布鲁克海文国家实验室 美国能源部在阿拉斯加州乌切加维克(巴罗)的大气辐射测量(ARM)观测站收集的数据表明，破碎的毛毛雨在混合相云中“次级”冰的形成中起着重要作用
这些结果将改善这些云过程在用于预测气候和当地降雪的计算模型中的表现方式
信用:ARM用户设施 雪来自哪里？这似乎是一个值得思考的简单问题，因为半个地球都经历了一个看着古怪的雪花从天而降的季节——并从车道上铲掉它们
但是一项新的关于水在稍微过冷的北极云层中如何变成冰的研究可能会让你重新思考这种蓬松的东西的简单性
这项由美国科学家发表的研究
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美国能源部下属的布鲁克海文国家实验室在《美国国家科学院院刊》上刊登了新的直接证据，证明粉碎的毛毛雨导致爆炸性的“冰增殖”事件
这些发现对天气预报、气候建模、水供应——甚至能源和交通基础设施都有影响
该论文的第一作者、布鲁克海文实验室大气科学家爱德华·卢克说:“我们的研究结果为之前基于实验室实验的理解提供了新的线索，即过冷水滴——在冰点以下仍为液态的水——如何变成冰并最终变成雪。”
新的结果来自真实世界的长期云雷达和混合相云(由液态水和冰组成)的气象气球测量，温度在0到-10摄氏度(32到14华氏度)之间，这些结果提供了证据，证明毛毛雨水滴的冰冻碎片对于冰的形成和作为雪从这些云中落下的可能性有多重要
“现在，气候模型和天气预报模型被用来确定你需要铲多少雪，通过使用更真实的物理来模拟‘次级’冰的形成，它们可以向前迈出一大步，”卢克说
什么是二次冰？ 从过冷云中沉淀出的雪通常来源于“初级”冰颗粒，这种冰颗粒是水在大气中精选的微小尘埃或气溶胶颗粒上结晶时形成的，被称为冰成核颗粒
然而，在稍微过冷的温度下(即
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飞机观测表明，云层中包含的冰晶远远多于目前冰核粒子相对较少所能解释的情况
这一现象困扰了大气研究界几十年
科学家们认为，这种解释是“二次”冰生成，即额外的冰粒子是由其他冰粒子生成的
但是在自然环境中捕捉这一过程是很困难的
之前对二次冰如何形成的解释主要依赖于实验室实验和有限的短期飞机取样飞行
几个实验室实验得出的一个共识是，相对较大的快速下落的冰粒子，称为边缘粒子，可以“收集”并冻结微小的过冷云滴，然后产生更多的微小冰粒子，称为碎片
但事实证明，这种“雾凇分裂”并不是全部
来自北极的新结果表明，被归类为毛毛雨的较大过冷水滴在产生次级冰粒子方面发挥着比通常认为的更重要的作用
该论文的合著者杨帆解释说:“当一个冰粒子撞击其中一个毛毛雨时，它会引发冻结，首先在雨滴周围形成一个固体冰壳。”
“然后，随着冻结向内移动，压力开始增大，因为水在冻结时会膨胀
这种压力导致毛毛雨破碎，产生更多的冰粒
" 数据显示，这种“冻结碎裂”过程可能是爆炸性的
“如果你有一个冰粒引发另一个冰粒的产生，那就没那么重要了，”卢克说
“但我们已经提供了证据，证明在这种级联过程中，毛毛雨冻结碎裂会使云中的冰粒子浓度增加10到100倍，有时甚至达到1000倍！ “我们的发现可能为主要冰成核粒子的缺乏和来自这些微过冷云的降雪之间的不匹配提供了缺失的一环
" 数百万个样本 新的结果取决于美国能源部大气辐射测量用户设施的阿拉斯加大气观测站北坡的向上指向毫米波长多普勒雷达收集的六年数据
雷达数据由温度、湿度和其他大气条件的测量值补充，这些测量值是在整个研究期间由从乌切加维克发射的气象气球收集的
布鲁克海文实验室大气科学家和研究合著者帕夫洛斯·科利斯(Pavlos Kollias)也是石溪大学大气科学系的教授，他对收集毫米波长雷达数据至关重要，这使得科学家们有可能推断次级冰是如何形成的
该图显示了快速下降的“边缘”冰粒子速度和毛毛雨大小如何影响云中的冰增殖量
彩虹标度上的红色代表产生的次级冰粒子的最高数量
图表右侧的冰增加量的倾斜表明，在产生冰增加方面，毛毛雨的直径比边缘速度起着更重要的作用
学分:布鲁克海文国家实验室 “自20世纪90年代以来，ARM率先使用短波长云雷达来更好地了解云的微物理过程以及这些过程如何影响当今地球的天气
我们的团队领导了他们的数据采样策略的优化，这样就可以获得像这项研究中提出的云和降水过程的信息，”科利尔斯说
该雷达的毫米级波长使其对云层中的冰粒和水滴的大小特别敏感
它的双极化提供了关于粒子形状的信息，使科学家能够识别针状冰晶——在稍微过冷的云条件下次级冰粒子的优先形状
每隔几秒钟记录的多普勒频谱观测提供了关于存在多少粒子以及它们落向地面的速度的信息
这些信息对于弄清哪里有边缘、毛毛雨和次级冰粒至关重要
利用卢克、杨和科利斯开发的复杂自动分析技术，科学家们扫描了数百万个多普勒雷达光谱，按照大小和形状将粒子分类到数据桶中，并将数据与同时期气象气球对过冷云水、温度和其他变量的观察相匹配
详细的数据挖掘使他们能够比较在不同条件下产生的二次冰针的数量:在只有边缘的情况下，边缘加上毛毛雨，或者只有毛毛雨
卢克说:“大量的观测数据让我们第一次将二次冰信号从所有其他正在发生的大气过程的‘背景噪声’中剔除，并量化二次冰事件是如何以及在什么情况下发生的。”
结果很清楚:过冷毛毛雨的条件产生了戏剧性的冰增殖事件，比边缘多得多
短期和长期影响 这些真实世界的数据让科学家们能够量化各种云条件下的“冰增殖因子”，这将提高气候模型和天气预报的准确性
“天气预测模型不能处理云微物理过程的全部复杂性
这项研究的另一位合著者安德鲁·沃格曼说:“我们需要节约计算，否则你永远也得不到预测。”
“要做到这一点，你必须弄清楚物理学的哪些方面是最重要的，然后在模型中尽可能准确、简单地解释物理学
这项研究表明，了解这些混合相云中的毛毛雨是至关重要的
" 除了帮助你预算铲车道和上班需要的额外时间，更清楚地了解二次冰形成的驱动因素可以帮助科学家更好地预测一年中有多少雪会堆积在集水区以提供饮用水
新的数据也将有助于我们更好地理解云会停留多久，这对气候有着重要的影响
“二次冰产生的更多冰粒子将对降水、太阳辐射(多少太阳光云反射回太空)、水循环和混合相云的演化产生巨大影响，”杨说
卢克和沃格曼指出，云的寿命对北极的气候特别重要，北极气候对地球的整体能量平衡非常重要
沃格曼说:“混合相云既有过冷液态水，也有冰粒子，在北极可以持续数周。”
“但是如果你有一大堆冰粒子，这些云会在它们生长并像雪一样落到地面后被清除掉
然后你将有阳光直射，开始加热地面或海洋表面
" 这可能会改变地面冰雪的季节性，导致融化，进而减少阳光反射，增加热量
卢克说:“如果我们能在气候模型中预测到一些事情将会改变冰的形成、毛毛雨和其他因素的平衡，那么我们就能更好地预测未来的天气和气候，并可能为这些影响做好更好的准备。”
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