถติดต่อกันได้ เรือที่ออกทะเลเสียหายมากมาย ต้นยาง ต้นมะพร้าว และต้นไม้อื่น ๆ ล้มพินาศมหาศาล สวนยางนับแสน ๆ ต้นโค่นล้มขวางเป็นสิบ ๆ กิโลเมตร มีผู้เสียชีวิต 911 คน, สูญหาย 142 คน, บาดเจ็บสาหัส 252 คน,ไม่มีที่อยู่อาศัย 10,314 คน, บ้านเสียหาย 42,409 หลังคาเรือน,โรงเรียน 435 หลัง

ศูนย์พายุหมุนแห่งชาติได้พยากรณ์ไว้ว่าน้ำขึ้นจากพายุโดยใช้แบบจำลองสโลช หรือ SLOSH ซึ่งย่อมาจาก "น้ำขึ้นจากพายุในทะเลสาบและบนแผ่นดิน" ในภาษาอังกฤษ คือ Lake and Overland Surges from Hurricanes. แบบจำลองนี้มีความแม่นยำภายใน 20 percent. ข้อมูลสโลชรับเข้า (input) รวมถึงความกดอากาศส่วนกลางของพายุหมุนเขตร้อน, ขนาดของพายุ, การเคลื่อนตัวของพายุ, เส้นทางการเคลื่อนตัว, และความเร็วลมคงที่สูงสุด นอกจากนี้ยังต้องนำเอาลักษณะภูมิประเทศท้องถิ่น, การหันเหทิศทางของอ่าวและแม่น้ำ, ความลึกของก้นทะเล, การขึ้นลงเชิงดาราศาสตร์ของน้ำ (น้ำขึ้นน้ำลง) , รวมทั้งรูปโฉมทางกายภาพอื่น ๆ เข้ามานับร่วมกันเพื่อการกำหนดกริดหรือตารางล่วงหน้าที่เรียกว่า "แอ่งสโลช" (SLOSH basin) แล้วจึงนำแอ่งสโลชมาทับซ้อนสำหรับเส้นแนวชายฝั่งทะเลด้านใต้และตะวันออกของแผ่นทวีปอเมริกา ในการจำลองพายุบางครั้งอาจใช้แอ่งสโลชมากว่า 1 แอ่ง เช่นการเดินแบบจำลองสโลชแคทรินาซึ่งใช้ทั้งแอ่งทะเลสาบพอนชาร์เทรน/นิวออร์ลีนส์ และ แอ่งมิสซิสซิบปีซาวด์ร่วมกันเพื่อใช้กับการขึ้นฝั่งของพายุ (landfall) ของอ่าวเม็กซิโก

แม้การสำรวจทางอุตุนิยมจะเตือนภัยพายุหมุนหรือพายุร้ายแรงทั่ว ๆ ไปแล้วก็ตาม ในบางกรณีบางพื้นที่ที่มีความเสียงต่อน้ำท่วมชายฝั่งสูงเฉพาะที่บางแห่งจะมีการเตือนเกี่ยวกับน้ำขึ้นจากพายุเฉพาะเป็นครั้ง ๆ อยู่ด้วยเหมือนกัน ได้มีการปฏิบัติจริงอยู่แล้วหลายแห่ง เช่นประเทศเนเธอร์แลนด์ สเปน, สหรัฐ, และ สหราชอาณาจักร.

กรรมวิธีเพื่อป้องน้ำขึ้นจากพายุเริ่มขึ้นหลังจากเหตุการณ์น้ำท่วมใหญ่ทะเลเหนือ เมื่อ พ.ศ. 2496 โดยการสร้างเขื่อนและประตูกั้นน้ำท่วม (สันดอนกั้นน้ำขึ้นจากพายุ) ปกติจะเปิดให้น้ำและเรือผ่านเข้าออก แต่จะปิดเมื่อมีทีท่าว่าอาจถูกคุกคามจากน้ำขึ้นจากพายุ สันดอนกั้นพายุยกที่สำคัญได้แก่ โอสเตอร์สแค็ลเดอเกริง (Oosterscheldekering) และมาสลันต์เกริง (Maeslantkering) ในเนเธอร์แลนด์ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงการงานดินดอนสามเหลี่ยม (Delta Works project) และสันดอนเทมส์ (Thames Barrier) ที่ใช้ป้องกันกรุงลอนดอน