杰夫·托列夫森,来自《自然》杂志
从太空看,地球可能看起来光鲜亮丽,也可能看起来邋遢不堪,这取决于具体地点。在某些地方,大片云层笼罩着黑暗的海洋,形成了令人惊叹的色彩对比。在另一些地方,发电厂喷出灰色的烟雾,沙漠风暴则用沙尘覆盖了广阔的区域。
这些云层和被称为气溶胶的细颗粒物,不仅仅是遮蔽了地球表面。通过反射、吸收和发射辐射,它们在设定地球温度方面发挥着重要作用,并且在 атмосферных 模型中一直难以模拟。几十年来,它们一直是未来气候预测中最大的不确定性来源。
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但研究人员表示,他们在模拟云层和气溶胶方面正开始取得突破。最近几个月,气候科学家已开始推出最新一代模型的初步结果,这些模型以比以往版本更复杂的方式表示大气化学和微物理学。这些模型允许云层和气溶胶在相互作用以及对温度、相对湿度和气流等因素做出反应时演变。早期结果表明,这些过程对区域气候的影响比科学家意识到的要大得多。最近的研究揭示了云层和气溶胶可能在引发非洲大旱、改变北极气候和削弱南亚季风方面所起的作用。
“这是一门全新的科学,”英国气象局哈德利中心的气候建模师本·布斯说。他正在研究气溶胶如何影响北大西洋的表面温度以及影响周围大陆的天气。“新一代模型正在改变我们作为科学家所面临的问题类型。”
而且更多的科学成果即将到来。世界各地的领先气候建模团队正在竞相完成其最新成果,提交给政府间气候变化专门委员会(IPCC),该委员会预计将在2013年和2014年分章节发布第五份报告。气溶胶和云层问题显然将提供一些最大的惊喜。“这是真正的未知因素,”美国国家海洋和大气管理局(NOAA)地球物理流体动力学实验室(GFDL)的气候研究员罗恩·斯托弗说。
干旱制造者
每天,横扫北美洲的东风都会掀起一股大气垃圾的混合物。发电厂排放出二氧化硫气体,这些气体演变成硫酸盐颗粒,这些颗粒反射阳光并作为云的种子。来自车辆、钢铁冶炼厂、农业火灾和其他来源的微小碳颗粒上升。较亮的碳颗粒散射太阳光线,而较暗的碳颗粒吸收太阳光线,这些过程被称为直接气溶胶效应。当颗粒物随着气流向东移动时,它们相互碰撞,并与天然尘埃和海浪混合,形成大气气溶胶的载荷。随着时间的推移,它们可以形成化学涂层或合并形成具有不同性质的新颗粒。
盛行风将这种气溶胶混合物带到一条围绕大西洋盆地的长马蹄形路线上。这些颗粒首先向东输送穿过海洋,然后在法国海岸向下右转,从欧洲收集更多污染。富含气溶胶的空气向北非西海岸弯曲,然后向西转向,并随着热带气流返回美洲。
科学家们提出,这种气溶胶弧可以阻挡足够的阳光,从而冷却大西洋的海洋表面温度并改变区域气候。因此,布斯和哈德利中心的同事使用他们的最新模型测试了这个想法,该模型不仅模拟了直接气溶胶效应,还模拟了气溶胶对云特性的许多间接影响。这些相互作用发生在过于精细的尺度上,无法在全球模型中模拟,因此它们由从更详细的模型中导出的统计方程表示。
哈德利中心团队上个月报告说,在模型中,气溶胶对北大西洋海面温度产生了极大的影响。而正是间接的气溶胶效应造成了大部分差异。硫酸盐颗粒吸引水蒸气,在云层中产生大量微小液滴,使其变亮并减少到达海面的阳光量。
总的来说,从1860年到2005年,北大西洋海面温度在整个模拟过程中都在攀升。但在20世纪中期,随着快速工业化导致极端空气污染,气溶胶的增加减缓了海洋变暖的速度。自20世纪70年代美国和欧洲开始限制硫排放以来,天空变得更加晴朗,海面温度也随之升高。
布斯说,最终,工业气溶胶的排放量变化解释了北大西洋海面温度观测到的长期波动的三分之二。“只有在当前一代模型中,我们才能看到这种物理关系,”布斯说。
哈德利中心的结果似乎推翻了气候界的普遍看法,即海面温度的升降是由被称为大西洋多年代际涛动(AMO)的自然海洋周期造成的。早期的研究表明,与 AMO 相关的较冷的北大西洋温度可能导致了20世纪后半叶非洲萨赫勒地区的干旱;同样的冷却效应可能导致了向美国进发的风暴和飓风的威力减弱。但根据新的情况,人类污染可能才是造成这些气候中断的原因。
现在的问题是这些结果是否会成立。位于科罗拉多州博尔德的国家大气研究中心(NCAR)的研究人员表示,他们在新的模拟中看到了类似影响的迹象。但并非所有人都相信气溶胶污染会对海洋温度,进而对气候产生如此深远的影响。NCAR气候科学家凯文·特伦伯斯说,结果取决于对大西洋周围气溶胶污染和云分布的不确定估计。与此同时,卫星观测发现间接气溶胶效应并不像模型所暗示的那样强烈,他说。“如果海洋没有通过自然周期发挥重要作用,我会感到惊讶。”
北极变暖因素
研究人员也在努力梳理自然周期和人为变化在北极融化中所起的作用。过去几十年里,那里的海冰遭受了重创,去年9月的覆盖面积达到接近创纪录的低点,为433万平方公里。由于冰损失的速度超过了所有最可怕的模型预测,研究人员一直在想他们的模拟中可能遗漏了什么。
新模型的早期结果表明,在模拟中添加更复杂的云层和气溶胶可能有助于提供解释。NCAR的新大气模型产生的变暖和海冰损失比之前的迭代模型更多,而罪魁祸首似乎是云层——这一结果让研究人员感到惊讶。“我是一个研究云的人,但我并没有认为云会发挥主导作用,”NCAR的大气科学家詹妮弗·凯说。
为了弄清楚发生了什么,研究小组在模型中构建了新的诊断工具,有效地告诉科学家们,如果他们通过一对美国卫星 CloudSat 和 Calipso 观察地球,他们会看到什么。凯解释说,模型的输出被转换为一个信号,可以直接与卫星上的雷达和激光仪器进行比较。“你基本上在模型内部飞行一颗小卫星,”她说,“它表明新版本的云层有了显著改善。”它们往往更薄、更透明——更像北极天空中的真实云层——尽管原因尚不清楚。
薄纱般的云层在夏季让更多的阳光通过,这融化了更多的冰,并暴露了更多的海洋和陆地表面;深色气溶胶颗粒沉积在雪上会增强这些效应。这一切加起来,导致了向吸收更多阳光并加剧变暖的较暗表面转变。凯说,虽然该模型平均而言仍然倾向于低估海冰损失,但一些模拟与卫星观测结果相当吻合。
GFDL的研究人员也在他们的新的气候模型中看到更大的海冰减少。GFDL的建模师迈克尔·温顿说,这很可能是 IPCC 第五次评估报告中的一个主题,但他警告不要过早庆祝。在模拟中添加增强的云层和气溶胶正在推动额外的变暖,但具体细节仍不清楚。
最终,气候界必须面对一个关于模型的基本问题。“如果你建立一个与观测结果完美匹配的模型,你会说成功了吗?”温顿问道。尽管新的 GFDL 模型对大气的表示有所增强,并且在匹配卫星观测方面做得更好,但温顿警告说,建模人员可能会因错误的原因而得到正确答案。例如,有一些证据表明,海洋环流的自然变异导致了过去二十年中的一些海冰损失。“必须在整体气候的背景下理解北极,”他说。
驯服季风
在卫星图像中,东南亚经常被一个巨大的污点所覆盖——一个由印度农村和邻国数百万个原始烹饪炉灶和明火排放的黑碳造成的棕色云层。在大气中,这些深色颗粒吸收阳光并加热周围的空气,同时冷却下面的陆地,有效地稳定了大气并减缓了从北印度洋向内陆抽取水分的区域环流。研究人员七年前提出,这种机制可以解释为什么南亚夏季季风在过去半个世纪里变得越来越弱。
然而,美国地球物理流体动力学实验室(GFDL)使用其中一种新模型进行的模拟表明,情况可能更为复杂,气溶胶和云层扰乱了更大的半球能量交换。
整个系统的驱动力是夏季的太阳,它向赤道以北输送的热量多于以南。这相当于一个巨大的热机,在两个半球之间重新分配能量:北半球的热空气上升,并将高空热量带到南半球,然后空气下降,并在返回北半球的途中从印度洋吸收水分。正是最后一步带来了夏季季风,为印度大部分地区提供了高达 80% 的降水。但是,去年 10 月在《科学》杂志上发表的 GFDL 结果表明,气溶胶正在造成重大干扰。
GFDL 的气候建模师、该研究的作者之一易明(音译)说:“气溶胶排放就像在北半球上方架起了一块防晒霜,这会减少驱动系统的太阳不平衡。” “我们正试图从更大的空间尺度来论证这一点。”
他们的模型还将罪责从烹饪炉灶和农业火灾产生的黑碳排放转移到整个地区燃煤发电厂产生的硫污染。由这种污染产生的硫酸盐颗粒充当水滴的种子并使云层变亮,从而冷却下面的陆地。除了捕捉到自 1950 年以来印度夏季降雨量总体下降 4-5% 之外,该模型还重现了降水的区域差异——印度中北部地区更加干燥,而印度南部和印度西北部及巴基斯坦地区的降雨量略有增加。易明表示,新研究中包含的间接气溶胶效应显示了“拼图中不同的部分”。
加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的气候建模师兼附属科学家苏拉比·梅农警告说,模拟依赖于相对不完整的排放量估算。梅农一直在使用纽约美国宇航局戈达德空间研究所的最新模型研究气溶胶和季风,她说,建模者至少可以将他们的数据与污染测量结果进行核对,而几年前这些测量结果甚至还不可用。“我们正在取得进展,”她说。“慢慢地。”
全球难题
随着气候研究人员测试新一代模型,他们特别热衷于测量模型的总体敏感性:即模型对温室气体浓度增加的升温程度有多大。美国国家大气研究中心(NCAR)的研究人员安德鲁·盖特尔曼表示,间接气溶胶效应的加入使 NCAR 的新模型对温室气体更加敏感。模拟表明,气溶胶污染的额外冷却以及雾霾的直接影响,掩盖了二十世纪温室气体造成的部分升温;但该模型显示,随着对污染的控制暴露了温室气体的全部威力,二十一世纪的升温将加剧。在简化的温室气体浓度加倍的模拟运行中(这种情况可能在本世纪末发生),新的大气模型预测全球气温将上升 4 °C,而之前的模型显示上升 3.1 °C。
哈德利中心模型也在朝着相同的方向发展,但这并非规律。位于巴黎附近的皮埃尔西蒙拉普拉斯研究所的一个模型对温室气体的反应产生的升温低于上一代模型,该研究所的气候建模师桑德琳·博尼说。对云层的改进处理可能有助于解释这一变化,但研究人员尚未完全分析新的结果。
这只是建模数据洪流中的第一波。政府间气候变化专门委员会(IPCC)第一工作组的科学家必须在 2012 年 7 月 31 日之前提交 IPCC 流程的论文,因此未来一年,有关气候模拟结果的文献将激增。
然后,真正艰苦的工作将开始——弄清楚该相信什么。科学家必须梳理模型中微妙的因果关系,并在可能的情况下,根据其他模型和观测结果来检验他们的结果。“我们现在需要的是真正理解模型在做什么,以及它们为什么会有所不同,”博尼说。“只有通过比较来自一系列模型的结果,我们才能评估哪些结果是可靠的。”