Assessment of the MJO’s Southward Detour in CMIP6 models
本研究评估了35个CMIP6模型，发现大多数模型由于背景水汽梯度不足，低估了MJO绕过海洋大陆向南偏转的过程，从而凸显了准确的水汽场表征在改进MJO模拟中的关键作用。
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热带上空的空气从未静止。它以巨大的、有节奏的脉动进行呼吸，横跨海洋移动，带来数周的强降雨，随后又是晴朗的天空。这就是马登-朱利安振荡（Madden-Julian Oscillation），一个每月或每两个月环绕全球一次的巨大云层与风力的波浪。它是季节内天气变化最重要的驱动力，扮演着主开关的角色，可以开启或关闭热带风暴，改变季风降水，甚至影响数千英里外如欧洲和北美等地的天气模式。对于试图提前数周预测天气的科学家来说，理解这种脉动至关重要。然而，这个大气波在向东移动时面临着一个显著的障碍：海洋大陆。这一地区是由印度尼西亚到巴布亚新几内亚的一系列群岛组成的广阔地带，是深海、高山和茂密雨林的复杂混合体。当这个天气波撞击到这片复杂的陆地时，它往往会踉跄、减弱或停滞。
几十年来，研究人员已经知道，当这个天气波在北半球冬季设法穿过这些岛屿时，它很少沿直线行进。它并没有紧贴赤道，其主要的降雨和云带往往会向南偏移，绕过岛屿并向澳大利亚方向移动。这种“向南绕行”是该系统的一个关键特征，它改变了热量释放到大气中的位置，并改变了该波浪对世界其他地区的影响。然而，尽管气象预报取得了诸多进展，计算机模型仍难以模拟这种行为。它们倾向于将天气波固定在赤道上，忽略了关键的向南转向。由于缺乏这一细节，模型无法准确预测该波浪将如何影响全球天气模式。
一个研究小组致力于通过研究目前最先进的气候模型来解决这一盲点。他们分析了来自第六阶段耦合模式比较计划（CMIP6）的三十五个不同的计算机模拟，这是一项旨在改进气候预测的全球性努力。为此，他们发明了一种测量天气波路径的新方法，专门追踪其在穿越岛屿时向南移动的距离。他们的目标很简单：观察这些现代机器能否重现观察到的向南绕行现象，并弄清楚为什么有些模型成功而另一些则失败。
结果令人警醒。当研究人员将他们的新测量方法应用于这三十五个模型时，他们发现大多数模型都偏离了目标。近四分之三的模型低估了向南的转向，使天气波保持在离赤道过近的位置。平均而言，这组模型仅捕捉到了自然界中实际向南偏移量的约三分之二。这证实了即使是最复杂的气候模型，在处理该区域复杂的物理过程时仍然感到吃力。然而，这项研究不仅仅是列举失败，它还将模型按表现进行了分类。有些模型能够让天气波向东穿过岛屿，但使其保持在赤道上；另一些模型则根本无法向东移动，导致波浪在穿越之前就消失了。只有极少数的模型同时做到了这两点：既让波浪向东移动，又使其正确地向南弯曲。
通过对比成功的模型与失败的模型，研究人员发现了实现正确模拟所需的特定要素。他们发现，移动天气波向东的能力与使天气波向南弯曲的能力是由两种不同的因素控制的。要向东移动，模型需要印度洋与太平洋之间存在强烈的湿度差异，即一个推动波浪前进的陡峭湿度坡度。然而，要实现向南转向，模型则需要另一种设置：南北半球之间存在强烈的湿度对比。具体而言，那些正确模拟了绕行的模型，其澳大利亚季风地区的背景环境更为湿润。这种位于南部岛屿上方的额外水分就像一块磁铁，在波浪穿越群岛时将其拉向南方。
研究还将这些水分模式与海表温度联系起来。那些成功模拟出向南绕行的模型，其海洋温度呈现出类似拉尼娜（La Niña）现象的状态，即东太平洋较冷且澳大利亚夏季季风较强。相比之下，未能显示出绕行现象的模型，其海洋模式看起来更像厄尔尼诺（El Niño）。这表明，海洋的大尺度状态是一个关键开关，决定了天气波会选择南方路线还是留在赤道。研究人员指出，实现向东移动是向南转向的前提条件；如果波浪首先无法穿过岛屿，它就无法向南弯曲。但仅仅实现向东移动是不够的，模型还必须正确掌握南部岛屿上的水分平衡，才能触发绕行。
这些发现为改进天气和气候预测提供了清晰的路径。研究表明，修复这些模型的关键不在于微调云层形成的复杂规则，而在于把握好基本的背景条件。如果气候模型能够更好地模拟南北半球之间的自然湿度差异，以及驱动这些差异的特定海洋温度，它们预测向南绕行的能力将会大大提升。这种改进意味着可以更准确地预测热带气旋、季风以及依赖于这一大气脉动的全球天气模式。虽然这项研究依赖于计算机模拟和统计比较而非直接的物理实验，但其结果在三十五个不同模型中的一致性赋予了研究结果很强的说服力。作者总结道，通过专注于这些背景水分场，科学家们终于可以让我们数字预报中的马登-朱利安振荡获得它应有的南方路径。
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