科学家发现，聚集的云层以令人惊讶的方式增强风暴——带来大量致命的降雨和洪水

云常常聚集成大型有序的系统，形成高耸的柱子和其他形状，反映大气中的物理现象。 图片：uux.cn地球科学与遥感单位 / NASA约翰逊航天中心

（神秘的地球uux.cn）据《Knowable Magazine》（克莱尔·沃森 ）：卡罗琳·穆勒看待云朵的方式与大多数人不同。别人可能看到蓬松的棉花糖、轻盈的棉花糖或雷鸣般的灰色物体在头顶飞舞，而穆勒看到的是天空中流动的液体。她想象空气如何上升和下降，温暖与冷却，螺旋旋转形成云朵，引发风暴。

但穆勒，这位奥地利克洛斯特诺伊堡科学技术研究所气候科学家，近年来对这些大气谜题的关注度激增。随着地球因全球变暖而受重创，风暴变得更加猛烈，有时降雨量是预期的两倍甚至三倍。2025年3月，阿根廷巴伊亚布兰卡的情况就是这样：该市近一半的年平均降雨量在不到12小时内降落，导致致命洪水。

大气科学家长期以来一直利用计算机模拟来追踪空气和水分的动态如何产生各种风暴。但现有模型并未完全解释这些更猛烈风暴的出现原因。一个大约有200年历史的理论描述了温暖空气比冷空气含有更多水分：每升温摄氏度，湿度增加7%。但在模型和天气观测中，气候科学家观察到的降雨事件远远超过了预期的增加。当大雨落在已经饱和的土壤上或潮湿热浪后，这些风暴可能导致严重洪水。

云及其聚集方式可能有助于解释发生了什么。

穆勒十多年前启动的一项日益增长的研究正在揭示几个此前气候模型忽视的小尺度过程。这些过程影响云的形成、聚集和持续方式，可能放大暴雨，助长更大且持久的风暴。穆勒说，云有“内在生命”，“这能增强它们的力量，或帮助它们活得更久。”

其他科学家则需要更多说服力，因为研究人员用来研究云层的计算机模拟将地球简化为最简单、最平滑的形态，保留了其基本物理特性，但其他方面几乎与现实世界无关。

但现在，更深层次的理解正在召唤。更高分辨率的全球气候模型终于可以在行星尺度上模拟云层及其形成的破坏性风暴——为科学家提供更真实的画面。通过更好地理解云层，研究人员希望改进对极端降雨的预测，尤其是在热带地区，这些地区雷暴最猛烈，未来降雨预测最不确定。

所有云都形成于潮湿上升的空气中。山脉可以推动空气向上;冷锋同样可以。云也可以通过一种称为对流的过程形成：当阳光、温暖的土地或温暖的海水从下方加热空气时，大气中的空气翻转。随着暖空气上升，它会冷却，将带上水汽的水汽凝结成雨滴。这种凝结过程还会释放热量，从而推动风暴翻腾。

但云层仍然是气候模型中最薄弱的环节之一。这是因为科学家用来模拟未来变暖情景的全球气候模型过于粗糙，无法捕捉产生云层的上升气流，也无法描述云层在风暴中如何旋转——更不用说解释控制降雨量的微观物理过程了。

为了解决这个问题，穆勒和其他志同道合的科学家转向了更简单的地球气候模拟，能够模拟对流。在这些人工世界中，每个世界形状像一个浅盒子，通常宽数百公里，深度数十公里，研究人员通过调整复制大气层，试图找出云在不同条件下的表现。

有趣的是，当研究人员运行这些模型时，云层会自发聚集在一起，尽管模型中没有通常推动云层聚集的特征——没有山脉、没有风、没有地球自转或阳光季节变化。“没人知道为什么会发生这种事，”哥伦比亚国立大学波哥大分校的大气科学家丹尼尔·埃尔南德斯·德克斯说。

2012年，穆勒发现了第一个线索：一种被称为辐射冷却的过程。太阳从地球表面反射的热量会辐射回太空，在云很少的地方，更多的辐射逸出——给空气降温。这些凉爽的区域形成了大气流动，推动空气向多云区域流动——捕获更多热量，形成更多云。2018年的一项后续研究显示，在这些模拟中，辐射冷却加速了热带气旋的形成。“这让我们意识到，要理解云，也必须关注邻里——外面的云，”穆勒说。

科学家们不仅关注云层外部，还关注云层下方和边缘，发现了其他小尺度过程，帮助解释云团聚集的原因。穆勒及其同事在《流体力学年评》中描述的各种过程，都将温暖潮湿的空气聚集在一起，使得本已多云的区域形成更多云。这些小尺度过程此前鲜为人知，因为它们常被更大的天气模式所掩盖。

埃尔南德斯·德克斯一直在研究一种叫做“同步”的过程——即云边缘空气的湍流混合。大多数气候模型将云描述为持续上升的气流，但他说，实际上“云就像花椰菜”。“你有很大的湍流，云层里有这些气泡。”这种边缘的混合影响云的演化和雷暴的发展;它可以通过多种方式削弱或增强风暴，但就像辐射冷却一样，它会促使更多云团在已经潮湿的地区形成。

这些过程在地球热带地区的风暴中可能尤为重要，因为那里对未来降雨最不确定。（这也是为什么埃尔南德斯·德克斯、穆勒等人倾向于将研究重点放在这里。）热带地区缺乏主导高纬度空气流动的冷锋、急流以及螺旋式的高低压系统。

一张名为《大气中的微小变化如何使云团聚》的科学信息图展示了表面、边界层和自由对流层之间四个编号阶段的相互作用。uux.cn

从大气的低层到被称为自由对流层的高层区域，有几种现象促使云形成并聚集在一起。它们包括辐射冷却（1），即太阳热量从地球表面通过晴朗的天空反射回太空，导致大气部分区域冷却;以及云边缘的混合（2），使云保持在一起。其他过程（3和4）涉及额外的扰动，可能影响云的行为。

云内部还有其他微观过程影响极端降雨，尤其是在较短时间尺度上。湿度很重要：凝结的水滴在潮湿多云空气中落下时蒸发量较少，因此更多水流落到地面。温度也很重要：当云在较暖大气中形成时，它们产生的雪较少，降雨更多。由于雨滴落得比雪花快，下降过程中蒸发的量也较少——再次产生更多降雨。

这些因素也有助于解释为什么云层中挤压的降雨量超过了200年前理论预测的每升温7%的升雨量。“本质上，你会获得额外的刺激......在我们的模拟中，降雨几乎是翻倍的，”澳大利亚墨尔本蒙纳士大学的气候科学家马丁·辛格说。

云聚集会让温暖潮湿的空气聚集在一起，从而增加雨滴的落下。穆勒及其合作者的一项研究发现，云团聚会使短时降雨极端强度增加30%到70%，主要原因是雨滴在湿润云层中蒸发较少。

其他研究，包括穆勒团队博士后鲍嘉伟领导的研究，也发现云层内部的微观物理过程对快速、强降雨有强烈影响。随着气候变化，这些突发暴雨的强度远快于持续的暴雨，常常引发山洪暴发。

研究云团聚现象的科学家们希望了解随着地球变暖，这种行为会如何变化——以及这对强降雨和洪水事件意味着什么。

一些模型表明，随着全球变暖，云层（及其产生的对流）会更加聚集——并产生更多极端降雨，往往远超理论预测。但其他模拟表明云层聚集的比例会降低。佛罗里达州立大学气候科学家艾莉森·温（Allison Wing）表示：“似乎仍有可能存在多种答案，她比较了多个模型。

科学家们开始尝试通过一种称为全球风暴解析模型的强大计算机模拟来调和这些不一致之处。这些设备不仅能捕捉云层、雷暴和气旋的细微结构，还能模拟全球气候。它们在现实度上比科学家通常使用的全球气候模型提升了50倍——但却需要3万倍的计算能力。

在2024年发表的一篇论文中，鲍、穆勒及其合作者利用其中一个模型发现，随着气温升高，热带地区的云层聚集得更多——导致风暴频率降低，但风暴体积更大、持续时间更长，且一天内降雨量超过理论预期。

但这项工作仅依赖于一个模型，模拟了大约一个未来时间点——2070年的条件。鲍表示，科学家们需要用更多风暴解析模型进行更长时间的模拟，但很少有研究团队能负担得起这些。它们计算量极大，通常在大型集中中心运行，科学家们偶尔会举办“黑客马拉松”来解析和分享数据。

研究人员还需要更多真实世界的观测数据，以揭示关于云层的一些最大未知。尽管最近有大量利用卫星数据的研究将云层聚集与热带地区更强降雨联系起来，但在许多热带地区存在较大的数据缺口。这削弱了气候预测，使许多国家准备不足。2025年6月，委内瑞拉和哥伦比亚的洪水和山体滑坡冲毁了建筑物，造成至少十几人死亡，但科学家们无法确定哪些因素加剧了这些风暴，因为数据极其有限。“至今没人真正知道是什么引发了这一切，”埃尔南德斯·德克斯说。

新的细致数据正在路上。Wing正在分析一艘德国科研船在2024年横渡热带大西洋六周的降雨数据。船上的雷达绘制了与风暴相关的对流簇，因此这项工作有助于研究人员了解云层在广阔海洋区域的组织结构。

而更为全球化的视角即将到来。欧洲航天局计划在2029年发射两颗卫星，测量包括扰乱地球海洋和掠过山顶的近地表风等。科学家们希望，这些卫星传回的数据最终能更好地理解聚集云层及其降下的最强降雨。

本文的研究和访谈部分由奥地利科学技术研究所（ISTA）资助的新闻驻地项目支持。ISTA对故事没有任何参与。