雨滴随云层湍流而增长：新发现可以改善天气和气候模型
几十年来，科学家一直试图进一步了解云层中微小水滴如何长大到足以开始落向地面的复杂而神秘的事件链。更好地理解这一被称为“雨形成瓶颈”的过程，对于改进天气和气候的计算机模型模拟并最终产生更好的预报至关重要。现在，由美国国家科学基金会国家大气研究中心（NSF NCAR）的科学家领导的研究小组发现，云层中空气的湍流运动在液滴的增长和降雨的形成中起着关键作用。
研究人员利用先进的计算机模型详细观察了 NASA 实地考察期间对积云中水滴的观测结果。这让他们能够追踪湍流对最终凝聚成雨滴的初始水滴的影响。
“这项研究表明，湍流对水滴聚结的影响对于水滴尺寸的演变和降雨的开始至关重要，”美国国家科学基金会国家大气研究中心的科学家、主要作者卡马尔·康特·钱德拉卡说。“积云中的湍流大大加快了降雨速度，并导致降雨量大幅增加。”
钱德拉卡及其同事发现，在有湍流的计算机模拟中，降雨形成时间比没有湍流的计算机模拟早了大约 20 分钟。在包含湍流的模拟中，雨水的质量是无湍流的模拟的七倍多。
该研究发表在《美国国家科学院院刊》上。
从小水滴到雨水
降雨过程始于云中的小水滴在灰尘、盐或其他物质的微小颗粒周围凝结，这些颗粒被称为云凝结核 (CCN)。随着数百万个水滴相互碰撞，它们会聚结成更大的水滴，最终变得足够重，从云中落下。
雨滴的形成会因不同的条件而变化，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粒子的性质。
在天气事件和气候系统的计算机模型中正确表示这一过程对于提高这些模型的可靠性至关重要。水滴的聚结不仅对于准确预测降雨很重要，而且对于更好地理解云的演变以及它们将热量反射回太空的程度，从而影响温度也很重要。
为了弄清降雨的起始原因，钱德拉卡和他的同事们对水滴大小分布进行了观测，这些观测是由在 2019 年美国宇航局的实地活动“云、气溶胶和季风过程菲律宾实验”（CAMP2Ex）中飞入积云的研究飞机拍摄的。
研究小组利用专门的计算机模型，开发了一系列高分辨率模拟，以重现活动期间观察到的云层状况，并观察液滴如何与不同的湍流融合。
模拟结果证明了湍流在降雨时间和降雨范围方面发挥的关键作用。模拟结果还表明，大型 CCN 的存在（一些降雨形成理论关注的焦点）无法解释观察到的水滴大小和演变。在大型 CCN 和少量湍流的模拟中，水滴聚结发生得更慢，产生的降雨也更少。
“降雨的形成对云层、天气和整个气候系统而言至关重要，”钱德拉卡说。“更好地了解这一过程可以为我们的计算机模型带来重大改进，并最终改善有助于保护社会的天气预报和气候预测。”
页:
[1]