在大气科学领域，有一个困扰学界多年的“矛盾现象”：空气中的气溶胶，有时能让云滴变小，有时却又能让云滴变大。这两种截然相反的观测结果，让气溶胶对云雨的形成、气候的影响始终难以被精准评估。

近日，北京城市气象研究院研究员权建农团队联合美国布鲁克海文国家重点实验室、中国气象局人工影响天气中心等机构的研究团队，通过分析长达十余年的飞机观测数据，揭示气溶胶与云相互作用的核心机制，相关成果发布于国际权威期刊《地球物理研究快报》，为准确认识大气过程、改进气候预测提供关键支撑。

一个长期未解的科学“悖论”

气溶胶是悬浮在大气中的微小颗粒，也是形成云的必要“种子”。传统理论认为，空气中的气溶胶越多，能形成的云滴数量就越多，单个云滴的粒径就会越小。数十年间，学界普遍认可这一观点。

但近年来，全球多地观测不断出现“反常”结果——在气溶胶浓度较高的区域，云滴粒径并没有变小，反而随着颗粒物增多而变大。

两种完全相反的现象同时存在，却没有统一的机理解释，这成为气溶胶—云相互作用研究中最突出的科学难题，也直接影响着气候模型的结果准确性。

面对这一悖论，权建农团队通过一种直接且可靠的方式——飞机原位观测，“走进云里”，用实测数据寻找真相。

从飞机观测中厘清变化规律

自2008年至2020年，团队成员在中国区域累计开展59架次云物理探测飞行，采集82例层积云的第一手数据，直接测量云下气溶胶浓度、云滴大小、云体结构等关键指标。

长期观测得出清晰结论：气溶胶与云滴粒径的关系，并非一成不变，而是存在一个明确的转换阈值——在气溶胶浓度较低时，符合传统认知，颗粒物越多，云滴越小；当气溶胶浓度较高时，关系就会发生反转，颗粒物越多，云滴反而越大。

研究还发现，这种反转主要出现在云顶部位，而在云底部位，始终遵循“气溶胶越多、云滴越小”的规律。这一发现，用实地观测数据首次系统证实了两种现象的共存，为解开科学悖论打下坚实基础。

为什么同样的气溶胶，会产生完全相反的结果？团队创新性建立定量分解方法，将影响云滴大小的过程拆解为云滴数浓度效应、离散度效应、云体厚度效应、云内夹卷效应。正是这四种效应同时作用、相互竞争，共同决定了云滴变大还是变小。

其中，云滴数浓度效应始终在缩小云滴：气溶胶增多，云滴数量增加，云滴被“分得更细”，粒径自然减小，这也是传统理论的主要依据。离散度效应始终使云滴变大：气溶胶增多会让云滴大小分布更不均匀，整体有效半径随之增大。

决定关系反转的，是云体厚度效应和云内夹卷效应。当气溶胶浓度低于每立方厘米2000个左右时，云体随气溶胶增加变薄，并且云外干空气卷入增强，两者都让云滴进一步变小，与云滴数浓度效应和离散度效应叠加，最终表现为：气溶胶越多、云滴越小。当气溶胶浓度超过约每立方厘米2000个左右时，云体随气溶胶增加变厚、云外干空气卷入减弱，两个效应都让云滴变大，其增幅超过云滴数浓度效应的减小作用，最终表现为气溶胶越多、云滴越大。

这也解释了为何以往的气候模式存在偏差——多数模式只关注云滴数量变化，却忽略了另外三个同样重要的过程，导致模拟结果与实际观测有出入。

边界层—云耦合的决定作用

在四大效应背后，真正起决定作用的“总开关”，是云与行星边界层的耦合强度。

行星边界层是靠近地面、空气混合最活跃的大气层。当云与边界层耦合较弱时，气溶胶和水汽难以顺畅输送到云中，气溶胶增多会让云滴更易蒸发、云体变薄、干空气侵入增强，最终云滴变小。当二者耦合较强时，边界层内的气溶胶、水汽和能量能高效输送进入云中，云体发展更旺盛、液态水更充足，云滴随之变大，最终呈现出与传统认知相反的结果。

该研究成果统一了看似矛盾的观测现象，清晰阐明气溶胶影响云滴的过程，完善了云形成与发展的基础理论，为未来改进气候模式、降低气候评估不确定性、人工影响天气等提供了重要科学依据。

（作者：于桐 责任编辑：张林）