《SCIENCE ADVANCES》：Propagation of the Madden-Julian oscillation as a deterministic chaotic phenomenon
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本研究针对MJO传播机制与可预测性这一长期悬而未决的科学难题，研究人员通过全球云系统解析模型开展了超大规模集合模拟，揭示了在单一背景状态下，MJO传播呈现出由跨尺度非线性相互作用引起的混沌特征，即存在多个传播时序不同的“状态”。研究指出，气候态海表温度的赤道不对称性是引发这一分岔的关键外部参数，而热带-温带波动的相互作用则影响具体状态的选择。这一发现挑战了传统的线性理论框架，为构建更完善的MJO概念模型及预测其传播提供了全新视角，对延伸期天气预报和气候预测具有重要意义。
在浩瀚的地球天气与气候系统中，存在着一个被称为“风暴之王”的庞大现象——马登-朱利安振荡(Madden-Julian Oscillation, MJO)。它就像一位在热带印度洋-太平洋地区缓慢东行（约5米/秒）的巨型云团指挥官，规模可达上千公里，不仅直接影响途经地区的降雨和风暴，其影响力还能通过大气遥相关波及全球，触发厄尔尼诺/南方涛动(El Ni?o/Southern Oscillation, ENSO)的位相转变、唤醒亚洲/澳大利亚季风、影响热带气旋生成，甚至与中纬度地区的极端天气（如热浪、寒潮、暴雨和龙卷风）以及北极平流层的温度和环流变化相关联。正因其深远的影响，理解并预测MJO的传播，对于提高从中期到季节尺度的天气预报和气候预测能力至关重要。然而，尽管自其被发现以来的数十年间科学家们付出了巨大努力，MJO的基本物理机制，特别是其东向传播的动力，仍被描述为“尚不为人所透彻理解的最后一类天气系统”，其可预测性也一直是个谜。传统的“线性”理论将MJO视为叠加在固定背景场上的扰动，无法完全解释观测中的一些关键特征，如海洋性大陆对MJO传播的“屏障效应”以及其多尺度结构。这些谜团的背后，是否隐藏着我们未曾充分认识的复杂性？
为了破解MJO传播机制之谜，研究人员进行了一项雄心勃勃的计算实验。他们不再局限于传统的线性思维框架或小规模模拟，而是借助日本“富岳”超级计算机的强大算力，使用水平分辨率约14公里的非静力二十面体大气模型(Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model, NICAM)，对2018年11月和12月发生的两次MJO事件，分别进行了1000个成员的“超大规模集合”模拟。每次模拟持续45天，通过改变大气初始场（共100种）的起报日期（共10天），为MJO的传播行为构建了一个广阔的“解空间”。此外，他们还设计了敏感性试验，交换了两次事件间的海表温度边界条件，以探究海温的关键作用。研究利用观测的向外长波辐射和再分析数据作为验证基准，并通过创新的方法从模拟数据中识别和追踪MJO的传播过程。
研究结果揭示了一个超越传统认知的、更为复杂的MJO图像。
MJO传播的多重状态
模拟结果显示，11月MJO的传播时间分布呈现单一峰值，与观测一致，被称为Nov-1状态。然而，12月MJO的传播时间却清晰地分岔为两个不同的时间窗口：12月22日左右和12月30日左右，分别称为Dec-1状态和Dec-2状态。这种双峰分布表明，在单一的大气-海洋背景状态下，MJO的传播可以存在多种可能路径，类似于非线性动力系统中的分岔现象。观测到的12月MJO传播可被视为Dec-1状态的一次实现。
支撑分岔状态的物理过程
对未观测到的Dec-2状态的分析发现，其关键特征在于12月17日前后，对流活动在海洋性大陆东南部表现出显著的赤道不对称性（南半球更活跃）。这伴随着一个跨越赤道的经圈环流，其低层南风增强了南海域的感热和潜热通量，最终促使对流在西太平洋重新组织并东传。这种赤道不对称的对流增强，与从11月到12月气候态海表温度的南半球增暖密切相关。
气候态海温是MJO传播状态分岔的关键
敏感性试验证实了这一猜想。当使用11月的海温条件去模拟12月MJO时，Dec-2状态消失，传播时间变得几乎唯一。反之，当使用12月的海温条件去模拟11月MJO时，原本单一的传播状态变得多样化，出现了更晚传播的可能性。这直接证明，气候态海温的赤道不对称性是导致MJO传播状态分岔的根源。
热带-温带相互作用作为状态选择的成因
研究发现，Dec-1与Dec-2状态的选择，取决于MJO传播前热带-温带相互作用的强度差异。在Dec-1状态及对应的观测中，12月上旬有一个温带槽向热带西太平洋侵入，其通过准地转Q矢量辐合强迫出大尺度上升运动，使该区域大气变湿，这有利于产生并维持西传的热带罗斯贝波，后者为MJO的东传提供了水分输送。在模拟中，Dec-1状态表现出比Dec-2状态更强的温带槽入侵信号、更湿润的环境以及由此导致的更强的天气尺度涡动动能的正倾向。这种差异的根源，又与MJO对流本身激发的上层环流（松野-吉尔响应）对温带罗斯贝波折射的反馈调节有关。
MJO传播对热带-温带相互作用的季节性敏感
研究进一步指出，12月的气候背景（西风急流轴更偏向赤道，急流出口区更靠近热带）本身就比11月更有利于温带扰动影响热带地区。这意味着在12月，热带-温带相互作用的强度更容易成为决定MJO传播选择哪个状态的“临界阈值”。
研究结论与讨论
本研究通过前所未有的超大规模集合模拟，有力证明了MJO的传播不能由线性理论完全解释。它是一个非线性的混沌现象，其核心特征在于：气候态海表温度的赤道不对称性作为外部分岔参数，催生了MJO传播的多种可能状态；而热带-温带波动与MJO环流之间的双向跨尺度非线性相互作用，则决定了具体哪个状态会被选中。这一发现将MJO传播提升为一个“确定性混沌现象”来理解。
这项研究具有重要的科学意义和应用前景。在科学上，它突破了传统线性MJO理论的局限，提出了一个包含多状态和跨尺度相互作用的新概念模型，为理解MJO的季节性活动变化（如12月至2月MJO发生更频繁）提供了新的物理解释。在应用上，它指明了改进MJO预测的潜在方向：预测的成功与否，关键在于能否准确捕捉西太平洋上西传的热带波活动（对11月MJO）以及初始MJO的强度和对流层上层的热带-温带相互作用（对12月MJO）。同时，研究也指出，MJO传播固有的高度概率性对基于观测或传统气候模式输出的机器学习预测模型构成了挑战，而利用能捕捉此类分岔解的超大规模、高分辨率集合模拟数据来训练模型，可能会是提升人工智能预测MJO能力的关键。这项研究成果发表在《科学进展》(SCIENCE ADVANCES)期刊上，为更深入地理解这一“风暴之王”的复杂行为及其全球气候效应迈出了关键一步。
