圖源：Unsplash / Slawek K

導(dǎo)讀：

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，云團(tuán)的聚集行為會以驚人的方式增加風(fēng)暴的強度，從而導(dǎo)致強降水和洪水，造成人員傷亡。

Clare Watson｜撰文

趙金瑜｜翻譯

斯嘉麗｜審校

在別人看來，云或許是蓬松的棉花糖、纖細(xì)的游絲，或是從頭頂呼嘯而過的灰色巨物。但在卡羅琳·穆勒（Caroline Muller）眼中，云是流淌在天際的流體。她能想象出空氣如何上升和下降、變化和冷卻、旋轉(zhuǎn)和翻騰，最終凝結(jié)成云團(tuán)、形成風(fēng)暴。

穆勒是奧地利科學(xué)技術(shù)研究所的氣候科學(xué)家。近年來，她對于揭開這一大氣謎題的緊迫感與日俱增。隨著全球變暖導(dǎo)致地球酷熱難耐，風(fēng)暴的強度也在增加，有時降雨量甚至達(dá)到預(yù)期的兩三倍。2025年3月，阿根廷的布蘭卡港（Bahía Blanca）就遭遇此類極端事件：不到12小時內(nèi)，該市降下了接近年平均降雨量一半的雨水，引發(fā)了致命的洪災(zāi)。

長期以來，大氣科學(xué)家利用計算機模擬來追蹤空氣和水汽的動力學(xué)變化如何演變?yōu)楦鞣N風(fēng)暴。但是，現(xiàn)有的模型并沒能完全解釋這些風(fēng)暴愈演愈烈的成因。一個沿用了約200年的理論指出，暖空氣比冷空氣能容納更多的水汽：氣溫每升高1攝氏度，水汽含量就會增加約7%。然而，在模型推演和實際天氣觀測中，氣候科學(xué)家發(fā)現(xiàn)降雨事件的增幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了預(yù)期。當(dāng)暴雨傾瀉在水分已經(jīng)飽和的土壤里，或緊隨潮濕熱浪而來時，這些風(fēng)暴就會引發(fā)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。

云團(tuán)及其聚集的方式，或許有助于解釋這些情況。

穆勒在十多年前開啟的一系列研究，正在不斷深入，揭示出一些此前被氣候模型忽視的小尺度過程。這些過程影響著云的形成、聚集和維持，從而可能加劇暴雨，并助長規(guī)模更大、持續(xù)時間更長的風(fēng)暴。穆勒表示，云擁有某種“內(nèi)在生命”，“這可以讓它們增長，或者幫助它們持續(xù)更長時間?！?/p>

不過，要說服其他科學(xué)家還需要更多證據(jù)。因為研究人員用來研究云的計算機模擬往往將地球簡化為最簡單、最平滑的形式，這雖然保留了其基本物理特性，但與真實世界相去甚遠(yuǎn)。

現(xiàn)在，更深層次的理解勢在必行。更高分辨率的全球氣候模型終于可以模擬全球范圍內(nèi)的云層及其形成的破壞性風(fēng)暴，為科學(xué)家提供了更真實的圖景。通過更好地理解云層，研究人員希望能夠改進(jìn)對極端降雨的預(yù)測。尤其是在熱帶地區(qū)，那里經(jīng)常發(fā)生一些最猛烈的雷暴，并且降雨預(yù)測也最具不確定性。

SAIXIANSHENG

云團(tuán)聚集的最初跡象

所有的云都誕生于潮濕、上升的氣流中。山脈可以推升空氣上升，冷鋒也能起到同樣的作用。云還可以通過對流過程形成：當(dāng)陽光、溫?zé)岬年懙鼗驕嘏乃w從下方加熱空氣時，大氣中的空氣便會開始翻轉(zhuǎn)運動。隨著暖空氣上升，它會冷卻，攜帶的水蒸氣凝結(jié)成雨滴。這種凝結(jié)過程也會釋放熱量，進(jìn)而為翻騰的風(fēng)暴提供動力。

但在氣候模型中，云仍然是最薄弱的一環(huán)。這是因為科學(xué)家用來模擬未來變暖情景的全球氣候模型過于粗糙，無法捕捉到那些形成云的上升氣流，也無法描述云在風(fēng)暴中如何翻轉(zhuǎn)，更不用說解釋控制雨水從云層落到地球上的微觀物理過程了。

為了解決這個問題，穆勒和其他志同道合的科學(xué)家轉(zhuǎn)向了更簡化的地球氣候模擬模型，專注于模擬對流。在這些通常寬幾百公里、深幾十公里的人工世界箱體中，研究人員對模擬的大氣層進(jìn)行調(diào)整，試圖觀察云在不同條件下的行為。

這幅模擬圖的上半部分展示了一種空氣運動較為無序的大氣狀態(tài)，云層會在各個位置隨機出現(xiàn)。下半部分則模擬了對流模式已經(jīng)變得有序的大氣環(huán)境，云層會自發(fā)聚集到同一片區(qū)域，最終形成一場風(fēng)暴。

有趣的是，當(dāng)研究人員運行這些模型時，云層會自發(fā)地聚集在一起。即使這些模型中沒有任何通常會促使云層聚集的因素——沒有山脈，沒有風(fēng)，沒有地球自轉(zhuǎn)或陽光的季節(jié)性變化?！皼]人知道這是為什么，”哥倫比亞國立大學(xué)的大氣科學(xué)家丹尼爾·德克斯（Daniel Hernández Deckers）說道。

2012年，穆勒發(fā)現(xiàn)了第一條線索：輻射冷卻。從地球表面反射的太陽熱量會輻射回太空，在云層稀疏的地方，更多的輻射會逃逸到太空，這使得空氣冷卻。這些較冷區(qū)域會形成大氣流動，將空氣流向云量較多的區(qū)域，從而在該區(qū)域捕獲更多的熱量并形成更多的云。2018年的一項后續(xù)研究表明，在這些模擬中，輻射冷卻加速了熱帶氣旋的形成。“這讓我們意識到，要理解云，你還必須觀察云之外的區(qū)域，” 穆勒說道。

當(dāng)科學(xué)家們不僅開始觀察云層的外部，還著眼于云層的下方及其邊緣時，他們發(fā)現(xiàn)了其他有助于解釋云為何聚集的其他小尺度過程。穆勒及其同事在《流體力學(xué)年度綜述》（Annual Review of Fluid Mechanics）中描述了這些不同的過程。這些小尺度過程都能將溫暖、潮濕的空氣團(tuán)聚集在一起，從而在已經(jīng)多云的區(qū)域催生更多云層。由于這些小尺度過程通常被更大的天氣模式所掩蓋，所以此前并未被充分理解。

德克斯一直在研究其中一個被稱為夾卷（entrainment）的過程——即云層邊緣空氣的湍流混合。大多數(shù)氣候模型將云簡化為一股穩(wěn)定的上升氣流，但實際上，“云就像花椰菜，”他說，“云內(nèi)部有很多湍流，還有很多氣泡。”這種邊緣混合影響了云的演變和雷暴的形成；它能以各種方式削弱或增強風(fēng)暴，但就像輻射冷卻一樣，它會促使更多的云在已經(jīng)潮濕的地區(qū)聚集成團(tuán)。

這些過程在地球熱帶地區(qū)的風(fēng)暴中可能非常關(guān)鍵，那里對未來降雨量的不確定性也最大。（這也是為什么埃爾南德斯·德克斯, 穆勒等人傾向于將研究重點放在熱帶地區(qū)的原因。）熱帶地區(qū)缺乏在高緯度地區(qū)主導(dǎo)氣流的冷鋒、急流以及螺旋狀的高壓和低壓系統(tǒng)。

從大氣低層到高空自由對流層，多種現(xiàn)象有助于云的形成和聚集。這些現(xiàn)象包括（1）輻射冷卻，即太陽熱量從地表穿過晴朗的天空反射回太空，導(dǎo)致部分大氣冷卻；以及發(fā)生在云層邊緣的（2）混合作用，它能將云團(tuán)維系在一起。其他過程（3和4）則涉及可能影響云層行為的額外擾動。

SAIXIANSHENG

暴雨的威力

云層內(nèi)部還存在其他微觀過程影響極端降雨，尤其是在較短的時間尺度上。濕度很關(guān)鍵：凝結(jié)的液滴在潮濕的云層中下落時，蒸發(fā)量較少，因此更多的水分會落到地面。溫度同樣重要：當(dāng)云在較暖的大氣中形成時，它們產(chǎn)生的雪更少，雨更多。由于雨滴下落速度比雪花快，它們在下降過程中蒸發(fā)得更少——這再次導(dǎo)致了更多的降雨。

這些因素解釋了為什么從云中“擠出”的雨水，會比200年前的理論所預(yù)測的“每升溫1度增加7%”還要多。“本質(zhì)上你得到了額外的‘助力’……在我們的模擬中，降雨量幾乎是翻了一番，”澳大利亞莫納什大學(xué)的氣候科學(xué)家馬丁·辛格（Martin Singh）說道。

云團(tuán)的聚集通過將溫暖潮濕的空氣鎖定在一起，增加了降雨量。穆勒及其合作者的一項研究發(fā)現(xiàn)，云團(tuán)聚集使短時極端降雨量增強了30%到70%，這主要是因為雨滴在濕透的云層內(nèi)部蒸發(fā)得更少。

其他研究，包括穆勒團(tuán)隊的博士后研究員Jiawei Bao主導(dǎo)的一項研究，同樣發(fā)現(xiàn)云層內(nèi)部的微物理過程對快速、猛烈的暴雨有顯著影響。隨著氣候變化，這些突發(fā)性暴雨的增強速度比持續(xù)性暴雨快得多，并且經(jīng)常引發(fā)山洪暴發(fā)。

SAIXIANSHENG

極端降雨的未來

研究云層聚集的科學(xué)家想知道，隨著地球變暖，這種現(xiàn)象將如何演變——以及這對強降雨和洪水事件意味著什么。

一些模型表明，隨著全球變暖，云（以及產(chǎn)生它們的對流）將更傾向于聚集在一起，并產(chǎn)生更多遠(yuǎn)超理論預(yù)測的極端降雨。但其他模擬則表明云的聚集將會減少?！八坪跞钥赡艽嬖诙喾N不同的答案，”佛羅里達(dá)州立大學(xué)塔拉哈西分校的氣候科學(xué)家艾莉森·溫（Allison Wing）在比較了各種模型后表示。

科學(xué)家們正開始嘗試使用一種強大的計算機模型——全球風(fēng)暴解析模型（global storm-resolving models）來解決這些矛盾之處。這些模型能夠捕捉云、雷暴和氣旋的精細(xì)結(jié)構(gòu)，同時模擬全球氣候。它們比科學(xué)家通常使用的全球氣候模型的真實性高出50倍，但所需的計算能力也高出3萬倍。

在2024年發(fā)表的一篇論文中，Bao、穆勒及其合作者使用了這樣一個模型。他們發(fā)現(xiàn)，隨著氣溫升高，熱帶地區(qū)的云層聚集得更加密集——導(dǎo)致風(fēng)暴頻率降低，但風(fēng)暴規(guī)模更大、持續(xù)時間更長，并且單日降雨量比理論預(yù)期的更多。

但這項工作僅依賴于一個模型，并且只模擬了未來一個時間點（2070年）的條件。Bao指出，科學(xué)家需要使用更多的風(fēng)暴解析模型運行更長時間的模擬，但很少有研究團(tuán)隊能負(fù)擔(dān)得起。這些模擬的計算量極大，通常只能在大型超算中心運行，科學(xué)家們甚至需要偶爾舉辦“黑客馬拉松”來突擊處理和共享數(shù)據(jù)。

研究人員還需要更多的現(xiàn)實世界觀測數(shù)據(jù)，才能揭開云的未知之謎。盡管近期大量利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)的研究將云的聚集與熱帶地區(qū)的強降雨聯(lián)系起來，但許多熱帶地區(qū)仍存在巨大的數(shù)據(jù)空白。這削弱了氣候預(yù)測的準(zhǔn)確性，使許多國家準(zhǔn)備不足。2025年6月，委內(nèi)瑞拉和哥倫比亞的洪水和山體滑坡沖毀了建筑物，并造成至少十幾人死亡，但由于數(shù)據(jù)匱乏，科學(xué)家至今不知道是什么因素加劇了這些風(fēng)暴?！叭匀粵]人真正知道究竟是什么引發(fā)了這一切，”德克斯說道。

新的、更精細(xì)的數(shù)據(jù)正在路上。溫正在分析一艘德國科考船在2024年橫跨熱帶大西洋六周期間采集的降雨量數(shù)據(jù)。船上的雷達(dá)繪制了與其經(jīng)過的風(fēng)暴相關(guān)的對流蔟，因此這項工作將幫助研究人員了解云層在廣闊海洋上空的組織方式。

還有一個更全球性的觀測計劃即將展開。歐洲航天局計劃在2029年發(fā)射兩顆衛(wèi)星，它們將測量擾動海洋和掠過山頂?shù)慕乇盹L(fēng)?？茖W(xué)家們希望，這些衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)，或許終將讓我們看清積云的真相，以及那些從天而降的暴雨。

原文標(biāo)題When clouds flock together，2025年12月16日發(fā)表于Knowable Magazine，《賽先生》獲授權(quán)翻譯并發(fā)布。

作者簡介：

克萊爾·沃森（Clare Watson）是一名澳大利亞自由撰稿的科學(xué)記者和事實核查員，早年從事生物醫(yī)學(xué)研究工作。后來轉(zhuǎn)向?qū)懽?，用筆取代了移液槍，她先后為Undark、Nature、the Guardian、Hakai雜志、Cosmos雜志和Australian Geographic撰稿，其作品還曾在澳大利亞廣播公司（ABC）國家《健康報道》節(jié)目中播出。她同時也在ScienceAlert從事撰寫、編輯和事實核查工作。

https://knowablemagazine.org/content/article/physical-world/2025/physics-of-clumping-clouds-extreme-rainfall

本文轉(zhuǎn)載自《賽先生》微信公眾號

《物理》50年精選文章