กลไกทางฟิสิกส์พื้นฐานที่ก่อให้เกิดพายุซัดฝั่งเกี่ยวข้องกับการที่ระดับน้ำทะเลยกตัวสูงขึ้นอันเนื่องมาจากความกดอากาศต่ำ ประกอบกับแรงลมที่พัดกระทำต่อผิวมหาสมุทร โดยองค์ประกอบหลักของพายุซัดฝั่งมีอยู่ 4 ประการ ได้แก่ (1) ความกดอากาศต่ำ (2) การยกตัวของระดับน้ำจากแรงลม (3) น้ำขึ้นน้ำลงตามดาราศาสตร์ และ (4) การยกตัวของคลื่น (wave set-up) อันเนื่องมาจากแรงดันรังสีคลื่น (radiation stress) ที่เกิดจากคลื่นขนาดใหญ่ ในบรรดาองค์ประกอบทั้งสี่นี้ การยกตัวของระดับน้ำจากแรงลมมักเป็นปัจจัยที่มีบทบาทสำคัญที่สุดต่อความสูงของพายุซัดฝั่ง
รูปแสดงองค์ประกอบของพายุซัดฝั่ง ประกอบด้วยระบบความกดอากาศต่ำบริเวณกลุ่มเมฆด้านบน ลูกศรแสดงทิศทางลมที่พัดเข้าหาชายฝั่ง เส้นไอโซบาร์ (isobar) แสดงแนวความกดอากาศเท่ากัน และแผนภาพแนวตัดขวางชายฝั่งที่แสดงการสะสมของระดับน้ำในแต่ละองค์ประกอบ ได้แก่ ระดับน้ำทะเลเฉลี่ย น้ำขึ้นน้ำลงตามดาราศาสตร์ ผลการดูดจากความกดอากาศต่ำ การยกตัวจากแรงลม และการยกตัวของคลื่น โดยมีแนวคันดิน (dyke) และการไหลข้ามทับ (overtopping)
ระดับน้ำที่เพิ่มขึ้นจากความกดอากาศต่ำ
เมื่อความกดอากาศลดต่ำลง แรงกดที่กระทำต่อผิวน้ำก็ลดลงตามไปด้วย ทำให้ระดับน้ำทะเลยกตัวสูงขึ้น โดยทั่วไป ทุก ๆ การลดลงของความกดอากาศ 1 hPa จะส่งผลให้ระดับน้ำทะเลเพิ่มสูงขึ้นประมาณ 0.99 เซนติเมตร เรียกปรากฏการณ์นี้ว่า “Inverted Barometer Effect” ซึ่งแสดงได้ด้วยสมการดังนี้
โดยที่ Δh คือการเพิ่มขึ้นของระดับน้ำ (เซนติเมตร), pn คือความกดอากาศปกติที่ระดับน้ำทะเล (โดยทั่วไปเท่ากับ 1,013.25 hPa) และ p คือความกดอากาศจริงที่ระดับน้ำทะเล ณ ขณะนั้น
ค่า 0.99 cm/hPa มาจากหลักการสมดุลอุทกสถิต (hydrostatic equilibrium) กล่าวคือ ความดันของคอลัมน์น้ำต้องเท่ากับความดันบรรยากาศที่กระทำลงมา
แทนค่า ρ (ความหนาแน่นน้ำทะเล) 1,025 kg/m³ และ g = 9.81 m/s²
จะได้ Δh = 0.99 cm ซึ่งเป็นเหตุผลให้ทุก 1 hPa ที่ความกดอากาศลดลง ระดับน้ำจะยกตัวขึ้น 0.99 cm
พบว่าระดับน้ำที่เพิ่มขึ้นจากความกดอากาศต่ำนี้เป็นองค์ประกอบที่คาดเดาได้ค่อนข้างแม่นยำ เนื่องจากสมการนี้ขึ้นอยู่กับฟิสิกส์ล้วน หากทราบความกดอากาศของพายุ ก็สามารถคำนวณ Δh ส่วนนี้ได้ทันที ต่างจากองค์ประกอบ wind set-up ที่มีความไม่แน่นอนจากค่า K แต่ก็พบว่ามีบทบาทรองเมื่อเทียบกับ wind set-up แม้คำนวณง่ายและแม่นยำ แต่ Δh จากความกดอากาศต่ำมักมีขนาดน้อยกว่า wind set-up อย่างมีนัยสำคัญ โดยเฉพาะในพื้นที่ทะเลตื้นอย่างอ่าวไทย และต้องใช้ร่วมกับองค์ประกอบอื่นเสมอในการประเมินความสูงรวมของคลื่นพายุซัดฝั่ง ต้องนำ Δh จากสมการนี้ไปรวมกับองค์ประกอบที่เหลืออีกสาม ได้แก่ wind set-up, astronomical tide และ wave set-up เพื่อให้ได้ระดับน้ำรวมที่ถูกต้อง
ระดับน้ำที่เพิ่มขึ้นจากแรงลม
ลมแรงพัดผลักมวลน้ำเข้าสู่แนวชายฝั่ง ทำให้ระดับน้ำบริเวณนั้นสูงขึ้น การยกตัวของผิวมหาสมุทรดังกล่าวมีความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงกับกำลังสองของความเร็วลมที่ผิวน้ำ ซึ่งแสดงได้ด้วยสมการ
โดยที่ K คือค่าพารามิเตอร์ที่ขึ้นอยู่กับหลายปัจจัย ได้แก่ การแบ่งชั้นของมวลน้ำ (stratification) แรงเสียดทานที่ก้นทะเล และทิศทางของลม ตามตารางด้านล่าง, D คือความลึกของน้ำ และ U คือความเร็วลม ทั้งนี้ ยังคงมีความไม่แน่นอนในการประมาณค่าสัมประสิทธิ์แรงลาก (wind drag coefficient) เนื่องจากกระบวนการถ่ายโอนโมเมนตัมบริเวณขอบเขตอากาศกับทะเล
ความเร็วลม (U2) มีอิทธิพลมากที่สุด พบว่า wind set-up แปรผันตาม กำลังสอง ของความเร็วลม หากลมแรงขึ้น 2 เท่า ระดับน้ำจะเพิ่มขึ้น 4 เท่า นี่คือเหตุผลที่พายุรุนแรงก่อให้เกิดน้ำท่วมชายฝั่งอย่างรวดเร็วและรุนแรงมาก ส่วนความลึกของน้ำ (D) ซึ่งเป็นตัวหาร พบว่า ยิ่งน้ำตื้น ยิ่งเกิด set-up สูง เป็นเหตุผลว่าทำไมชายฝั่งที่มีไหล่ทวีปกว้างและตื้น เช่น อ่าวไทย จึงเสี่ยงต่อคลื่นพายุซัดฝั่งสูงกว่าชายฝั่งที่น้ำลึก
เนื่องจากอ่าวไทยมีลักษณะเป็น อ่าวกึ่งปิด และมีความลึกเฉลี่ยเพียงประมาณ 45 เมตร ซึ่งถือว่าตื้นมากเมื่อเทียบกับมหาสมุทรเปิด ค่า D ที่น้อยในสมการนี้จึงทำให้ Δh มีค่าสูงขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และเมื่อรวมกับ fetch ของพายุที่พัดตามแนวยาวของอ่าว ก็ยิ่งเพิ่มความเสี่ยงต่อพายุซัดฝั่งในพื้นที่ชายฝั่งภาคใต้ของไทย เช่น นครศรีธรรมราช และสงขลา
น้ำขึ้นน้ำลงตามดาราศาสตร์
น้ำขึ้นน้ำลงตามดาราศาสตร์เกิดจากแรงดึงดูดระหว่างโลก ดวงจันทร์ และดวงอาทิตย์ โดยดวงจันทร์มีอิทธิพลมากกว่าดวงอาทิตย์ประมาณ 2.2 เท่า เนื่องจากอยู่ใกล้โลกมากกว่า แรงดึงดูดนี้ทำให้มวลน้ำมหาสมุทรเกิดการโป่งพองเป็นวัฏจักรสม่ำเสมอ ซึ่งเราสังเกตได้ในรูปแบบของน้ำขึ้นและน้ำลงในแต่ละวัน
น้ำขึ้นน้ำลงตามดาราศาสตร์มีบทบาทในการเสริมหรือบรรเทาผลกระทบจากระดับน้ำผิดปกติที่เกิดจากปรากฏการณ์อื่น ๆ กล่าวคือ หากเหตุการณ์รุนแรงเกิดขึ้นในช่วงน้ำขึ้นสูงสุด ก็จะยิ่งทำให้น้ำท่วมชายฝั่งรุนแรงมากขึ้น ระดับอิทธิพลของน้ำขึ้นน้ำลงต่อภัยพิบัติทางธรรมชาตินั้นขึ้นอยู่กับช่วงน้ำขึ้นน้ำลง (tidal range) เป็นสำคัญ ตัวอย่างเช่น อ่าว Bay of Fundy ในแคนาดามีช่วงน้ำขึ้นน้ำลงสูงถึง 15 เมตร ในขณะที่แนวชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิกของญี่ปุ่นมีช่วงน้ำขึ้นน้ำลงเพียง 1.0–2.0 เมตร และบริเวณทะเลญี่ปุ่นมีค่าต่ำกว่านั้นอีก โดยอยู่ที่ประมาณ 0.5 เมตรเท่านั้น
สิ่งที่สำคัญในบริบทนี้ไม่ใช่ตัวน้ำขึ้นน้ำลงเอง แต่คือ จังหวะเวลาที่พายุเข้าฝั่งสัมพันธ์กับวัฏจักรน้ำขึ้นน้ำลง
พายุไต้ฝุ่น Vera (Isewan Typhoon) ญี่ปุ่น ปี ค.ศ. 1959 พายุเข้าฝั่งในช่วง high tide ของ spring tide พอดี ทำให้ระดับน้ำรวมสูงถึง 3.89 m เหนือระดับน้ำทะเลปกติ มีผู้เสียชีวิตกว่า 5,000 คน ถือเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนมากว่า แม้ tidal range ของญี่ปุ่นจะไม่สูงมาก แต่จังหวะที่ไม่เหมาะสมก็สามารถสร้างความรุนแรงได้อย่างมีนัยสำคัญ
อ่าวไทยมี tidal range ค่อนข้างต่ำ (0.5–1.5 m) จึงมักถูกมองว่าปัจจัยนี้มีความสำคัญน้อยกว่า wind set-up อย่างไรก็ตาม ในการประเมินความเสี่ยงเชิงวิศวกรรม ยังคงต้องนำ astronomical tide มาพิจารณาร่วมเสมอ โดยเฉพาะในสถานการณ์ worst case ที่พายุอาจเข้าฝั่งพอดีกับช่วง spring high tide ซึ่งแม้จะมีโอกาสเกิดขึ้นไม่บ่อย แต่ก็ไม่สามารถละเลยได้ในการออกแบบโครงสร้างป้องกันชายฝั่ง
การยกตัวของคลื่น (Wave set-up) จากคลื่นขนาดใหญ่
การยกตัวของคลื่นเกิดขึ้นจากแรงดันรังสีคลื่น (radiation stress) ซึ่งถูกขยายให้รุนแรงขึ้นโดยการเคลื่อนที่ต่อเนื่องของขบวนคลื่น และมีความสัมพันธ์อย่างมากกับความสูงและความยาวคลื่น ในบรรดาสมการต่าง ๆ ที่มีผู้เสนอไว้สำหรับการคำนวณความสูงของการยกตัวนี้ Kato et al. (1989) ได้นำเสนอสมการอย่างง่ายโดยอาศัยความยาวคลื่น (L0) และความสูงคลื่น (H0) ในบริเวณน้ำลึก ดังนี้
ด้านซ้าย ξ/H0 คืออัตราส่วนของการยกตัวเทียบกับความสูงคลื่น (ไม่มีหน่วย) ด้านขวา H0/L0 คือความชันของคลื่น ยิ่งคลื่นชันมาก (ค่าสูง) ค่า wave set-up สัมพัทธ์จะยิ่งลดลง เนื่องจากเลขชี้กำลังเป็นลบ (−0.2) กล่าวคือ คลื่นที่ ยาวและสูง (wave steepness ต่ำ เช่น คลื่นจากพายุไกลๆ) จะก่อให้เกิด wave set-up สูงกว่าคลื่นที่ชันสั้น
โดยทั่วไปแล้ว การยกตัวของคลื่นมีนัยสำคัญน้อยกว่าองค์ประกอบอื่น ๆ โดยมักมีขนาดเพียงไม่กี่สิบเซนติเมตรเท่านั้น อย่างไรก็ตาม พึงตระหนักว่าการยกตัวของคลื่นยังได้รับอิทธิพลจากความลาดชันของพื้นท้องทะเลด้วย จึงควรนำปัจจัยนี้มาพิจารณาเสมอในการประเมินความสูงรวมของคลื่นพายุซัดฝั่ง
ปัจจัยอื่น ๆ ที่มีผลต่อความสูงของพายุซัดฝั่ง
นอกจากองค์ประกอบหลักทั้งสี่ประการแล้ว ความสูงของพายุซัดฝั่งยังได้รับอิทธิพลจากเส้นทางและความเร็วในการเคลื่อนที่ของพายุหมุนนอกเขตร้อนและพายุหมุนเขตร้อน รวมถึงสภาพภูมิประเทศใต้น้ำ (bathymetry) และรูปร่างของแนวชายฝั่งบริเวณที่พายุพัดขึ้นฝั่ง ในบางกรณีอาจเกิดปรากฏการณ์คลื่นพายุสั่นพ้อง (storm surge resonance) ภายในอ่าว ซึ่งชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการพิจารณาลักษณะดังกล่าวอย่างรอบคอบ โดยปัจจัยสำคัญมีดังนี้
เส้นทางการเคลื่อนที่ของพายุหมุน เส้นทางการเคลื่อนที่ของพายุหมุนเป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดระดับความสูงของคลื่นพายุซัดฝั่ง ดังที่ได้กล่าวไปแล้วว่า ในซีกโลกเหนือ ความเร็วลมทางด้านขวาของทิศทางการเคลื่อนที่ของพายุหมุนจะแรงกว่าด้านซ้าย ดังนั้น หากด้านขวาของพายุหมุนเคลื่อนที่ผ่านบริเวณอ่าวหรืออ่าวใด ๆ ก็มีแนวโน้มสูงที่คลื่นพายุซัดฝั่งในพื้นที่นั้นจะมีความสูงเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ
ความเร็วในการเคลื่อนที่ของพายุหมุน ความเร็วในการเคลื่อนที่ของพายุหมุนส่งผลต่อความสูงของคลื่นพายุที่เกิดขึ้น เนื่องจากการยกตัวของระดับน้ำจากความกดอากาศต่ำและแรงลมได้รับอิทธิพลจากระยะเวลาที่ตัวแปรทางอุตุนิยมวิทยาเหล่านี้ส่งผลต่อพื้นที่ หากพายุเคลื่อนที่ช้าลง ลมจะพัดกระทำต่อพื้นที่ทะเลบริเวณเดิมนานขึ้น ส่งผลให้ระยะทางที่ลมพัดผ่านน้ำ (fetch) ยาวขึ้นและทำให้คลื่นมีขนาดใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม พึงสังเกตด้วยว่าพายุหมุนเขตร้อนที่เคลื่อนที่เร็วมากก็อาจก่อให้เกิดคลื่นพายุซัดฝั่งที่มีความสูงมากได้เช่นกัน
ความลึกของน้ำและรูปร่างแนวชายฝั่ง บริเวณที่มีความลึกของน้ำน้อยมีแนวโน้มที่จะเกิดคลื่นพายุซัดฝั่งที่สูงกว่า Tatekoji et al. (2016) ระบุว่า ส่วนหนึ่งของสาเหตุที่ทำให้ระดับน้ำสูงผิดปกติในช่วงคลื่นพายุซัดฝั่งที่อ่าวโตเกียวในปี ค.ศ. 1917 เป็นผลมาจากการถมทะเลที่ดำเนินการอยู่โดยรอบอ่าวในช่วงเวลานั้น นอกจากนี้ รูปร่างของแนวชายฝั่งยังมีส่วนทำให้คลื่นพายุซัดฝั่งทวีความรุนแรงขึ้นได้ โดยเฉพาะบริเวณน้ำกึ่งปิด เช่น อ่าวหรือทะเลอ่าว ซึ่งมีความเสี่ยงสูงเป็นพิเศษ
