改变云层覆盖会加速全球变暖吗？

我讨厌云。倒不是因为它们有时会带来雨水，而是因为它们难以捉摸。云有各种形状和大小：飘渺的高层卷云、蓬松的积云，以及覆盖阴沉天空的低层灰色层积云。这种巨大的多样性使得预测全球云层将如何随着地球大气层的变化而变化变得困难。

像我这样的气候科学家从大量数据中得知，本世纪及以后地球将变暖。但我们正在努力确定它会变热多少：也许再升高 1 摄氏度？或者 2 度、3 度或 4 度？答案很大程度上取决于云。气候变化正在影响大气中云的分布，这实际上可能有助于减缓全球变暖，或者加速全球变暖。了解这一结果将对指导世界今天和明天应采取的行动非常有帮助。

大型专家团队开发了 20 多个复杂的气候模型，并根据广泛的气候数据进行了测试。所有模型都显示，地球会因持续的温室气体排放而变暖，但多年来，它们在云的问题上始终存在分歧。这种情况正在开始改变。云效应的模拟结果开始趋于一致。卫星数据和其他观测结果正在揭示不断变化的云层覆盖如何改变地球。新的见解给我们带来了希望还是加剧了我们的担忧？

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大的反馈还是小的反馈

想象一下工业革命之前的地球。六大洲的人类为了牧场和城镇砍伐了森林。然而，大气中二氧化碳的浓度在数千年来一直稳定在百万分之 280 (ppm) 左右。然后内燃机出现了。快进到 1900 年代后期，二氧化碳浓度飙升。这种冲击波及整个行星系统。容纳我们呼吸的空气的对流层正在变暖。到 2017 年，二氧化碳浓度已超过 400 ppm。各大洲正在升温。浅海也是如此。大气中空气和水蒸气的循环开始发生变化。随着当前趋势的持续，到本世纪中叶，大气二氧化碳水平将达到工业化前数值的两倍。更多的升温将会发生。最终，经过数百年后，地球将在更高的温度下达到新的平衡。

行星对二氧化碳加倍的反应称为平衡气候敏感度，或 ECS。每个气候模型都告诉我们，ECS 大于零：我们应该预期会发生一些变暖。但他们预测的变暖程度从大约 2 到 4.5 摄氏度不等——从显著到灾难性。

这些模型没有对齐，很大程度上是因为它们在未来云将如何变化方面存在分歧。更好地掌握云的情况将使我们能够缩小范围，并做出更准确的预测。但是，准确把握云的影响力之所以困难，有两个原因。首先，变暖对不同类型的云的影响不同。其次，云的变化以不同的方式影响变暖。

这种双向相互作用称为反馈。某些气候反馈已被充分理解。例如，海冰是亮白色的，因此可以将大部分太阳光反射回太空，但当它融化时，会露出颜色较深的海水，这些海水不会反射那么多阳光。这会使空气进一步变暖，从而融化更多具有反射性的冰，并露出更多颜色较深的海水，从而反射更少的阳光——反馈循环由此建立，加速全球变暖。我们很好地理解这种建立的或“正”反馈，并且大多数模型在它如何影响气候变化方面都相当一致。

理解云反馈更加复杂。就像自然历史博物馆的档案管理员一样，气候科学家创建了一个粗略的云分类法，根据它们的区别特征对它们进行分组。两个基本属性是它们在地球表面以上的高度和它们的不透明度。低云可以是相对透明的，就像晴天散落的绒毛，也可以是不透明的，就像均匀覆盖的沿海雾层。高云的范围也很广，从几乎所有阳光都能穿透的薄纱到雷暴期间遮蔽天空的耸立的砧状云。

这种分类法很有用，因为它突出了云使地球变暖或变冷的​​主要方式。一些云增强了温室效应。它们捕获从地球上升的热量，并将其中一部分重新辐射到外太空；没有它们，地球会更冷。大气层寒冷高处的云在这方面特别有效。

其他云则具有相反的效果：它们首先阻止阳光到达地球表面，从而保持地球凉爽。这种效应在低而厚的云层中尤为明显。在我们当前的气候中，这种影响大于云的温室效应。事实上，当今云的净冷却效应非常巨大，大约是二氧化碳加倍变暖效应的五倍。

这意味着即使云层覆盖发生微小变化也会产生巨大影响。增加更多高而透明的云，让阳光透过但保持热量，地球就会变暖。增加更多低而厚的不透明云，将阳光挡在外面，地球就会降温。云迁移也很重要；将反射性云层从阳光充足的热带和亚热带纬度重新分配到寒冷、黑暗的极地会减弱它们的冷却效果。高度也很重要；将高云提升到更高、更冷的大气层高处会增强它们的温室效应。一个更温暖的世界也可能改变寒冷云层中冰晶与水滴的比例，使它们更湿润、更厚，因此更有效地阻挡入射阳光。

这些效应都不是孤立发生的，这就是模型难以应对的原因。一些模型显示出强烈的正反馈——它们显著放大了变暖。一些模型显示出微弱的负反馈——它们稍微减缓了变暖。预测最强正反馈的模型最终预测 ECS 在 2 到 4.5 摄氏度范围的高端。

模型不能很好地模拟云层也并不奇怪，因为云层同时具有大和小两种尺度。它们是由微小的水滴和冰晶形成的，但它们通常在任何给定时间覆盖地球超过 70% 的面积。在编写计算机模型时，我们必须做出选择：放大并显式模拟使每朵云在小区域形成和消散的湍流运动，或者模拟行星周围分配水蒸气的大规模上升和下沉空气运动。我们无法两者兼顾，因为仔细跟踪整个大气层中每个水滴在每时每刻的行为需要太多的计算能力。

因此，我们尝试将小尺度和大尺度结合起来，并且知道会涉及到妥协。全球气候模型试图找到描述总体行为的简化参数。我们根据大气物理学开发这些参数，并通过与在全球小区域运行的更精细尺度模型的比较来测试和改进它们。

尽管如此，仍然没有完美的方法来混合大尺度和小尺度。但是我们能改进吗？

变化的力量

让我们应对第一个挑战：高云。测量结果给了我们充分的理由相信，气候变化将从字面上重塑大气层，将对流层（天气发生所在的较低大气层）和正上方的平流层之间的边界推得更高。我们怀疑高云会随着边界的升高而升高。

劳伦斯·利弗莫尔国家实验室 (Lawrence Livermore National Laboratory) 的科学家马克·泽林卡 (Mark Zelinka) 对这种上升的影响进行了深入思考。泽林卡说，随着地球因二氧化碳而变暖，它试图通过以红外辐射的形式向太空释放能量来冷却自身。如果高云保持在其典型高度，它们将与大气层同步变暖，并因此增加它们向太空释放的热量。然而，泽林卡和其他人认为，高云会升高，以便它们能够保持在它们现在似乎偏好的几乎相同的温度。因此，它们不会向太空辐射那么多增加的热能，而这些能量反而会进一步使大气层变暖。这是一个正反馈：通过越来越高地升高，高云进一步降低了变暖的地球冷却自身的能力。

接下来，低云呢？气候模型似乎一致认为，一个更温暖的世界意味着更少的低云。然而，英国国家气象局 (Met Office) 的气候科学家马克·韦伯 (Mark Webb) 和云反馈模型比对项目 (Cloud Feedback Model Intercomparison Project) 知道，情况比这更复杂。（这么多云专家都叫马克，这要么是一个有趣的巧合，要么反映了我们领域缺乏多样性。）韦伯说，他和同事们正在辩论为什么更温暖的地球可能拥有更少的低云。这种机制似乎取决于低云中潮湿的空气被上方干燥空气的对流或湍流稀释的方式。韦伯说，传统模型没有足够的计算能力来直接表示这些局部过程，最终会以不同的方式近似它们。各种模型显示低云覆盖率的变化或大或小，但至关重要的是，它们中的大多数都预测会减少。低云减少意味着反射到太空的阳光减少——这是另一个放大变暖的正反馈。

还有另一个需要考虑的影响。大气层的整体环流很大程度上是由赤道和两极之间阳光和温度的差异驱动的。温暖的热带空气上升，并在上升过程中冷却。一旦它到达高空，它就开始横向向较冷的极地移动。在此过程中，它会充分冷却以降回地表，大约在纬度 30 度处，并在下降时变暖和干燥。在地面上，我们在热带气团下获得多雨的气候，这些气团上升并在冷却时释放水分，而在气团下降的带状区域下，我们获得沙漠般的气候。

气候变化将改变这种模式。北部高纬度地区将比热带地区升温更快，这种现象被称为北极放大效应，它减少了极地和赤道之间的温差。这种已经开始的减少改变了一切。也许最重要的是，热带地区扩张，将雨带和干旱带推向两极。对陆地的一个影响是，边缘地带——地中海、萨赫勒地区、美国西南部——可能会变得更加干燥。事实上，我最近与劳伦斯·利弗莫尔的席琳·邦菲尔斯 (Céline Bonfils) 分析的卫星观测结果表明，降水模式正如预测的那样正在发生变化。如果云层跟随迁移，那么反射云层可能会从较低纬度推向较高纬度，那里的入射阳光较弱，从而降低了它们相对于长期以来在热带地区上空的冷却效果。

另一个必须纳入改进气候模型的复杂因素是：一个更温暖的世界可以改变云的组成。云包含微小的水滴和冰晶。厚厚的低云往往含水量更高，并且比薄薄的高云更不透明，而薄薄的高云往往含冰量更高。在更温暖的世界中，高云中更多的冰会变成液体，使它们更不透明，从而阻挡更多的入射阳光。泽林卡说，融化的冰云将变得“更湿润”，从而提供负反馈——对变暖的重要冷却抑制。

更准确的预测

云的不断变化使得模型似乎更难以缩小全球气温预期上升的范围——将 2 到 4.5 摄氏度的范围缩小。但是，一个强大的数据集比任何其他数据集都重要：已经发生事件的历史。

自从 1980 年代我们开始将气象卫星送入轨道以来，我们就一直在测量云。我们可以将我们的模型与实际观测结果进行比较，以使我们的模型更好。然而，一些较旧的卫星测量可能存在问题。地球观测卫星中的相机式仪器可以通过向下观察深色背景上的白色物体来找到云，但它们很难区分不同的白色物体，尤其是雪地上方的冰云。此外，高云可能会掩盖低云覆盖的变化。

然而，在过去十年中，我们的观测结果已大大改善，这在很大程度上归功于 A-列车 (A-train)。美国国家航空航天局 (NASA) 的午后星座 (Afternoon Constellation)，或称 A-列车，是由六颗地球观测卫星组成的集合，它们编队飞行，燃烧燃料以保持稳定的轨道。其中两颗卫星，CloudSat 和 CALIPSO，提供了宝贵的信息。CloudSat 使用无线电波，无线电波可以轻松穿透高而薄的云层来测量低而厚的云层。它还可以判断云层是在下雨还是下雪。CALIPSO 使用基于激光的雷达（称为激光雷达）对云层进行成像。它可以判断云是由冰晶还是液滴组成的。

这些卫星共同增强了我们对云层覆盖的理解，并为我们提供了有关未来云层可能如何变化的线索。例如，观测结果似乎支持这样一种观点，即随着地球变暖，高云会升得更高，从而降低地球冷却自身的能力。最近的一项研究表明，只有一些高云比预期的含有更多的水和更少的冰。这意味着与云层变得更湿润相关的负反馈可能没有我们之前认为的那么强。

CloudSat 和 CALIPSO 于 2006 年发射，因此它们的数据记录太短，我们无法在自然气候变率的背景下检测到气候变化的影响。为了增加视角，科学家们正在拼凑来自旨在监测短期天气趋势的系统的较旧观测结果。值得注意的两项工作是国际卫星云气候学项目 (International Satellite Cloud Climatology Project) 和路径探测器大气层扩展项目 (Pathfinder Atmospheres–Extended project)。美国国家航空航天局 (NASA) 喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory) 的马克·理查森 (Mark Richardson) 说，不幸的是，这些项目调查的各种气象卫星的设计各不相同，并且在一天中的不同时间采集数据。尽管如此，如果你知道在哪里寻找，这些记录中还是有线索的。在 2015 年的一项研究中，泽林卡和我尝试了一下。

我们首先提出了一个简单的问题：在观测结果中，地球上云量最多和最少的纬度在哪里？正如预期的那样，我们发现热带地区云量最多。在中纬度狭窄的带状区域，风暴由盛行风驱动，云层覆盖率也相对较高。在亚热带“沙漠”纬度地区，高气压导致干燥、晴朗的条件，阻碍了云的形成——云量最少的带状区域。

然后，我们查看了从 1984 年到 2009 年的长期气象卫星记录过程中，云量最多和最少的纬度的位置是否发生了变化。我们发现的结果令人瞩目：云量最多的中纬度和云量最少的亚热带纬度正在被推向两极，正如模型告诉我们的那样。此外，每个独立数据集都同意，不断变化的大气环流模式正在将云模式拖向两极。通过将其与在不包括人为排放模式下运行的气候模型进行比较，我们确定这些变化太大，不能归因于自然变率。而且这些变化大于科学家预测的变化。

其影响令人担忧。如果低而反射性的云层被推得离两极太远，那么它们的冷却能力将大大降低：它们将阻挡微弱的温带阳光，而不是强烈的热带阳光。这种迁移将构成强烈的正反馈，并表明气候敏感性更高。

加利福尼亚大学圣地亚哥分校 (University of California, San Diego) 的乔尔·诺里斯 (Joel Norris) 领导的后续研究考虑了卫星记录中已知的差异，也发现了云模式的极地偏移。这些数据还表明，高云可能正在升高。科学家们正在辩论这些变化的意义，以及它们是否可以归因于温室气体排放、1991 年皮纳图博火山 (Mount Pinatubo) 爆发喷射到大气中的颗粒物的减少、自然气候变率或这些因素的某种组合。但有一点是明确的：长期观测结果并未显示出任何迹象表明云层会减缓变暖。

云层不会拯救我们

从观测结果中浮现出来的图景正变得越来越清晰。高云正在升高，云模式总体上正在向两极转移。这两种趋势都将加速地球变暖。短期观测表明，热带云的减少将阻挡较少的阳光，从而增强变暖，并且融化的云可能不像我们之前认为的那样是对变暖的有力抑制。这里没有什么可以让我们感到安慰的。

那么，我们现在是否认为云层将引导变暖更接近 ECS 范围的上限？平衡气候敏感度是一个理论量。它描述了对大气中二氧化碳迅速增加一倍的最终气候响应——这是一个人为的场景，它为我们提供了一种非常真实的方式来探索。然而，二氧化碳的增加并非理论上的；如果世界各国继续按照目前的道路前进，到本世纪中叶就会增加一倍。更多的卫星观测、更高分辨率的模型以及富有创造力的后起之秀科学家将帮助我们确定地球将变热多少的答案。

与此同时，还需要对另一个更相关的量进行研究，这个量也顽固地拒绝改变：50% 的美国人口不接受人类正在改变气候这一事实。最终，如果二氧化碳排放量继续不受抑制，地球将变暖很多。云层似乎会使情况变得更糟，并且至少不会减轻问题。这项任务落在我们身上。