几十年来，科学家们一直试图揭开云层中微小水滴长大到足以落到地面的一连串复杂而神秘的事件。深入了解这个被称为"降雨形成瓶颈"的过程，对于增强天气和气候的计算机模型模拟至关重要，而这反过来又会带来更准确的预报。

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

研究人员将先进的计算机建模应用于对积云中液滴的详细观测，这些观测数据是在美国国家航空航天局（NASA）的一次实地考察活动中拍摄的。这使他们能够跟踪湍流对胚胎水滴的影响，这些水滴最终会凝聚成雨滴。

"这项研究表明，湍流对水滴凝聚的影响对于水滴大小的演变和降雨的形成至关重要，"领衔作者、美国国家科学基金会 NCAR 科学家 Kamal Kant Chandrakar 说。"积云中的湍流大大加快了降雨速度，导致雨量大大增加"。

钱德拉卡尔和他的同事发现，在有湍流的计算机模拟中，雨水形成的时间比没有湍流的计算机模拟早约 20 分钟。在包含湍流的模拟中，雨水的质量要高出七倍多。

这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上。该研究由美国国家航空航天局、美国能源部和国家科学基金会资助。

从小水珠到大雨

当云层中的小水滴凝结在尘埃、盐或其他物质的微小颗粒（称为云凝结核 (CCN)）周围时，降雨过程就开始了。当数以百万计的水滴相互碰撞时，就会凝聚成较大的水滴，这些水滴最终会变得足够重，从云层中掉落下来。

在不同的条件下，雨滴的形成会有所不同，例如不同大小云滴的分布以及其他因素，如湍流运动和云中颗粒的特性。

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。水滴的凝聚不仅对准确预测降雨量非常重要，而且对更好地理解云的演变以及云将热量反射回太空从而影响气温的程度也非常重要。

为了弄清降雨的起因，钱德拉卡尔和他的同事们转而利用研究飞机对雨滴大小分布的观测结果，这些观测结果是在 2019 年美国国家航空航天局（NASA）的一次实地活动--云、气溶胶和季风过程菲律宾实验（CAMP2Ex）中飞入积雨云的。

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，以重现活动期间观测到的云层状况，并了解液滴如何在不同的湍流中凝聚。

模拟结果表明，湍流在降雨的时间和范围上都起着关键作用。模拟结果还表明，一些降雨形成理论所关注的大型 CCN 的存在并不能解释观测到的水滴大小和演变过程。在具有大 CCN 和小湍流的模拟中，水滴凝聚发生得更慢，产生的降雨也更少。

"雨的发展是云、天气和整个气候系统的基础，"钱德拉卡尔说。"更好地理解这一过程可以为我们计算机模型的重大改进指明方向，并最终改进天气预报和气候预测，从而帮助保护社会。"

编译自/ScitechDaily