远观是云朵，近看是激流

图源：Unsplash / Slawek K

导读：

科学家发现，云团的聚集行为会以惊人的方式增加风暴的强度，从而导致强降水和洪水，造成人员伤亡。

Clare Watson｜撰文

赵金瑜｜翻译

斯嘉丽｜审校

在别人看来，云或许是蓬松的棉花糖、纤细的游丝，或是从头顶呼啸而过的灰色巨物。但在卡罗琳·穆勒（Caroline Muller）眼中，云是流淌在天际的流体。她能想象出空气如何上升和下降、变化和冷却、旋转和翻腾，最终凝结成云团、形成风暴。

穆勒是奥地利科学技术研究所的气候科学家。近年来，她对于揭开这一大气谜题的紧迫感与日俱增。随着全球变暖导致地球酷热难耐，风暴的强度也在增加，有时降雨量甚至达到预期的两三倍。2025年3月，阿根廷的布兰卡港（Bahía Blanca）就遭遇此类极端事件：不到12小时内，该市降下了接近年平均降雨量一半的雨水，引发了致命的洪灾。

长期以来，大气科学家利用计算机模拟来追踪空气和水汽的动力学变化如何演变为各种风暴。但是，现有的模型并没能完全解释这些风暴愈演愈烈的成因。一个沿用了约200年的理论指出，暖空气比冷空气能容纳更多的水汽：气温每升高1摄氏度，水汽含量就会增加约7%。然而，在模型推演和实际天气观测中，气候科学家发现降雨事件的增幅远远超过了预期。当暴雨倾泻在水分已经饱和的土壤里，或紧随潮湿热浪而来时，这些风暴就会引发严重的洪涝灾害。

云团及其聚集的方式，或许有助于解释这些情况。

穆勒在十多年前开启的一系列研究，正在不断深入，揭示出一些此前被气候模型忽视的小尺度过程。这些过程影响着云的形成、聚集和维持，从而可能加剧暴雨，并助长规模更大、持续时间更长的风暴。穆勒表示，云拥有某种“内在生命”，“这可以让它们增长，或者帮助它们持续更长时间。”

不过，要说服其他科学家还需要更多证据。因为研究人员用来研究云的计算机模拟往往将地球简化为最简单、最平滑的形式，这虽然保留了其基本物理特性，但与真实世界相去甚远。

现在，更深层次的理解势在必行。更高分辨率的全球气候模型终于可以模拟全球范围内的云层及其形成的破坏性风暴，为科学家提供了更真实的图景。通过更好地理解云层，研究人员希望能够改进对极端降雨的预测。尤其是在热带地区，那里经常发生一些最猛烈的雷暴，并且降雨预测也最具不确定性。

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云团聚集的最初迹象

所有的云都诞生于潮湿、上升的气流中。山脉可以推升空气上升，冷锋也能起到同样的作用。云还可以通过对流过程形成：当阳光、温热的陆地或温暖的水体从下方加热空气时，大气中的空气便会开始翻转运动。随着暖空气上升，它会冷却，携带的水蒸气凝结成雨滴。这种凝结过程也会释放热量，进而为翻腾的风暴提供动力。

但在气候模型中，云仍然是最薄弱的一环。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，无法捕捉到那些形成云的上升气流，也无法描述云在风暴中如何翻转，更不用说解释控制雨水从云层落到地球上的微观物理过程了。

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化的地球气候模拟模型，专注于模拟对流。在这些通常宽几百公里、深几十公里的人工世界箱体中，研究人员对模拟的大气层进行调整，试图观察云在不同条件下的行为。

这幅模拟图的上半部分展示了一种空气运动较为无序的大气状态，云层会在各个位置随机出现。下半部分则模拟了对流模式已经变得有序的大气环境，云层会自发聚集到同一片区域，最终形成一场风暴。

有趣的是，当研究人员运行这些模型时，云层会自发地聚集在一起。即使这些模型中没有任何通常会促使云层聚集的因素——没有山脉，没有风，没有地球自转或阳光的季节性变化。“没人知道这是为什么，”哥伦比亚国立大学的大气科学家丹尼尔·德克斯（Daniel Hernández Deckers）说道。

2012年，穆勒发现了第一条线索：辐射冷却。从地球表面反射的太阳热量会辐射回太空，在云层稀疏的地方，更多的辐射会逃逸到太空，这使得空气冷却。这些较冷区域会形成大气流动，将空气流向云量较多的区域，从而在该区域捕获更多的热量并形成更多的云。2018年的一项后续研究表明，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，你还必须观察云之外的区域，” 穆勒说道。

当科学家们不仅开始观察云层的外部，还着眼于云层的下方及其边缘时，他们发现了其他有助于解释云为何聚集的其他小尺度过程。穆勒及其同事在《流体力学年度综述》（Annual Review of Fluid Mechanics）中描述了这些不同的过程。这些小尺度过程都能将温暖、潮湿的空气团聚集在一起，从而在已经多云的区域催生更多云层。由于这些小尺度过程通常被更大的天气模式所掩盖，所以此前并未被充分理解。

德克斯一直在研究其中一个被称为夹卷（entrainment）的过程——即云层边缘空气的湍流混合。大多数气候模型将云简化为一股稳定的上升气流，但实际上，“云就像花椰菜，”他说，“云内部有很多湍流，还有很多气泡。”这种边缘混合影响了云的演变和雷暴的形成；它能以各种方式削弱或增强风暴，但就像辐射冷却一样，它会促使更多的云在已经潮湿的地区聚集成团。

这些过程在地球热带地区的风暴中可能非常关键，那里对未来降雨量的不确定性也最大。（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热带地区的原因。）热带地区缺乏在高纬度地区主导气流的冷锋、急流以及螺旋状的高压和低压系统。

从大气低层到高空自由对流层，多种现象有助于云的形成和聚集。这些现象包括（1）辐射冷却，即太阳热量从地表穿过晴朗的天空反射回太空，导致部分大气冷却；以及发生在云层边缘的（2）混合作用，它能将云团维系在一起。其他过程（3和4）则涉及可能影响云层行为的额外扰动。

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暴雨的威力

云层内部还存在其他微观过程影响极端降雨，尤其是在较短的时间尺度上。湿度很关键：凝结的液滴在潮湿的云层中下落时，蒸发量较少，因此更多的水分会落到地面。温度同样重要：当云在较暖的大气中形成时，它们产生的雪更少，雨更多。由于雨滴下落速度比雪花快，它们在下降过程中蒸发得更少——这再次导致了更多的降雨。

这些因素解释了为什么从云中“挤出”的雨水，会比200年前的理论所预测的“每升温1度增加7%”还要多。“本质上你得到了额外的‘助力’……在我们的模拟中，降雨量几乎是翻了一番，”澳大利亚莫纳什大学的气候科学家马丁·辛格（Martin Singh）说道。

云团的聚集通过将温暖潮湿的空气锁定在一起，增加了降雨量。穆勒及其合作者的一项研究发现，云团聚集使短时极端降雨量增强了30%到70%，这主要是因为雨滴在湿透的云层内部蒸发得更少。

其他研究，包括穆勒团队的博士后研究员Jiawei Bao主导的一项研究，同样发现云层内部的微物理过程对快速、猛烈的暴雨有显著影响。随着气候变化，这些突发性暴雨的增强速度比持续性暴雨快得多，并且经常引发山洪暴发。

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极端降雨的未来

研究云层聚集的科学家想知道，随着地球变暖，这种现象将如何演变——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（以及产生它们的对流）将更倾向于聚集在一起，并产生更多远超理论预测的极端降雨。但其他模拟则表明云的聚集将会减少。“似乎仍可能存在多种不同的答案，”佛罗里达州立大学塔拉哈西分校的气候科学家艾莉森·温（Allison Wing）在比较了各种模型后表示。

科学家们正开始尝试使用一种强大的计算机模型——全球风暴解析模型（global storm-resolving models）来解决这些矛盾之处。这些模型能够捕捉云、雷暴和气旋的精细结构，同时模拟全球气候。它们比科学家通常使用的全球气候模型的真实性高出50倍，但所需的计算能力也高出3万倍。

在2024年发表的一篇论文中，Bao、穆勒及其合作者使用了这样一个模型。他们发现，随着气温升高，热带地区的云层聚集得更加密集——导致风暴频率降低，但风暴规模更大、持续时间更长，并且单日降雨量比理论预期的更多。

但这项工作仅依赖于一个模型，并且只模拟了未来一个时间点（2070年）的条件。Bao指出，科学家需要使用更多的风暴解析模型运行更长时间的模拟，但很少有研究团队能负担得起。这些模拟的计算量极大，通常只能在大型超算中心运行，科学家们甚至需要偶尔举办“黑客马拉松”来突击处理和共享数据。

研究人员还需要更多的现实世界观测数据，才能揭开云的未知之谜。尽管近期大量利用卫星数据的研究将云的聚集与热带地区的强降雨联系起来，但许多热带地区仍存在巨大的数据空白。这削弱了气候预测的准确性，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，并造成至少十几人死亡，但由于数据匮乏，科学家至今不知道是什么因素加剧了这些风暴。“仍然没人真正知道究竟是什么引发了这一切，”德克斯说道。

新的、更精细的数据正在路上。温正在分析一艘德国科考船在2024年横跨热带大西洋六周期间采集的降雨量数据。船上的雷达绘制了与其经过的风暴相关的对流蔟，因此这项工作将帮助研究人员了解云层在广阔海洋上空的组织方式。

还有一个更全球性的观测计划即将展开。欧洲航天局计划在2029年发射两颗卫星，它们将测量扰动海洋和掠过山顶的近地表风。科学家们希望，这些卫星传回的数据，或许终将让我们看清积云的真相，以及那些从天而降的暴雨。

原文标题When clouds flock together，2025年12月16日发表于Knowable Magazine，《赛先生》获授权翻译并发布。

作者简介：

克莱尔·沃森（Clare Watson）是一名澳大利亚自由撰稿的科学记者和事实核查员，早年从事生物医学研究工作。后来转向写作，用笔取代了移液枪，她先后为Undark、Nature、the Guardian、Hakai杂志、Cosmos杂志和Australian Geographic撰稿，其作品还曾在澳大利亚广播公司（ABC）国家《健康报道》节目中播出。她同时也在ScienceAlert从事撰写、编辑和事实核查工作。

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

本文转载自《赛先生》微信公众号

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