幾十年來，科學家一直試圖揭開雲層中微小水滴長大到足以落到地面的一連串複雜而神秘的事件。深入了解這個被稱為”降雨形成瓶頸”的過程，對於增強天氣和氣候的電腦模型模擬至關重要，而這反過來又會帶來更準確的預報。

現在，由美國國家科學基金會國家大氣研究中心（NSF NCAR）科學家領導的研究小組發現，雲層中空氣的湍流運動對水滴的生長和降雨的產生起著關鍵作用。

研究人員將先進的電腦建模應用於積雲中液滴的詳細觀測，這些觀測數據是在美國國家航空暨太空總署（NASA）的一次實地考察活動中拍攝的。這使他們能夠追蹤湍流對胚胎水滴的影響，這些水滴最終會凝聚成雨滴。

“這項研究表明，湍流對水滴凝聚的影響對於水滴大小的演變和降雨的形成至關重要，”領銜作者、美國國家科學基金會NCAR 科學家Kamal Kant Chandrakar 說。 “積雲中的湍流大大加快了降雨速度，導致雨量大大增加”。

錢德拉卡爾和他的同事發現，在有湍流的電腦模擬中，雨水形成的時間比沒有湍流的電腦模擬早約20 分鐘。在包含湍流的模擬中，雨水的質量高出七倍以上。

這項研究發表在《美國國家科學院院刊》。這項研究由美國國家航空暨太空總署、美國能源部和國家科學基金會資助。

從小水珠到大雨

當雲層中的小水滴凝結在塵埃、鹽或其他物質的微小顆粒（稱為雲凝結核(CCN)）周圍時，降雨過程就開始了。當數以百萬計的水滴相互碰撞時，就會凝聚成較大的水滴，這些水滴最終會變得足夠重，從雲層中掉落。

在不同的條件下，雨滴的形成會有所不同，例如不同大小雲滴的分佈以及其他因素，如湍流運動和雲中顆粒的特性。

在天氣事件和氣候系統的電腦模型中正確表示這一過程對於提高這些模型的可靠性至關重要。水滴的凝聚不僅對準確預測降雨量非常重要，而且對更好地理解雲的演變以及雲將熱量反射回太空從而影響氣溫的程度也非常重要。

為了弄清楚降雨的起因，錢德拉卡爾和他的同事們轉而利用研究飛機對雨滴大小分佈的觀測結果，這些觀測結果是在2019 年美國國家航空航天局（NASA）的一次實地活動–雲、氣溶膠和季風過程菲律賓實驗（CAMP2Ex）中飛入積雨雲的。

研究團隊利用專門的電腦模型，開發了一系列高解析度模擬，以重現活動期間觀測到的雲層狀況，並了解液滴如何在不同的湍流中凝聚。

模擬結果表明，湍流在降雨的時間和範圍上都起著關鍵作用。模擬結果還表明，一些降雨形成理論所關注的大型CCN 的存在並不能解釋觀測到的水滴大小和演變過程。在具有大CCN 和小湍流的模擬中，水滴凝聚發生得更慢，產生的降雨也更少。

“雨的發展是雲、天氣和整個氣候系統的基礎，”錢德拉卡爾說。 “更好地理解這個過程可以為我們電腦模型的重大改進指明方向，並最終改進天氣預報和氣候預測，從而幫助保護社會。”

編譯自/ ScitechDaily