Nhiệt độ mặt biển là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Nhiệt độ mặt biển (Sea Surface Temperature – SST) là nhiệt độ của lớp nước biển phía trên cùng, thường từ vài milimet đến vài mét tính từ mặt nước. Đây là lớp chịu tác động trực tiếp của bức xạ mặt trời, gió, bốc hơi, và trao đổi nhiệt với khí quyển. SST không chỉ là một chỉ số vật lý cơ bản mà còn đóng vai trò quyết định trong các quá trình khí tượng, hải dương học và sinh thái biển.

SST được sử dụng như một biến khí hậu chủ chốt trong mô hình dự báo thời tiết, nghiên cứu hệ sinh thái biển, xác định sự hình thành và cường độ của bão nhiệt đới, và đánh giá biến đổi khí hậu toàn cầu. Biến số này không đồng nhất về mặt không gian lẫn thời gian, thay đổi theo mùa, theo vĩ độ, dòng hải lưu và hiện tượng khí hậu như El Niño – Southern Oscillation (ENSO).

Trong khí tượng học và hải dương học hiện đại, SST được kết hợp với các tham số khác như độ mặn, mật độ nước biển, và dòng hải lưu để đánh giá năng lượng trao đổi giữa đại dương và khí quyển. Cụ thể, độ chênh nhiệt giữa SST và không khí tầng thấp ảnh hưởng đến dòng nhiệt tiềm ẩn và dòng nhiệt cảm ứng, là cơ sở cho các hiện tượng đối lưu và hình thành thời tiết cực đoan.

Đơn vị đo và phương pháp quan trắc

Nhiệt độ mặt biển được đo bằng nhiều phương pháp với độ sâu, độ chính xác và thời gian khác nhau. Các đơn vị đo phổ biến là độ C (°C) hoặc Kelvin (K). Tùy thuộc vào mục đích và công nghệ, các phép đo có thể ghi nhận nhiệt độ ở các lớp khác nhau của bề mặt đại dương, từ lớp micromet (được gọi là skin temperature) đến vài mét (gọi là bulk temperature).

Các công nghệ phổ biến dùng để đo SST gồm:

• Thiết bị cảm biến hồng ngoại (IR): gắn trên vệ tinh, đo lớp mỏng vài micromet ngay tại bề mặt. Bị ảnh hưởng bởi mây và giọt nước mưa.
• Cảm biến vi sóng (Microwave Radiometer): xuyên qua mây, đo lớp sâu hơn (~1 mm), cung cấp dữ liệu liên tục ngay cả trong điều kiện thời tiết xấu.
• Phao trôi (drifting buoys) và phao neo (moored buoys): đo nhiệt độ bulk ở độ sâu 1–5 m. Dữ liệu được cập nhật thường xuyên và có độ chính xác cao.
• Tàu biển và thiết bị CTD (Conductivity-Temperature-Depth): đo tại các độ sâu cụ thể bằng cảm biến đặt trực tiếp trong nước biển.

Sự kết hợp giữa dữ liệu vệ tinh và dữ liệu in-situ từ phao, tàu giúp cải thiện độ chính xác và độ phủ của bản đồ SST toàn cầu. Hiện nay, hệ thống GHRSST (Group for High Resolution SST) tích hợp dữ liệu từ nhiều nguồn để tạo ra sản phẩm SST độ phân giải cao phục vụ nghiên cứu và dự báo khí hậu.

Bảng dưới đây tóm tắt một số phương pháp và đặc trưng của từng kỹ thuật đo SST:

Đặc điểm không gian và thời gian

SST không đồng nhất trên bề mặt toàn cầu và chịu ảnh hưởng của các yếu tố như vĩ độ, dòng hải lưu, mùa vụ, độ sâu nước và điều kiện khí hậu khu vực. Gần xích đạo, nơi nhận bức xạ mặt trời dồi dào quanh năm, SST có thể đạt tới 30–32 °C. Trong khi đó, tại các vùng cực như Bắc Băng Dương hay Nam Đại Dương, nhiệt độ mặt biển có thể giảm xuống dưới 0 °C do hàm lượng muối làm hạ điểm đóng băng của nước biển.

Thời gian cũng là yếu tố biến đổi SST mạnh. Trong chu kỳ ngày đêm (diurnal cycle), SST có thể tăng đến 2–3 °C vào ban ngày và giảm vào ban đêm. Biến động theo mùa thể hiện rõ nhất ở các vĩ độ trung bình, nơi có sự khác biệt lớn về góc chiếu và độ dài ngày giữa mùa hè và mùa đông. Ngoài ra, các hiện tượng dao động khí hậu như ENSO (El Niño/Southern Oscillation), MJO (Madden–Julian Oscillation), PDO (Pacific Decadal Oscillation) gây ra sự thay đổi SST liên vùng và liên niên.

Các vùng SST đặc biệt thường được đặt tên và nghiên cứu riêng, ví dụ:

• Vùng Niño 3.4: trung tâm giám sát ENSO ở Thái Bình Dương xích đạo.
• Đới hội tụ nhiệt đới (ITCZ): nơi SST cao gây ra đối lưu mạnh, tạo mưa nhiệt đới.
• Upwelling zone: vùng ven bờ như Peru hoặc California, nơi SST thấp do nước sâu lạnh được đẩy lên.

Vai trò trong khí hậu và thời tiết

SST là một trong những nhân tố chính chi phối năng lượng của khí quyển ở tầng thấp. Khi nước biển ấm hơn không khí phía trên, xảy ra hiện tượng truyền nhiệt từ biển lên khí quyển thông qua dòng nhiệt cảm ứng (sensible heat flux) và nhiệt tiềm ẩn (latent heat flux). Nhiệt lượng này làm ấm tầng đối lưu dưới, tăng độ ẩm và kích thích quá trình đối lưu – tiền đề cho hình thành mây và mưa.

Sự xuất hiện của bão nhiệt đới phụ thuộc mạnh vào SST. Theo nghiên cứu của NOAA, để một xoáy thuận nhiệt đới phát triển thành bão, SST tại khu vực đó phải đạt ít nhất 26.5 °C ở lớp nước sâu khoảng 50 m. Khi SST cao hơn mức này, nước biển bốc hơi mạnh, cung cấp năng lượng và hơi nước dồi dào cho vùng lõi bão – làm tăng cường độ gió, mưa và sét.

Bên cạnh đó, SST còn liên quan đến:

• Sự phân bố mưa mùa, đặc biệt tại Nam Á, Tây Phi và Nam Mỹ
• Tạo sương mù ven biển khi có chênh lệch nhiệt mạnh giữa SST và không khí
• Thay đổi lưu lượng và hiệu suất dòng hải lưu như Gulf Stream, Kuroshio

SST cũng là chỉ báo quan trọng trong cảnh báo sớm các hiện tượng cực đoan như El Niño hay sóng nhiệt biển, từ đó giúp nâng cao khả năng dự báo và thích ứng với biến đổi khí hậu trong quy mô khu vực và toàn cầu.

Tác động đến hệ sinh thái biển

Nhiệt độ mặt biển ảnh hưởng trực tiếp đến sự phân bố, sinh trưởng, sinh sản và hành vi di cư của sinh vật biển. Hầu hết sinh vật biển là sinh vật biến nhiệt (ectotherm), nghĩa là nhiệt độ cơ thể phụ thuộc vào môi trường. Khi SST thay đổi, đặc biệt theo xu hướng tăng do biến đổi khí hậu, sinh vật biển có thể bị đẩy khỏi vùng nhiệt độ tối ưu, gây rối loạn cân bằng sinh thái.

Sự tăng SST kéo dài có thể dẫn đến hiện tượng “sóng nhiệt biển” (marine heatwaves), gây tổn hại nghiêm trọng đến rạn san hô, hệ sinh vật phù du, cá thương mại và động vật có vỏ. Một ví dụ điển hình là sự kiện Bleaching toàn cầu (2015–2016), khi SST cao bất thường khiến hơn 70% rạn san hô Great Barrier Reef bị tẩy trắng, một số khu vực mất hơn 90% độ phủ san hô sống.

• Nhiệt độ cao làm giảm oxy hòa tan trong nước, gây stress sinh lý và tăng tỷ lệ chết cá.
• Sự dịch chuyển vùng phân bố sinh vật như cá ngừ, cá thu, mực… ảnh hưởng đến ngành đánh bắt.
• Thay đổi chu kỳ sinh sản của sinh vật phù du và nhuyễn thể, làm gián đoạn chuỗi thức ăn biển.

SST cũng ảnh hưởng đến hiện tượng nở hoa của tảo độc (Harmful Algal Blooms – HABs). Ở vùng biển có nước ấm, tốc độ phát triển của tảo có thể tăng mạnh, đặc biệt khi kèm theo dinh dưỡng từ dòng chảy sông hoặc nước thải, gây hiện tượng tảo nở hoa gây chết cá, làm mất oxy và sản sinh độc tố biển nguy hiểm cho người.

Biến đổi khí hậu và xu hướng nhiệt độ mặt biển

Nghiên cứu của NASA và IPCC chỉ ra rằng nhiệt độ mặt biển toàn cầu đã tăng trung bình 0.13°C mỗi thập kỷ kể từ năm 1901, với tốc độ tăng nhanh hơn rõ rệt từ cuối thế kỷ 20. Các khu vực bị ảnh hưởng nhiều nhất là vùng nhiệt đới Tây Thái Bình Dương, Ấn Độ Dương và Bắc Đại Tây Dương – nơi lưu trữ nhiều năng lượng nhiệt của Trái Đất.

Hiện tượng tích lũy nhiệt trong đại dương là chỉ báo đáng tin cậy cho quá trình nóng lên toàn cầu, vì hơn 90% năng lượng dư thừa do hiệu ứng nhà kính bị đại dương hấp thụ. Việc SST tăng không chỉ ảnh hưởng đến động lực khí hậu mà còn góp phần làm tan băng ở hai cực, nâng mực nước biển và thay đổi chế độ tuần hoàn đại dương toàn cầu.

Một số hậu quả do SST tăng dài hạn bao gồm:

• Gia tăng tần suất và cường độ các hiện tượng khí hậu cực đoan như bão lớn, El Niño mạnh hơn.
• Phá vỡ ranh giới nhiệt sinh học của các hệ sinh thái biển dẫn đến giảm đa dạng sinh học.
• Thúc đẩy quá trình axit hóa đại dương và mất cân bằng chu trình carbon.

Hệ thống quan trắc như ARGO floats, vệ tinh VIIRS, MODIS và các mô hình hải dương số như HYCOM, ECCO được sử dụng để giám sát xu hướng SST toàn cầu theo thời gian thực và mô phỏng các kịch bản khí hậu trong tương lai.

Ứng dụng trong mô hình và dự báo

SST là biến đầu vào quan trọng trong mô hình dự báo thời tiết, mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs) và các hệ thống cảnh báo sớm cho thảm họa tự nhiên. Ví dụ, mô hình dự báo bão như HWRF (Hurricane Weather Research and Forecasting Model) sử dụng dữ liệu SST để xác định khả năng phát triển và hướng đi của bão.

Mô hình ENSO (El Niño Southern Oscillation) phụ thuộc hoàn toàn vào SST vùng xích đạo Thái Bình Dương. Khi SST trong vùng Niño 3.4 cao hơn trung bình 0.5°C trong ít nhất 5 tháng, hiện tượng El Niño được xác nhận. Tương tự, La Niña được xác định khi SST thấp hơn bình thường. Những dao động này gây ảnh hưởng toàn cầu đến lượng mưa, dòng chảy sông, nhiệt độ đất liền và mùa màng.

Dữ liệu SST còn được dùng trong:

• Dự báo mùa mưa và hiện tượng lũ lụt tại châu Á, châu Phi, châu Mỹ La tinh.
• Hệ thống cảnh báo sớm sóng nhiệt biển để bảo vệ rạn san hô và ngư trường trọng yếu.
• Hỗ trợ lập bản đồ sinh thái biển (biogeography) phục vụ quy hoạch bảo tồn.

Các sản phẩm SST như NOAA Optimum Interpolation SST, Copernicus SST hoặc GHRSST L4 SST đều cung cấp dữ liệu liên tục, chuẩn hóa, dễ tích hợp vào mô hình số và ứng dụng nghiên cứu.

Thách thức trong đo đạc và sai số

Mặc dù dữ liệu SST đã được cải thiện đáng kể về độ chính xác và độ phủ toàn cầu, việc đo đạc vẫn gặp nhiều thách thức. Sự khác biệt giữa nhiệt độ lớp siêu mỏng (skin) đo bằng vệ tinh và lớp sâu hơn (bulk) đo bằng phao có thể dẫn đến sai số nếu không hiệu chỉnh đúng. Ngoài ra, nhiễu từ lớp mây, bụi khí quyển, sóng biển và góc quan sát ảnh hưởng đến chất lượng dữ liệu vệ tinh.

Sai số cũng phát sinh khi tổng hợp dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau. Việc đồng hóa dữ liệu SST vào mô hình số đòi hỏi kỹ thuật nội suy (interpolation) và lọc nhiễu chính xác, đi kèm với phân tích độ tin cậy (uncertainty quantification). Một số sản phẩm SST còn sử dụng hiệu chỉnh máy học (ML bias correction) để nâng cao độ tin cậy dự báo.

Việc đảm bảo chất lượng dữ liệu SST có ý nghĩa then chốt đối với các lĩnh vực như an ninh lương thực biển, cảnh báo thiên tai, dự báo năng lượng tái tạo và theo dõi chu trình carbon toàn cầu.

Tóm tắt ngắn gọn

Nhiệt độ mặt biển (SST) là chỉ số phản ánh trạng thái nhiệt lớp nước bề mặt đại dương, ảnh hưởng trực tiếp đến khí hậu, thời tiết, sinh thái và chu trình năng lượng toàn cầu. Sự biến thiên của SST theo thời gian – không gian là động lực của nhiều hiện tượng khí hậu như El Niño, bão, mưa mùa và biến đổi sinh học, đồng thời là công cụ thiết yếu cho nghiên cứu khí hậu hiện đại và cảnh báo sớm rủi ro môi trường.