近日，北京师范大学系统科学学院教授樊京芳团队联合中科院大气物理研究所等多家科研单位，在国际物理学期刊Physical Review Letters（PRL）发表题为“Self-organized criticality in atmospheric rivers”的重要研究成果，并被选为Editors’Suggestion（编辑推荐）。

该研究首次从统计物理临界动力学理论出发，揭示大气河（Atmospheric Rivers）作为地球气候系统中的关键水汽输运结构，具有自组织临界性（Self-Organized Criticality）的本质属性。这一成果标志着物理学相变理论与地球气候系统研究的深度交叉融合，为理解极端水文气候事件提供了全新的基础理论框架。

一、从气象现象到临界系统：提出根本性科学问题

大气河承担全球超过90%的极向水汽输送，是极端降水、洪涝灾害与冰川融化的重要触发机制。然而，长期以来，大气河研究主要集中在气象诊断和统计描述层面，其是否存在统一的物理组织规律，尤其是否属于一种临界动力学系统，始终缺乏理论回答。樊京芳团队提出并回答了一个具有基础科学意义的问题：大气河是否是一种运行在临界态附近的自组织系统？

二、原创性突破：揭示大气河的临界动力学结构

基于超过70年的全球再分析资料与气候模式数据，研究团队系统分析了大气河的完整生命周期，取得如下原创性发现：

（1）分形几何特征：研究表明，大气河的空间形态呈现明显分形特征，其分形维数显著偏离欧氏几何，显示出典型的尺度不变结构。这意味着大气河并非随机天气现象，而是一种具有临界几何组织规律的复杂系统；

（2）幂律标度与有限尺寸效应：以柱状积分水汽输送定义的大气河事件规模遵循稳定的幂律分布，并表现出有限尺寸标度坍缩行为。幂律分布与标度不变性是临界系统的核心统计标志，表明大气河运行在无特征尺度的临界态附近；

（3）构建水分雪崩模型（Moisture Avalanche Model，MAM）：为解释这一临界行为机制，团队原创性构建了MAM。该模型将海洋蒸发驱动、水汽输运扩散、阈值触发降水耗散统一于一个非平衡自组织框架之中，成功再现观测到的幂律标度与有限尺寸标度特征。这是首次将自组织临界雪崩动力学机制系统引入大气河研究；

（4）气候变暖情景下的演变趋势：在未来高排放情景（SSP585）下，大气河强度增强并发生显著极地迁移，但其幂律标度结构保持稳定。这表明全球变暖改变的是系统参数，而非其底层临界动力学结构。这一发现揭示了地球气候系统在外部强迫下的临界动力学韧性。

三、研究意义

本研究为大气河建立了一个统计物理意义上的统一理论框架，首次在地球水汽输运系统中系统验证了自组织临界统计结构。该成果：将非平衡相变理论拓展至气候系统尺度；将雪崩动力学与分形标度理论引入水循环研究；将复杂系统临界理论应用于极端水文气候事件形成机制。这一工作不仅深化了对大气河物理本质的理解，也为极端事件预测、气候风险评估与防灾减灾提供了新的理论支撑。论文被PRL选为Editors’ Suggestion，代表该成果在国际物理学界具有重要理论意义与广泛学术影响。

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论文第一作者为北师大系统科学学院2025届博士毕业生王上。樊京芳与中科院大气物理研究所副研究员孟君为共同通讯作者。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。

樊京芳研究团队长期从事复杂系统相变理论和地球系统复杂性的研究，已经积累了多项具有国际领先的研究成果，如：构建复杂系统动力学渗流相变理论(Nature Physics 2020, Phys.Rep. 2021, Sci.China Phys Mech 2025, Phys. Rev. E 2021)，提出识别气候临界点及遥相关方法(Nat. Clim. Change 2023, Nat. Commun. 2023, Sci. Bull. 2025)，发展高影响气候事件的预测方法(PNAS 2020, J. Clim. 2022, NPJ CAS 2024, CHAOS 2022, 2023)。