Lưu thông walker là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về lưu thông Walker

Lưu thông Walker (Walker Circulation) là một hệ thống tuần hoàn khí quyển quy mô hành tinh, chủ yếu hoạt động theo hướng đông–tây dọc theo vùng nhiệt đới, đặc biệt là khu vực Thái Bình Dương. Đây là một phần của lưu thông khí quyển toàn cầu, khác biệt với lưu thông Hadley vốn chủ yếu theo phương bắc–nam. Walker Circulation đóng vai trò trọng yếu trong việc điều phối các điều kiện thời tiết và khí hậu tại các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới.

Hệ thống lưu thông này lần đầu tiên được mô tả bởi Sir Gilbert Walker vào đầu thế kỷ 20 khi ông nghiên cứu mối quan hệ giữa áp suất khí quyển và biến đổi khí hậu theo thời gian. Walker phát hiện ra sự dao động áp suất giữa Darwin (Australia) và Tahiti, nay được gọi là Southern Oscillation, là biểu hiện của một hệ tuần hoàn khí quyển rộng lớn. Lưu thông Walker bao gồm một chu trình đối lưu khí quyển khép kín dọc theo vùng xích đạo, trong đó không khí nóng ẩm bốc lên ở Tây Thái Bình Dương, di chuyển về phía Đông ở tầng cao, hạ xuống ở Đông Thái Bình Dương và quay trở lại ở tầng thấp qua gió mậu dịch.

Lưu thông Walker không chỉ là một hiện tượng địa phương mà còn ảnh hưởng sâu rộng đến toàn bộ hệ thống khí hậu toàn cầu thông qua tương tác với biển, chu trình nước, và các hiện tượng như El Niño – La Niña. Bất kỳ thay đổi nào trong cường độ hoặc cấu trúc của lưu thông Walker đều có thể gây ra các biến động khí hậu lớn với hậu quả lan tỏa đến nhiều châu lục.

Cơ chế hoạt động của lưu thông Walker

Lưu thông Walker được hình thành do sự chênh lệch nhiệt độ bề mặt biển (SST – Sea Surface Temperature) giữa khu vực Tây và Đông Thái Bình Dương. Ở Tây Thái Bình Dương, nước ấm hấp thụ nhiều năng lượng mặt trời hơn, làm không khí trên bề mặt trở nên ấm và ẩm, tăng cường quá trình bốc hơi và đối lưu. Không khí nóng ẩm bốc lên, tạo ra vùng áp suất thấp và mang theo hơi nước vào tầng đối lưu.

Ở tầng cao của khí quyển, không khí di chuyển về phía Đông – nơi có vùng nước lạnh hơn và ít đối lưu hơn. Tại đây, không khí lạnh và khô hơn sẽ lắng xuống, tạo thành vùng áp suất cao trên mặt biển Đông Thái Bình Dương. Khối không khí sau đó tiếp tục di chuyển về phía Tây tại tầng thấp, hoàn tất một vòng tuần hoàn khí quyển khép kín dọc theo vùng xích đạo. Quá trình này là một ví dụ điển hình của chu trình đối lưu lớn (large-scale convection).

Phương trình liên quan đến bảo toàn khối lượng trong lưu thông khí quyển: $\nabla \cdot \vec{v} = 0$ trong đó $\vec{v}$ là vectơ vận tốc khí quyển, phản ánh rằng khí quyển là một hệ kín về khối lượng. Sự chênh lệch năng lượng giữa hai bên Thái Bình Dương chính là động lực điều khiển hệ thống lưu thông này. Các gió mậu dịch thổi từ Đông sang Tây ở tầng thấp giúp duy trì gradient nhiệt và duy trì cấu trúc ổn định của hệ thống.

Vai trò của lưu thông Walker trong hệ thống khí hậu

Lưu thông Walker đóng vai trò trung tâm trong việc kiểm soát sự phân bố nhiệt và độ ẩm trong vùng nhiệt đới, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến lượng mưa, hình thành mây và độ ẩm đất. Khu vực nơi không khí bốc lên, chủ yếu là Tây Thái Bình Dương và khu vực xung quanh Indonesia, thường có lượng mưa lớn và độ ẩm cao. Ngược lại, nơi không khí lắng xuống như bờ biển Peru và Ecuador, lại khô hạn và có hiện tượng sa mạc hóa nhẹ.

Một ví dụ đơn giản về sự phân bố mưa có liên quan đến lưu thông Walker:

Khu vực	Hoạt động đối lưu	Lượng mưa trung bình
Indonesia, Papua New Guinea	Bốc lên mạnh	2000–3000 mm/năm
Trung tâm Thái Bình Dương	Trung bình	500–1000 mm/năm
Bờ biển Peru	Không có đối lưu	< 100 mm/năm

Lưu thông Walker còn ảnh hưởng đến sự hình thành các dòng biển bề mặt và dòng chảy ngầm. Các gió mậu dịch đẩy nước ấm về phía Tây, khiến mực nước biển tại khu vực này cao hơn gần nửa mét so với bờ Đông Thái Bình Dương. Đồng thời, sự rút nước bề mặt gần Peru dẫn đến hiện tượng nước sâu lạnh trồi lên (upwelling), cung cấp dinh dưỡng cho hệ sinh thái biển.

Mối liên hệ giữa lưu thông Walker và hiện tượng El Niño – La Niña

Lưu thông Walker có mối liên hệ chặt chẽ với dao động Nam – ENSO (El Niño Southern Oscillation), một trong những cơ chế biến thiên khí hậu quan trọng nhất hành tinh. Trong pha El Niño, nhiệt độ bề mặt biển tại Đông Thái Bình Dương tăng cao bất thường, làm giảm gradient nhiệt và cản trở quá trình đối lưu tại Tây Thái Bình Dương. Không khí bốc lên dịch chuyển về phía Đông, phá vỡ chu trình đối lưu bình thường và làm yếu hoặc đảo ngược gió mậu dịch.

Trong khi đó, hiện tượng La Niña là pha ngược lại với El Niño. Nhiệt độ bề mặt biển ở Đông Thái Bình Dương thấp hơn trung bình, gió mậu dịch tăng cường, đẩy nước ấm về phía Tây mạnh hơn và làm tăng cường đối lưu tại khu vực Indonesia. Lưu thông Walker trong pha La Niña trở nên mạnh hơn bình thường, kéo theo lượng mưa lớn tại Đông Nam Á và Australia, đồng thời làm tăng hạn hán ở Nam Mỹ.

Ảnh hưởng khí hậu của các pha ENSO do biến thiên lưu thông Walker:

• El Niño: mưa lớn tại Peru, hạn hán tại Indonesia
• La Niña: mưa lớn tại Đông Nam Á, hạn hán tại Nam Mỹ

Lưu thông Walker và biến đổi khí hậu

Lưu thông Walker là một trong những hệ thống khí quyển chịu tác động rõ rệt từ quá trình biến đổi khí hậu do con người gây ra. Sự gia tăng nhiệt độ trung bình toàn cầu, đặc biệt tại vùng nhiệt đới, làm thay đổi gradient nhiệt độ giữa các phần khác nhau của Thái Bình Dương – nhân tố chủ đạo chi phối cường độ và cấu trúc của lưu thông Walker.

Các mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs) hiện nay cho thấy xu hướng chung là lưu thông Walker có thể suy yếu dần trong thế kỷ 21 do sự gia tăng nhiệt độ tại Đông Thái Bình Dương diễn ra nhanh hơn so với phía Tây. Sự thay đổi này có thể làm gia tăng hiện tượng El Niño-like, kéo theo biến đổi lượng mưa và nhiệt độ tại nhiều khu vực dân cư đông đúc.

Ảnh hưởng tiềm năng của biến đổi khí hậu lên lưu thông Walker:

• Giảm đối lưu tại Tây Thái Bình Dương
• Suy yếu gió mậu dịch, tăng bất ổn khí hậu tại Đông Nam Á
• Biến đổi dòng hải lưu và hiện tượng trồi nước
• Gia tăng nguy cơ hạn hán tại Australia, tăng mưa bất thường tại bờ Tây Nam Mỹ

Quan sát và đo đạc lưu thông Walker

Lưu thông Walker được quan sát thông qua sự kết hợp của các nguồn dữ liệu khí tượng, hải dương học và viễn thám. Các trạm mặt đất tại Darwin (Australia) và Tahiti (Polynesia thuộc Pháp) cung cấp dữ liệu áp suất khí quyển dùng để tính toán chỉ số Southern Oscillation Index (SOI), chỉ số phản ánh trạng thái dao động Walker Circulation.

Ngoài ra, hệ thống phao nổi TAO/TRITON đặt trên Thái Bình Dương cung cấp dữ liệu thời gian thực về nhiệt độ bề mặt biển (SST), gió bề mặt, nhiệt độ tầng nước sâu và áp suất khí quyển. Các vệ tinh như Aqua, Terra, và Sentinel giúp đo độ ẩm, mây, nhiệt độ tầng đối lưu và dòng nhiệt toàn cầu.

Một số nguồn dữ liệu và hệ thống quan trắc tiêu biểu:

• NOAA NCEI – National Centers for Environmental Information
• ECMWF – European Centre for Medium-Range Weather Forecasts
• TAO/TRITON Observing System – NOAA

Mô hình hóa lưu thông Walker trong dự báo khí hậu

Lưu thông Walker được tích hợp trong các mô hình khí hậu toàn cầu để dự báo ENSO và các hiện tượng thời tiết cực đoan. Các mô hình này sử dụng phương trình khí động lực học, phương trình năng lượng và bảo toàn khối lượng để mô phỏng tương tác giữa khí quyển và đại dương tại vùng nhiệt đới.

Độ chính xác của mô hình phụ thuộc vào khả năng mô phỏng:

• Gradient SST giữa Đông và Tây Thái Bình Dương
• Gió mậu dịch và đối lưu nhiệt đới
• Hiện tượng trồi nước và dòng hải lưu ngầm

Một số mô hình dự báo khí hậu theo mùa và dài hạn đã cải tiến mô phỏng lưu thông Walker đáng kể như:

Tên mô hình	Cơ quan phát triển	Ứng dụng chính
ECMWF SEAS5	Châu Âu	Dự báo ENSO, mưa nhiệt đới
CFSv2	NOAA – Hoa Kỳ	Dự báo theo mùa
ACCESS-S2	Úc	Dự báo hạn hán, mưa, cháy rừng

Tác động toàn cầu của biến thiên lưu thông Walker

Biến thiên trong lưu thông Walker không chỉ ảnh hưởng khu vực nhiệt đới mà còn lan rộng đến các vùng ôn đới và vùng cực thông qua các sóng khí quyển như sóng Rossby và Kelvin. Khi lưu thông này yếu đi, hệ quả có thể là sự dịch chuyển vị trí hình thành bão, lệch quỹ đạo gió mùa hoặc mùa đông khắc nghiệt ở bán cầu Bắc.

Một số ví dụ về tác động toàn cầu:

• El Niño mạnh có thể gây mùa đông ấm tại Canada, lạnh bất thường tại Đông Nam Mỹ
• Suy yếu Walker Circulation có thể gây thiếu mưa ở Ấn Độ Dương, dẫn tới mất mùa
• Tăng cường Walker Circulation trong La Niña có thể kéo dài mùa mưa ở Đông Nam Á

Tác động không chỉ dừng ở khí hậu mà còn ảnh hưởng đến kinh tế (nông nghiệp, năng lượng, bảo hiểm), sức khỏe cộng đồng (dịch bệnh lan rộng do thay đổi thời tiết) và an ninh lương thực toàn cầu.

Những thách thức và hướng nghiên cứu tương lai

Lưu thông Walker là hệ thống động lực phi tuyến và tương tác phức tạp với nhiều thành phần khác của hệ khí hậu. Do đó, việc mô hình hóa và dự báo chính xác biến thiên của hệ thống này vẫn đang là thách thức lớn trong khoa học khí hậu. Các mô hình hiện nay vẫn còn sai số trong mô phỏng gradient nhiệt độ và quy mô không gian – thời gian của các trường đối lưu.

Hướng nghiên cứu mới bao gồm tích hợp dữ liệu vệ tinh độ phân giải cao, sử dụng machine learning để phân tích mẫu biến động, và đồng hóa dữ liệu thời gian thực vào mô hình. Ngoài ra, sự tham gia của các mô hình liên hợp đại dương – khí quyển – đất – băng (Earth System Models) giúp tái hiện các phản hồi dài hạn của hệ thống khí hậu.

Một số trung tâm nghiên cứu tiên phong:

• NCAR – Community Earth System Model (CESM)
• NASA GISS – Global Climate Modeling Group
• ClimatePrediction.net – Oxford University

Tài liệu tham khảo

1. McPhaden, M. J., Zebiak, S. E., & Glantz, M. H. (2006). ENSO as an integrating concept in earth science. Nature, 442(7103), 199–204.
2. Deser, C., Phillips, A. S., & Alexander, M. A. (2010). Twentieth century tropical sea surface temperature trends revisited. J. Climate, 23(23), 5558–5572.
3. Trenberth, K. E., & Stepaniak, D. P. (2001). Indices of El Niño evolution. J. Climate, 14(16), 3433–3449.
4. NOAA Climate.gov. El Niño and La Niña explained.
5. IPCC AR6. Climate Change 2021: The Physical Science Basis.