Dipole ấn độ dương là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm Dipole Ấn Độ Dương (IOD)

Dipole Ấn Độ Dương (Indian Ocean Dipole – IOD) là một hiện tượng dao động nội tại về sự phân bố nhiệt độ bề mặt biển (SST – Sea Surface Temperature) giữa hai khu vực chính của Ấn Độ Dương xích đạo. Đây là một trong các dao động khí hậu lớn có ảnh hưởng mạnh mẽ đến thời tiết khu vực Đông Phi, Đông Nam Á, Úc và cả toàn cầu. Hiện tượng này được phát hiện vào cuối thập niên 1990 và đã nhanh chóng trở thành đối tượng nghiên cứu chính trong khí tượng biển nhiệt đới.

Chỉ số IOD mô tả sự khác biệt nhiệt độ mặt nước biển giữa hai vùng địa lý cụ thể: vùng phía tây (từ 50°E đến 70°E, 10°S đến 10°N – gần bờ biển Đông Phi) và vùng phía đông (từ 90°E đến 110°E, 10°S đến xích đạo – gần Indonesia). Giá trị chỉ số IOD được tính bằng:

$\text{IOD index} = \text{SST}_{\text{Tây}} - \text{SST}_{\text{Đông}}$

Giá trị chỉ số này càng lớn thì sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai khu vực càng rõ rệt, từ đó ảnh hưởng đến mô hình mưa, gió, đối lưu và tuần hoàn khí quyển trên quy mô khu vực và liên vùng. IOD là hiện tượng dao động tự nhiên, nhưng cũng có thể bị ảnh hưởng bởi các thay đổi khí hậu dài hạn.

Các pha của IOD: Dương, Âm và Trung tính

IOD có ba trạng thái chính dựa trên độ chênh lệch nhiệt độ mặt biển giữa vùng tây và đông của Ấn Độ Dương. Những trạng thái này mang lại những hệ quả thời tiết trái ngược nhau giữa các khu vực ven biển.

Bảng phân loại các pha của IOD:

Pha IOD	Đặc điểm SST	Tác động thời tiết chính
Dương	SST phía tây cao hơn phía đông	Mưa lớn Đông Phi, hạn hán Indonesia và Úc
Âm	SST phía đông cao hơn phía tây	Mưa lớn Indonesia và Bắc Úc, khô Đông Phi
Trung tính	Không có chênh lệch rõ SST	Thời tiết ổn định, không biến động lớn

Trong pha dương, nước ấm tích tụ ở phía tây, làm tăng độ ẩm và đối lưu tại Đông Phi trong khi phía đông khô hạn và áp suất cao hơn, gây suy yếu mưa tại Indonesia và Bắc Úc. Ngược lại, pha âm gây mưa lớn tại Indonesia do nước ấm dịch chuyển về phía đông. Giai đoạn mạnh nhất của IOD thường diễn ra trong các tháng 9 đến 11, tương ứng với thời kỳ cuối mùa khô ở Nam bán cầu.

Cơ chế vật lý và động lực học của IOD

IOD là hệ quả của các tương tác phức tạp giữa đại dương và khí quyển tại Ấn Độ Dương xích đạo. Cơ chế điều khiển chính là sự biến động của dòng chảy mặt và sâu, gió mùa, đối lưu và sự dao động độ sâu lớp nước ấm (thermocline). Khi có một bất cân bằng ban đầu về SST giữa hai vùng đông và tây, một loạt phản hồi dương có thể khuếch đại sự chênh lệch này.

Khi nhiệt độ mặt nước biển phía tây tăng lên, đối lưu gia tăng tại đây, tạo ra vùng áp suất thấp hút gió từ phía đông sang. Sự tăng cường gió đông làm dòng chảy ven biển Indonesia mạnh hơn, đẩy lớp nước ấm rời khỏi khu vực phía đông, kéo lớp thermocline lên gần bề mặt, làm nước mát lộ ra và tiếp tục làm giảm nhiệt độ vùng đông – tạo phản hồi tích cực duy trì pha dương.

Cơ chế phản hồi này tương tự như El Niño nhưng xảy ra tại Ấn Độ Dương. Ngược lại, trong pha âm, lớp nước ấm tập trung ở phía đông, dòng chảy và gió bề mặt có xu hướng đảo ngược. IOD không có chu kỳ cố định nhưng thường lặp lại theo từng năm hoặc vài năm một lần.

Mối quan hệ giữa IOD và ENSO (El Niño – La Niña)

IOD và ENSO (El Niño – Southern Oscillation) là hai hiện tượng dao động khí hậu độc lập nhưng có thể tương tác với nhau, gây cộng hưởng hoặc triệt tiêu tác động khí hậu. ENSO xảy ra ở Thái Bình Dương xích đạo trong khi IOD diễn ra tại Ấn Độ Dương, nhưng do cả hai ảnh hưởng đến vòng tuần hoàn Walker và Hadley, chúng có thể ảnh hưởng qua lại.

IOD dương thường đi kèm với El Niño và làm gia tăng tác động khô hạn ở Úc, vì cả hai hiện tượng đều làm giảm lượng mưa ở phía đông lục địa này. Ngược lại, IOD âm thường kết hợp với La Niña, tạo điều kiện mưa nhiều ở Úc và Đông Nam Á. Tuy nhiên, không phải năm ENSO nào cũng có IOD và ngược lại. Một số năm chỉ có hiện tượng đơn lẻ hoặc không có sự tương tác rõ ràng.

Sự tương quan giữa hai hiện tượng này làm tăng độ khó trong dự báo thời tiết mùa, vì phải tính đến sự kết hợp nhiều chiều. Các mô hình dự báo khí hậu hiện đại đang tích hợp cả ENSO và IOD để mô phỏng ảnh hưởng toàn cầu, đặc biệt trong các lĩnh vực như quản lý nông nghiệp, tài nguyên nước và ứng phó thiên tai.

Tác động của IOD đến khí hậu khu vực

Dipole Ấn Độ Dương có ảnh hưởng sâu rộng đến chế độ thời tiết và khí hậu tại các khu vực ven biển Ấn Độ Dương và xa hơn. Thay đổi nhiệt độ bề mặt biển do IOD làm thay đổi vị trí và cường độ đối lưu, tác động đến sự hình thành mây, mưa, gió mùa và cả tần suất bão nhiệt đới.

Trong pha dương, vùng nước ấm dịch chuyển về phía tây tạo điều kiện hình thành mây đối lưu và mưa lớn ở Đông Phi, đặc biệt là tại Kenya, Somalia và Ethiopia. Ngược lại, khu vực phía đông như Indonesia, Papua New Guinea và Bắc Úc thường chịu hạn hán nghiêm trọng, tăng nguy cơ cháy rừng và giảm sản lượng nông nghiệp. Ngược lại, pha âm tăng lượng mưa tại Indonesia và Bắc Úc, trong khi Đông Phi bị khô hạn.

Tác động theo khu vực:

• Đông Phi: IOD dương gây lũ lụt nghiêm trọng, như các sự kiện 1997 và 2019
• Úc: IOD âm thường tạo điều kiện cho mùa mưa tốt, hỗ trợ mùa vụ
• Nam Á: Pha IOD có thể làm thay đổi thời gian bắt đầu, cường độ và phân bố mưa của gió mùa mùa hè

Vì tác động của IOD thường xảy ra đồng thời với các hiện tượng như ENSO, nên để đánh giá chính xác cần phân tích đa biến, sử dụng mô hình tích hợp khí quyển và đại dương.

Ảnh hưởng đến nông nghiệp, thủy sản và kinh tế

IOD ảnh hưởng mạnh mẽ đến các ngành kinh tế phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, đặc biệt là nông nghiệp và thủy sản tại khu vực châu Phi, châu Á và Úc. Biến đổi về lượng mưa và nhiệt độ có thể làm giảm hoặc tăng sản lượng nông sản theo từng năm, gây khó khăn trong lập kế hoạch canh tác.

Ở Đông Phi, IOD dương làm tăng mưa đột ngột, dẫn đến lũ quét và dịch bệnh do nước, nhưng cũng có thể tạo điều kiện thuận lợi cho mùa vụ nếu được dự báo sớm. Tại Indonesia và miền bắc Úc, IOD âm là điều kiện lý tưởng để canh tác lúa, cây công nghiệp, trong khi pha dương gây mất mùa và suy giảm năng suất do hạn hán.

Trong lĩnh vực thủy sản, sự dịch chuyển nước ấm và dinh dưỡng có thể làm thay đổi vị trí đàn cá, ảnh hưởng đến nghề cá truyền thống. Ví dụ:

• Đông Phi: Sản lượng cá tăng trong pha dương do đối lưu mạnh và nước ấm
• Indonesia: Sản lượng giảm mạnh trong pha dương do nước lạnh, ít phù du

Ngoài ra, ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng (do lũ lụt, mưa lớn), dịch bệnh gia tăng và giá lương thực biến động theo IOD cũng đặt ra bài toán kinh tế - xã hội cho các quốc gia trong vùng chịu ảnh hưởng.

Phương pháp đo và chỉ số IOD

Chỉ số IOD – còn gọi là DMI (Dipole Mode Index) – được tính toán dựa trên chênh lệch nhiệt độ mặt biển trung bình giữa hai vùng định nghĩa rõ ràng của Ấn Độ Dương:

• IOD Tây: 50°E – 70°E, 10°S – 10°N
• IOD Đông: 90°E – 110°E, 10°S – 0°

Giá trị chỉ số được tính bằng công thức:

$\text{DMI} = \overline{SST}_{\text{Tây}} - \overline{SST}_{\text{Đông}}$

Chỉ số này được cập nhật theo tuần, tháng hoặc mùa bởi các cơ quan như Bureau of Meteorology Australia và NOAA. Dữ liệu được lấy từ vệ tinh, phao nổi (ARGO), đo đạc tàu biển và mô hình tái phân tích (reanalysis).

Một số năm điển hình với IOD mạnh:

Năm	Pha	Ghi nhận đặc biệt
1997	Dương mạnh	Lũ lớn Đông Phi, hạn hán Indonesia
2019	Dương rất mạnh	Cháy rừng dữ dội ở Úc
2010	Âm mạnh	Mưa lớn ở Úc, thời tiết ẩm ướt Đông Nam Á

Dự báo IOD và ứng dụng mô hình khí hậu

Dự báo IOD là một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển mạnh nhờ tiến bộ trong mô hình khí hậu toàn cầu. Các mô hình dự báo như ACCESS (Úc), CFSv2 (Mỹ), GloSea5 (Anh) sử dụng dữ liệu nhiệt độ biển, gió, dòng chảy và áp suất khí quyển để dự đoán sự hình thành các pha IOD từ 3 đến 6 tháng trước thời điểm cực đại.

Việc dự báo chính xác giúp các quốc gia chuẩn bị kế hoạch đối phó thiên tai, lên lịch gieo trồng và điều chỉnh chính sách quản lý nước. Một số hệ thống cảnh báo sớm tích hợp IOD như của BoM Australia đang hoạt động hiệu quả, đặc biệt trong cảnh báo hạn hán và lũ quét.

Ưu điểm của các mô hình hiện đại:

• Cho phép dự báo theo mùa, nhiều kịch bản
• Tích hợp cả ENSO, IOD và MJO để tăng độ chính xác
• Có thể tinh chỉnh theo vùng địa phương nhờ các hệ thống đồng hóa dữ liệu

Tuy nhiên, do tính phức tạp của tương tác đại dương – khí quyển, dự báo IOD vẫn gặp sai số cao khi dữ liệu đầu vào không đầy đủ hoặc khi các dao động khí hậu khác cùng xuất hiện.

Tác động dài hạn và biến đổi khí hậu

Một trong những chủ đề được quan tâm hiện nay là mối quan hệ giữa IOD và biến đổi khí hậu toàn cầu. Một số nghiên cứu gần đây, chẳng hạn như công bố trên Nature Climate Change, cho rằng tần suất IOD dương cực đoan đã gia tăng trong những thập kỷ gần đây.

Sự ấm lên không đồng đều của các đại dương và thay đổi mô hình gió toàn cầu có thể thay đổi động lực hình thành IOD. Biến đổi khí hậu có thể làm tăng biên độ nhiệt giữa hai vùng, dẫn đến các pha IOD cực đoan hơn với hậu quả nghiêm trọng hơn về khí hậu và kinh tế.

Các mô hình CMIP6 trong IPCC AR6 cho phép mô phỏng lại chuỗi thời gian dài về IOD, từ đó đánh giá xu hướng biến đổi trong thế kỷ 21. Tuy nhiên, vẫn còn tranh luận về mức độ ảnh hưởng và độ tin cậy của mô hình trong vùng Ấn Độ Dương do thiếu dữ liệu lịch sử dài hạn và đặc trưng địa phương phức tạp.

Tài liệu tham khảo

1. Bureau of Meteorology Australia – Indian Ocean Dipole
2. NOAA Climate.gov – Indian Ocean Dipole
3. Nature Communications – IOD Global Teleconnections
4. ECMWF – Modeling IOD Dynamics
5. NOAA – Dipole Mode Index Monitoring
6. Nature Climate Change – Frequency of Extreme Positive IOD