纽约城市上空漂浮的云彩
当我们抬头仰望天空，时常能看到云朵在蔚蓝的"画布"上悠然漂浮，变幻莫测。对美国哥伦比亚大学气候学家卡拉·兰布来说，云彩远不止是浪漫飘渺的想象。她更关注云层的气候学意义——研究它们如何通过反射阳光或吸收热量来影响地球温度。
云辐射反馈影响气候变暖
云是当前气候预测中最大的未知因素之一。如果大气中的二氧化碳浓度达到前工业化时代水平的两倍，地球温度究竟是会升高1.5℃还是4.5℃？无人能给出确切答案。我们对云的了解不足，是这种巨大不确定性的根源。
云有几个关键特征会影响地球能量平衡，其中最为重要的是云的总面积、云层高度及其反照率（即云层反射阳光的能力）。例如，低层、明亮的云具有强大的冷却效应，因为它们能够反射大量太阳光，同时不会吸收过多地表热量。而高层云，如纤维状的卷云，则往往会产生加热效应，因为它们不仅会将由地表升腾起来的热量困住，还几乎不反射太阳光。
低层云有强大的冷却效应。
尽管云总体上有冷却效果，但气候变化正在悄然改变它们的特性，从而削弱其冷却作用。问题在于，这种削弱到底有多严重？美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的格雷厄姆·费因戈尔德坦言，目前形式非常严峻。
现在用于预测未来几十年气候变化的全球气候模型主要依赖物理学与统计学相结合的方程来模拟大气层的动态变化。然而，这些"大气环流模型"相对粗糙，即使在超级计算机上运行，也难以准确模拟云的精确变化。美国国家大气研究中心的玛格丽特·达菲将其形容为"像在没有显微镜的情况下研究细胞"，这使得预测云对气候变暖的影响充满不确定性。
这一不确定性有多大？澳大利亚新南威尔士大学史蒂文·舍伍德团队在研究中发现，全球变暖引发云的变化，会通过"云辐射反馈"机制进一步影响气候。这些反馈包括海洋上空云层减少、中纬度云层向两极移动，以及冰云中的水分增加等。但这些反馈究竟会在多大程度上影响气候变暖，目前的模型给出的预测结果范围很广——从几乎没有影响到显著增加变暖效应，差异悬殊。
微小细节难倒气候预测
大气中的气溶胶对云的影响同样复杂且难以捉摸。
气溶胶是指悬浮在空气中的颗粒物。从尘土、燃煤工厂排放的烟尘，到漂浮在空气中的真菌，这些颗粒物为水滴或冰晶的形成提供了"种子"。而颗粒物的大小、种类和数量会改变云中水滴或冰晶的数量，从而影响云的亮度。
尽管现有的气候模型已能较为准确地模拟气溶胶如何影响云的亮度，但它们对气溶胶如何改变云的生命周期等连锁效应的模拟仍显不足。
美国加州大学圣迭戈分校的邓肯·沃森·帕里斯认为，搞清楚气溶胶的影响尤为关键。例如，自2020年以来，全球航运业实行强制性清洁排放规定，但这一行动究竟在多大程度上阻止了全球气候变暖，没人能准确评估。帕里斯质疑："如果我们连全球航运减少80%排放后带来的影响都无法准确评估，又如何指望通过向大气中喷撒气溶胶颗粒这样的地球工程来干预气候？"
高空中的卷云
即使看似微不足道的细节，也可能对气候预测产生深远影响。例如，兰布当前的研究重点是卷云中冰晶的生长。"冰晶的大小至关重要。这是模型中最重要、最敏感的因素之一。"兰布说，根据卷云中冰晶大小的不同，模型预测出来的温室效应结果也会有巨大差异，"但目前我们对气溶胶及其他因素如何影响高空冰晶的形成仍没有清晰的理解"。
尽管存在上述问题，经过多年努力，科学家们在提高云辐射模拟的精确性方面取得了不小的进展。联合国气候变化政府间专门委员会（IPCC）发布的报告显示，2014年至2023年，与云相关的预测不确定性减少了约50%。不过，由云辐射反馈导致变暖效应的预测值在此期间增长了约20%，其带来的影响究竟多大仍难确定。
新技术助力破解云的奥秘
云的复杂性要求各方携手，从不同角度共同攻克这一难题，一些新技术正在发挥重要作用。
利用云室设备，美国密歇根理工大学的雷蒙德·肖及其团队创造出了一个可控的小型大气环境。该大学拥有美国唯一的研究云室，能够研究气溶胶、湍流和温度等不同因素如何影响云中水分的分布，这对于理解云的亮度至关重要。
肖团队的研究重点是追踪水滴如何在云中相互碰撞、结合，并形成雨滴。为了更深入理解这些微观相互作用，肖还是名为"气溶胶-云-细雨对流室"（ACDC-2）合作项目的一员。该项目致力于设计一个更大的云室，预计高度达10米，足以让水蒸气形成细雨。肖将这个云室视为云科学中的粒子加速器，"我们不仅会研究云中的气溶胶，还将模拟降雨的形成过程，进一步揭示云内各要素间复杂的相互作用"。
还有科学家正在开发一种新型的高分辨率气候模型，能够在1公里的网格尺度上模拟大气状态。但由于对算力要求极高，这些模型目前只能用于短期预测或模拟有限的区域，尚未能将海洋、冰层或生物圈的动态模拟纳入。
同时，机器学习算法也能在云层解析模型的基础上发挥辅助作用。谷歌最近发布的一种新模型，能用远低于基于物理学模型的算力来精确模拟云。但沃森·帕里斯认为，还应尽可能保留物理原理模型，以确保预测结果的可靠性。
此外，2024年5月，EarthCARE卫星发射升空，预计2025年起正式运行。该卫星是欧洲航天局和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的联合任务，耗资8.7亿美元，是迄今最大、最复杂的对地观测任务。EarthCARE将提供云、气溶胶和辐射之间复杂相互作用的整体视图，并提供迄今为止最精确的云层数据，从而在气候危机背景下为地球辐射平衡研究提供新线索。
作者：刘琦/编译
文：刘琦/编译 图：pixabay 编辑：刘琦 责任编辑：许琦敏
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