近日，北京大学物理学院大气与海洋科学系聂绩长聘副教授与南京大学赵坤教授等合作，结合雨滴谱站点网络和星载双频降水雷达的观测，发现了普适的强降水雨滴谱连续体特征，挑战了传统的“海洋性-大陆性”二分法描述范式。研究团队基于量化的微物理过程，提出了强降水不同发展路径的简化模型，为改进降水反演和数值模拟提供了重要科学依据。相关成果以《强降水的普适雨滴谱连续体观测及微物理过程图像》(“Observed Universal Continuum Morphology of Raindrops Reveals a Concise Diagram of Heavy Precipitation Microphysics”)为题，于2026年3月5日在线发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS）。

强降水的形成涉及一系列复杂的云微物理过程，包括凝结、冻结、凇附、碰并和破碎等。地面雨滴谱的原位观测为解析降水云微物理过程提供了重要信息。受限于历史时期稀少的雨滴谱站点观测，传统观点将强降水类型简单地二分为“海洋性”降水和“大陆性”降水（Bringi et al.,2003），并被广泛沿用至今，成为学界统治性的描述范式。然而，随着观测技术的发展，特别是我国广泛的雨滴谱站点观测网络的建立，新的观测指向了传统二分法范式的不足，也孕育着建立新云微物理模型的契机。

该研究利用了中国雨滴谱站点网络的丰富观测事实，揭示了在不同气候带和不同季节下，强降水中的雨滴谱并非二分法所指向的离散分布，而呈现出一种连续、统一的连续体分布特征（图1左）。各地区气候态下的雨滴的平均粒径和数浓度呈简洁而显著的反向线性关系。分析指出，雨滴谱及对流特征的区域差异并非来自地域本身，而是体现了一个普适的雨滴谱及对流类型在各地区发生的不同频率加权的结果。此普适的雨滴谱对应着对流环境特征对降水过程的控制，指向了跨尺度过程的对应关系。

图1：左图为强降水雨滴谱连续体分布。横轴为质量加权平均粒径（Dm，表征雨滴大小），纵轴为归一化截距参数（log10Nw，表征雨滴数浓度）。填色为Dm-log10Nw的概率分布，紫色圆点为站点气候平均值，黑线为紫色圆点的线性拟合。两个灰色方框对应传统的海洋性和大陆性对流类型区。右图基于星载雷达观测的降水微物理过程。黑色轮廓为Dm-log10Nw的相对频率，白色轮廓为冰云厚度（ICD，表征对流深度），填色为降水的暖雨贡献比，虚线表示降水率。1指向不同的数字表示了强降水的不同发展路径

研究进一步结合GPM-DPR卫星观测，通过冰相和暖雨过程特征量化其对雨滴谱连续体的调控作用，揭示了强降水的不同发展路径（图1右）：（1）浅对流路径：随着冰云厚度的减小，混合和冰相过程受到抑制，形成高浓度小雨滴的浅对流降水；（2）深对流路径：冰相过程随对流垂直发展而剧烈，形成大而密集的冰粒，融化产生大雨滴，将雨强提升至暴雨级别；（3）强暖雨路径：暖层中高效的碰并增长使对流核下沉至近地面，形成暖雨主导的中等对流并产生极端降水。值得指出的是，不同路径并非互斥，但是一次强降水过程往往以某种路径主导。

研究总结建立了物理模型图像（图2），用以描述高空微物理过程与地面雨滴谱的联系。受到对流环境的调控，不同微物理的竞争机制是导致区域对流模态以及雨滴谱分布特征差异的根本原因。该“雨滴谱连续体”模型向前兼容了传统的“海洋性-大陆性”二分法模型，提供了更普适而丰富的物理图像。研究提出的雨滴谱连续体结构及其物理机制，可作为微物理参数化的重要观测约束，有助于减少模式中人为设定参数带来的误差，提升对暴雨、短时强降水等极端事件的预报水平。

图2：降水微物理过程模型图。（1）中等对流-中等强度降水，（2）浅对流-弱降水，（3）极端深对流-暴雨，（4）中等对流-极端降水。冰相（品红色）和暖雨（蓝色）层以0°C等温线分隔。左上角子图为对应的不同类型的发展路径

论文第一作者为北京大学物理学院2023级博士生温龙，聂绩、赵坤为共同通讯作者，主要合作者为南京气象科技创新研究院陈刚高工和南京大学汪曙光教授。该研究受国家自然科学基金42025501（青A，赵坤教授）、42475009、41905021和国家重点研发计划2022YFC3003902资助。该研究是聂绩课题组在极端降水多尺度机理方向的又一进展，先前成果包括：构建了极端降水天气动力-对流反馈的模拟诊断框架（Nie et al.,PNAS,2018），阐明极端降水对气候变化的响应机制（Nie et al.,PNAS, 2020），揭示变暖下强风暴的尺度扩张（Dai and Nie,Geophys. Res. Lett.,2022;Nature研究亮点），约束极端降水的气候预测（Dai,Nie et al.,PNAS,2024）等。