近日，中国科学院大气物理研究所地球系统数值模拟与应用全国重点实验室孟君副研究员联合北京师范大学等国内外多家科研机构，在物理学顶级期刊《Physical Review Letters》（PRL）上发表了题为“Self-organized criticality in atmospheric rivers”的研究成果，并入选“编辑推荐”（Editors’ Suggestion）。该研究首次从统计物理学中临界动力学的视角出发，系统性地揭示了大气河（Atmospheric Rivers）作为全球水汽输送核心结构所具备的自组织临界性（Self-Organized Criticality, SOC）本质，为理解极端降水及全球水文循环提供了全新的基础理论框架。

图1 论文信息

作为地球气候系统中极向水汽输送的主通道，大气河承担了全球90%以上的中高纬度水汽通量，是引发洪涝灾害与极地冰川消融的关键因子。尽管气象学界对其观测特征已有深入研究，但其宏观演化是否遵循某种普适的物理组织规律，始终是大气科学领域亟待解决的基础性科学问题。孟君副研究员等人的研究突破了传统的气象诊断范式，通过对过去70余年全球再分析资料的精细化分析，发现大气河在空间形态上展现出显著的分形几何特征。这种非欧几里得几何的尺度不变性，初步揭示了其内部存在跨尺度的动力学关联，而非随机的天气现象组合。

为了进一步阐明其物理机制，研究团队创新性地构建了“水分雪崩模型（Moisture Avalanche Model, MAM）”，将大气河的生成类比为非平衡态下的自组织雪崩过程。在模型中，水汽的累积、输送与耗散在阈值触发机制下自发组织，成功再现了观测数据中的幂律标度（Power-law scaling）特征。研究证实，大气河的规模分布不具备特征尺度，这种“无标度”特征是系统处于自组织临界态的核心标志。这意味着，即便是在复杂的非线性气候背景下，大气河的演化依然受到简洁而深刻的物理法则支配。

在全球变暖的情景下，大气河的演化趋势备受关注。研究发现，虽然在全球升温背景（SSP585情景）下，大气河表现出显著的强度增强及向极地迁移的趋势，但其底层的幂律标度结构和临界动力学特征却展现出极高的稳定性。这种统计性质的“韧性”表明，自组织临界性是大气河系统内在的稳态属性，不随气候外部参数的改变而失效。这一结论不仅深化了对极端天气事件物理本质的认知，也为评估未来气候预测模型的可靠性提供了新的基准。

图2 大气河规模的幂律分布与标度

论文第一作者为北京师范大学博士毕业生王上。中科院大气物理研究所孟君副研究员与樊京芳教授为共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金（T2525011、42450183、42575057、12275020、12135003、12205025、42461144209），国家重点研发计划（项目编号：2025YFF0517304、2025YFF0517203）以及中央高校基本科研业务费的资助。

【论文信息】

Wang, S., J. Meng, S. Fang, T. Liu, K. Christensen, J. Kurths, and J. Fan (2026). Self-organized criticality in atmospheric rivers. Physical Review Letters, 136, 094201. https://doi.org/10.1103/7l2l-g5vn