问与答:为什么云仍然是气候变化的“最大不确定因素之一” 地平线杂志


现在,对云的大量野外研究和高分辨率计算机仿真正在帮助减少某些不确定性。 Siebesma教授说,这对我们的气候意味着什么远非令人鼓舞。

什么是云,云如何形成?

云只是冷凝水。 大气中充满了从海洋和陆地蒸发的水蒸气。 但是大气层只能容纳这么多的水蒸气,因此,当空气冷却时,它会达到一个饱和点,水蒸气在微小的尘埃颗粒周围凝结,我们称之为气溶胶。 液滴是如此之细,以至于它们仍然漂浮在空气中,在其中散射阳光,这就是为什么我们将它们视为白色的云。 随着更多的水凝结,水滴逐渐生长,它们随着雨水在重力作用下掉落。

为什么云会形成许多不同的形状?

种类繁多。 它取决于各种因素,例如大气层的稳定性,可用水蒸气的量以及风随高度的变化。 有一个名为“云计算鉴赏协会”的组织,来自世界各地的人们分享他们看到的云的不同形式。 我也是其中的一员。

几年前,世界气象组织在国际云图集中增加了一个新的云子类别,该社团的成员经常看到这种云,通常称为高云。 它们具有起伏不定的云底(undulatus),具有混沌特征(asperitas),几乎可以看到世界末日的天空。 并不是说它以前没有出现过,而是该组织帮助鼓励人们寻找并拍摄云。 在地图集中还添加了许多云类型,从它们由于人类活动才开始出现的意义上来说,它们实际上可以被认为是“新的”,例如凝结尾迹。 这些是飞机后遗留的人造云,它们有一个特殊的名称-Cirrus homogenitus。

人类活动还如何影响云?

云需要形成气溶胶。 这些微米级的粒子总是漂浮在空气中,这些粒子的大小小于人发的厚度。 自然,空气中有很多东西,例如从海里吹来的海盐和撒哈拉沙漠中的灰尘。 但也有一些来自人为(人类)来源。 燃烧是这些人为产生的气溶胶的主要来源,例如黑碳或烟尘和二氧化硫,二氧化硫主要来自欧洲的发电厂。 来自汽车尾气的氮氧化物是欧洲的另一主要来源。 空气中的气溶胶越多,由于云由更多但更小的水滴组成,因此反射性就越大。 如果气雾剂较少,水滴就会变得越来越大,并且随着雨水的落下更容易掉落。

云在气候中起什么作用?

从气候的角度来看,我们对云感兴趣的主要原因是因为它们与阳光相互作用。 简单地说,您拥有的云越多,它们反射的阳光就越多,从而抑制了全球变暖。 但是云层也以不同的方式与地球发出的红外辐射相互作用,这具有变暖的作用。 它们吸收红外辐射,然后将其一部分重新发射回太空,然后再发射回地球表面。 这取决于云的高度和云的类型。

云如何影响全球变暖?

云可以通过三种方式影响地球的温度。 首先,云量-更广泛的云量通常意味着它们反射更多的光并具有更强的冷却效果。 其次,云的反射率起着重要作用。 如果云中包含更多的水滴,它们将变白并反射更多的阳光,这将冷却地球表面。

最后,云顶高度也很重要。 高云也趋向于变冷,因此它们发出的长波辐射较少,因此更好地将其保留在我们的大气中,而不是将其释放到太空中。 低云较温暖,并发出更多的长波红外辐射。 这意味着更高的云层倾向于对地球表面和大气层产生变暖作用。

Siebesma教授想了解不同的云形状(如类似于砾石,爆米花或这些花状结构的云)是否会随着温度升高而变化。 图片来源-NASA Worldview

随着气候变暖,云层会怎样?

空气越热,可以容纳的水蒸气就越多。 我们已经可以在测量中看到这种情况。 但这并不意味着您会自动获得更多的云层-实际上,更温暖的气氛可以容纳更多的水蒸气,直到水蒸气饱和并开始凝结。

水蒸气本身就是一种强大的温室气体,因此这里有反馈实际上导致了更多的变暖。 温度升高,水蒸气增加,温度也升高。

但是云层也会做出反应。 它们如何响应是温度和水蒸气含量之间的微妙平衡。 我们的大多数模型和观测结果都表明,尤其是在陆地上相对湿度似乎有所下降的土地上,这是因为水蒸气在增加,但与温度不同步,因此我们得到的云较少。

我们开始在观测记录中第一次看到这种情况,即这种云层反馈正在增强地球的变暖

但是,随着气候变暖,云如何详细响应仍然是气候变化建模中最大的不确定因素之一。

不确定因素在哪里?

亚热带海洋上空的低云最不确定。 当您查看气候模型时,几乎所有模型都会减少低云量,但多少会因模型的敏感性而有很大差异。

几个月前发表的一项重要评论显示,自IPCC(政府间气候变化专门委员会)较早发表报告以来,与云有关的不确定性已大大降低。 这在很大程度上可以追溯到边界层(低)云的高分辨率模拟。 几年前,这是我们作为EUCLIPSE项目的一部分真正关注的事情,它有助于回答许多问题。 但是我们只研究了在25 km的较小水平尺度上这些低云的高分辨率模拟。

我们现在发现的是,当您在现实世界中以更大的比例看待时,根据它们形成的形状,云以极其复杂的方式组织。 它们以数百公里的规模进行组织,这是我们以前无法模拟的,因此我们想知道这些地层在变暖时会发生什么以及对气候的影响。

“它们(云)的组织规模达数百公里,这是我们以前无法模拟的,因此我们想知道随着地层变暖这些地层会发生什么以及对气候的影响。”

荷兰杜夫特大学Pier Siebesma教授

您现在正在做什么以了解这些?

今年早些时候,在加勒比海地区进行了一项名为EUREC4A的大型跨国现场试验。 云层之上和之内有四架飞机,四艘船测量了海洋状况,云层下方也有云层,我们使用无人机探测边界层。 我们能够在很大的区域上系统地测量和捕获云的结构,发生的云微物理学,空气中的气溶胶和大气的湍流。

现在,所有这些数据都将在一个称为CON​​STRAIN的项目中使用,以生成像我们在EUCLIPSE中使用的那些高分辨率模型,但是比例尺为数百公里,分辨率为50m。 这将使我们能够模拟整个亚热带大西洋上的云。

云也导致降雨-那里正在发生什么变化?

通常,我们看到干燥的地方变干,潮湿的地方变湿。 我关注的一个领域是极端降水,而且很明显,降水正在增加。 如果您将空气想象成海绵,那么随着温度的升高,它可以容纳更多的水-每升高一度,空气中的容纳的水蒸气就会增加7%。 然后,当您挤压海绵时,会弹出更多。

但是,当我们查看观测数据时,它表明每度变暖的极端降水可能增加10-12%。 那是因为它不仅与大气中有多少水蒸气有关,还与云的动力学及其组织方式有关。

本文中的研究由欧盟资助。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



This article – “问与答:为什么云仍然是气候变化的“最大不确定因素之一” 地平线杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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