革命性的天气预报：科学家破解了“降雨形成瓶颈”的秘密

新的发现有可能增强用于天气和气候预测的计算机模型。

几十年来，科学家们一直在试图解开一个复杂而神秘的事件序列，这些事件使得云中的微小液滴变得足够大，足以掉落到地面上。对这个被称为“降雨形成瓶颈”的过程有更深入的了解，对于增强天气和气候的计算机模型模拟至关重要，这反过来又会导致更准确的预测。

现在，由美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）的科学家领导的一个研究小组发现，云层中空气的湍流运动在水滴的生长和降雨的形成中起着关键作用。

研究人员运用先进的计算机模型，对美国宇航局野外活动期间拍摄的积云中的液滴进行了详细观察。这使他们能够追踪湍流对最终凝聚成雨滴的胚胎液滴的影响。

该研究的第一作者、美国国家科学基金会NCAR的科学家卡迈勒·康德·钱德拉卡尔说：“这项研究表明，湍流对液滴合并的影响对于液滴尺寸的演变和降雨的引发至关重要。积云中的湍流大大加速了降雨，并导致降雨量大得多。”

钱德拉卡和他的同事发现，在有湍流的计算机模拟中，雨的形成比没有湍流的计算机模拟早20分钟左右。在包括湍流在内的模拟中，雨水的质量高出七倍多。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。它是由美国宇航局，美国能源部和国家科学基金会资助的。

从小水滴到雨

当云中的小水滴在尘埃、盐或其他物质的微粒周围凝结时，雨的过程就开始了，这些微粒被称为云凝结核（CCN）。当数以百万计的液滴相互碰撞时，它们合并成更大的液滴，最终变得足够重，从云中掉出来。

雨滴的形成可以在不同的条件下发生变化，例如不同大小的云滴的分布，以及其他因素，例如湍流运动和云中的粒子性质。

在天气事件和气候系统的计算机模型中正确地表示这一过程，对于提高这些模型的可靠性至关重要。水滴的聚集不仅对准确预测降雨很重要，而且对更好地理解云的演变以及它们将热量反射回太空从而影响温度的程度也很重要。

为了梳理降雨的开始，钱德拉卡和他的同事们转向了在2019年美国宇航局的云、气溶胶和季风过程菲律宾实验（CAMP2Ex）的野外活动中，由飞入积云的研究飞机拍摄的雨滴大小分布的观察。

利用专门的计算机模型，研究小组开发了一系列高分辨率模拟，以重现在活动期间观察到的云条件，并观察液滴如何与不同的湍流结合。

模拟显示了湍流在降雨时间和范围中的关键作用。他们还指出，大CCN的存在，一直是一些降雨形成理论的焦点，不能解释观测到的水滴大小和演变。在CCN大、湍流小的模拟中，液滴聚并速度较慢，降雨较少。

钱德拉卡说：“降雨的发展是云、天气和整个气候系统的基础。更好地理解这一过程可以为我们的计算机模型以及最终有助于保护社会的天气预报和气候预测指明道路。”