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热带深对流里测到 10% 的过饱和度:先看对的云,气溶胶激发对流的争论才有意义
> 气溶胶能不能让对流云变得更强,争论了几十年,卡点一直在于「凝结性气溶胶激发对流」要求云内出现很高的准稳态过饱和度,而飞机观测通常测不到。一项发表在 Advances in Atmospheric Sciences 的研究改用另一种取样思路,在菲律宾及周边热带海域的航测资料里发现:过饱和度随取样高度升高而增加,在约 -5°C 处达到约 10%,且该温度的上升气流区仍以过冷水滴为主。同期一项基于 ESCAPE 航测的伴侣研究在得州与路易斯安那州近海的深对流上升气流中独立测到约 11%。作者明确强调,这些观测没有证明 sampled 云是被气溶胶增强的——只说明所需条件在真实热带对流云里是能出现的。
缺的是哪一块
争论的机制是这样的:气溶胶影响云滴的形成与增长,进而影响凝结和潜热释放。其中一条被提出的路径叫凝结性气溶胶激发对流,前提是云里出现很高的水汽过饱和度——此时额外的气溶胶粒子可以形成新的云滴,凝结增加、释放更多潜热、并可能加速云内上升气流。
缺的是观测证据。此前的飞机测量一般没有探测到这个过程所要求的高准稳态过饱和度。但原文的措辞很克制:这并不等于大气中从来不会出现这种条件,因为过去很多测量的取样环境本身就很难产生极端过饱和度——相对污染的云、浅薄暖云,以及在深厚对流区之下取样的云。而在更高的高度上,云滴碰并、降水形成与更强的上升气流会减小云滴总表面积,使过饱和度得以积累。
数据怎么来的
新研究用的是 NASA 的 Cloud, Aerosol and Monsoon Processes Philippines Experiment(CAMP2Ex)航测资料,观测在 2019 年进行,区域为菲律宾及邻近的热带海洋。来自中国、美国与以色列的研究人员利用上升气流速度与云滴谱分布来估算准稳态过饱和度——这个方法刻画的是空气上升过程中产生的水汽与凝结到云滴上消耗的水汽之间的收支平衡。
同期一项伴侣研究提供了独立佐证:使用 ESCAPE 航测(得州与路易斯安那州近海)资料的研究者,在深对流上升气流中探测到罕见但极端的准稳态过饱和度,约 11%。
来源 · 航测试验 · 区域与时间 · 报告的高过饱和度
Advances in Atmospheric Sciences 研究 · CAMP2Ex · 菲律宾及邻近热带海洋,2019 年 · 随取样高度上升,在约 -5°C 处达到约 10%
JGR: Atmospheres 伴侣研究 · ESCAPE · 美国得州与路易斯安那州近海 · 深对流上升气流中约 11%
原文对这一结果的表述是:热带对流云能达到的过饱和度水平,远高于以往用可比方法的飞机研究记录值。
什么条件下过饱和度最高
观测给出了一个清晰的结构:最可靠的极大值出现在上升气流强、云滴浓度相对较低的云区。当云里的云滴更多时,它们的总表面积更大,更多水汽凝结到这些云滴上,估算出的过饱和度随之降低。
作者自己划的界限
这是这项研究最该逐字引述的部分——原文的限定是:这些观测并没有证明所取样的云是被气溶胶增强的。它们证明的是「凝结性气溶胶激发对流所需的条件,能够在真实的热带对流云内部形成」。
高过饱和度的角色是「燃料」:额外的细粒子或超细气溶胶粒子可以利用它形成更多云滴,这些云滴可能增加凝结、释放额外潜热并可能加强上升气流。但从「条件具备」到「效应发生」,中间还隔着没有被这次观测跨越的一步。
研究的核心结论因此是两重的:不仅要看极端过饱和度是否存在,还要看对了正确的云的类型。参与两项研究的 Daniel Rosenfeld(耶路撒冷希伯来大学与武汉大学)说得很直接:过去的研究看的是污染云或浅薄云——那些通常不产生凝结性激发所需高过饱和度条件的类型,所以没看到这个机制在起作用并不奇怪;「我们的观测表明:如果想看到这个机制发生作用,你得去看海洋上深厚、干净的云」。
原文图

图1 深对流云的代表性形态:顶部是为白色花椰菜状的对流云塔,底部是深色厚重的云底,强上升气流把云体抬到很高,这类深厚云体正是过饱和度能够积累的环境。
还没做的事
- 没有直接的因果检验。 如上所述,观测只确立了必要条件存在,没有建立起气溶胶到云增强的因果链。
- 冷于 -5°C 的估计不确定。 原文说估计值在更冷温度继续上升,但那些区域开始有冰相生成,因此仅基于液相的估计不那么确定。
- 冰相与液相的区分本身待改进。 研究者把这一点列为后续需要做的事之一。
- 下一步要靠专门的航测试验。 研究者计划直接检验这一机制:对比干净与污染的热带对流云,重点关注强上升气流区。Rosenfeld 提到的最终目标是改进对气溶胶影响深对流、降水、闪电与气候的物理理解与预报。
一句话判断
这项研究把争论从「难道存在高过饱和度」推进到「在哪类云里存在」,答案是深厚、干净、云滴偏少的海洋性对流——至于气溶胶是否真的由此把云增强了,还需要专门的对比航测来回答。