综述解读 | MJO的发现、动力学及其对东亚的影响

热带大气存在许多不同时间-空间尺度的活动信号。在次季节尺度，最活跃的信号为季节内振荡（Intra-Seasonal Oscillation: ISO）。1971年，美国NCAR的Madden和Julian两位学者通过对热带太平洋一个岛屿测站（Canton Island）近10年逐日探空纬向风场和气压场的傅里叶周期分析，发现其中存在显著的41–53天的振荡周期，随后的大量研究证实了这个现象，因此热带ISO也被称作Madden–Julian Oscillation（MJO）。

后来的研究发现，MJO是一个行星尺度的对流-环流耦合系统，沿赤道向东传播（见图1），周期约为20–90天。在传播的过程中，MJO不仅与热带地区的天气和气候系统产生相互作用，也可通过遥相关影响热带外的天气气候。因MJO对全球天气气候的发生发展产生显著的影响，MJO受到全球气象学者和气候预报预测人员的高度关注。

图1 MJO活动示意图

（取自：NOAA Climate.gov）

有别于其他有关季节内振荡研究的综述文献，这篇发表在JMR“建国70周年气象科研业务进展”专题栏目，由夏威夷大学Tim Li（李天明）教授、中科院大气物理研究所凌健研究员、南京信息工程大学徐邦琪教授共同撰写发表的“Madden–Julian Oscillation: Its Discovery, Dynamics, and Impact on East Asia”，着重阐述了中国科学家在MJO领域的创新成果。

回顾历史，文章首先讨论了中国科学家对MJO的发现和早期理论，介绍了由季节内振荡领域知名的海内外中国学者（Li et al., 2018）联合发表在《Bulletin of the American Meteorological Society》的文章，回顾了北京大学谢义炳教授早在1963年发表在《气象学报》的一篇中文文章中对亚洲季风区40–50天周期振荡的描述，及其与西太平洋热带气旋的发生频率的关系，明确指出中国学者的MJO研究成果早于国际气象界整整8年。丁一汇院士在1977年发表的中文文章中，也曾探讨了季节内振荡环流对台风群发的调控作用。李崇银院士自1980年代至今提出了一系列有关MJO的理论及相关的研究成果。

文章重点回顾了由中国气象学家提出的MJO发生和传播机理。对于MJO向东传播的机制，总结了被国际同行广泛认同的两类MJO东传理论：一是边界层水汽的纬向不对称理论（Hsu and Li, 2012），二是整层大气湿静力能不对称性理论（Wang et al., 2017）。

边界层水汽的纬向不对称理论认为：由于大气波动效应和海气耦合过程，MJO对流东侧的边界层产生辐合作用，因而有利于对流东侧边界层的水汽积累，增加大气层结的不稳定度；相反地，对流西侧的边界层偏干，大气层结稳定，因此MJO对流向层结不稳定的东侧发展（见图2）。

图2 边界层水汽不对称导致的MJO东传示意图

Schematic diagram of boundary layer convergence induced by free-atmospheric wave dynamic and SSTA. Cloud stands for the MJO convection with heating. Solid (dashed) gyres with HK (LK) and HR (LR) indicate the high (low) pressure anomaly associated with Kelvin and Rossby waves response to convection, respectively. Red and blue shadings denote the positive and negative SSTAs, respectively. Solid green arrows indicate the anomalous ascending motion, dashed green arrows represent the boundary layer convergence, and ps and pe are pressure levels at the bottom and top of the PBL, respectively.

整层大气湿静力能不对称性理论认为：MJO独特的层状云结构，会激发MJO对流中心东、西两侧垂直环流的不对称，从而造成湿静力能倾向的东正西负结构，有利于引起MJO对流中心向东移动（见图3）。

图3 与MJO层状云结构有关的整层大气湿静力能

不对称引发MJO东传示意图

Schematic diagram illustrating the role of anomalous vertical MSE advection in generating a zonal asymmetric MSE tendency. The tall cloud describes gross feature of an MJO, which has a large-scale deep convection over its center and a stratiform cloud-like structure in the rear in the upper troposphere. The small clouds to the east of MJO convection indicate the shallow convection. The green curves denote climatological mean MSE profiles. The orange arrows denote the second baroclinic mode vertical velocity anomalies.

MJO在不同季节对东亚和我国天气系统的影响又如何呢？文章最后讨论了MJO对持续性极端强降水（见图4）、冰冻雨雪事件、高温热浪等灾害天气的调控过程。这些研究成果为我国延伸期天气预报提供了重要的科学基础。

图 4 MJO对持续性强降水的影响示意图

Anomalies of DJF persistent heavy rainfall (PHR) amount [mm (90 day)−1] during (a) phases 1–4 (P1–4) and (b) phases 5–8 (P5–8) of MJO relative to climatological state. Stippling indicates that the change of PHR amount is statistically significant at the 90% confidence level. (Liu and Hsu, 2019) 

1. Ren, P. F., L. Gao, H.-L. Ren, et al., 2019: Representation of the Madden–Julian Oscillation in CAMS-CSM. J. Meteor. Res., 33(4), 627–650, doi: 10.1007/s13351-019-8118-x.

2. Yan, X., J. Z. REN, J. H. Ju, and S. YANG, 2018: Influence of springtime Atlantic SST on ENSO: Role of the Madden–Julian Oscillation. J. Meteor. Res., 32(3), 380–393, doi: 10.1007/s13351-018-7046-5.  

3. Chang, M.-Y., T. Li, P.-L. Lin, et al., 2019: Forecasts of MJO events during DYNAMO with a coupled atmosphere–ocean model: Sensitivity to cumulus parameterization scheme. J. Meteor. Res., 33(6), 1016–1030, doi: 10.1007/s13351-019-9062-5.

4. Chen, L. J., Z. S. Gong, J. Wu, et al., 2019: Extremely active tropical cyclone activities over the western North Pacific and South China Sea in summer 2018: Joint effects of decaying La Niña and intraseasonal oscillation. J. Meteor. Res., 33(4), 609–626, doi: 10.1007/s13351-019-9009-x.

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