在哲学中谈论的是观念和物质，在神学中谈论的是善与恶，如果两重性的概念——两种不可改变的和相反的原则——在大气科学中占有任何位置的话，它可以在形形色色的和并非一成不变的云的形态中发现。云的两重属性可以通过气候系统表现出来，在这个系统中，它同时对地球进行加热和冷却。没有任何东西会比凝聚的或结晶的水蒸气更奇异。云既影响以太阳光的形式射来的短波辐射，又影响由地球表面返回到太空中去的长波辐射。但是，这两类辐射却受到截然不同的方式的处理。

云以白颜色出现，这是因为它有效地反射太阳辐射，减少地球表面上接收到的辐射量，同时云也会吸收某些这种短波辐射。另一方面，由于云要比地球表面冷一些（温度随高度而降低）。因此它可以通过吸收某些由地球发射到太空中去的长波辐射而减少它的量。

发射到太空中去的长波辐射董的减少会使地球/大气层系统变热，而被吸收的短波辐射量的减少又会使其冷却。但一起作用的这两种效应的净结果——云的辐射强制力（radiative forcing）又如何呢？至少对目前来说，国家航空和航天局1984年发起的一项多卫星研究计划——地球辐射聚集试验（ERBE）提供了这一问题的答案。由包括芝加哥大学的V · 拉曼拉塞（V · Ramanathan）和他的6名同事组成的科研小组进行的这项试验表明，对某一典型的月份而言，全球的平均长波云的加温大约为31瓦/米²，短波云的冷却约为45~52瓦/米²。因此，在这种情况下云的辐射强制力是负值。云减少大气层顶部的净辐射约为14~21瓦/月 · 米²，从而起到对地球/大气系统的冷却作用。

反 馈

据某些预测，如若所有的云属通过某种方式而从气候系统中排除掉的话，地球的平均温度真的就会升高10℃，这样说绝非言过其实。很明显，在今天的气候中云的两重性效应并非是半斤八两的。

但是，这种情况并不是一成不变的，通过改变云的总量和它在全球的分布，可以使气候发生变化，并引发出一系列会改变云的辐射强制力的事件，然而这样的改变是不可能发生的，因为云是受地球表面和高空中的温度差的影响的环境系统的一个组成部分。

因受气候变化而引起的云的辐射强制力的变化被称作云反馈。如若在一个假定的发生变异的气候中云反馈为正值，那么目前为负值的云的辐射强制力就会变得负的程度较小。而且对大气层的冷却作用也会变小。可是，如果云反馈为负值，那么云对地球的冷却作用甚至会大于今日。

目前为人们所熟知的温室变暖现象的机制是：当人类的活动造成CO₂和其他的温室气体在大气层中增加时，这些气体就像云能起的作用那样会引起长波辐射向太空发射的减少。但是，如果地球/大气层系统吸收相同量的短波辐射，它必须变热以保持同太阳的热平衡（物理学的能量守恒定律要求，进入和射出的辐射必须相等）。最终，这颗行星将变得足够的热，以便再次发射出与它所吸收的一样多的辐射。

一种模型研究

这一方案足够简单，但它得出的云反馈绝非是直截了当的。这是最近根据来自7个国家的14种不同的大气环流模型对一种全球变暖现象所预测的云反馈的比较的重要发现。本研究是由包括设在石溪的纽约州立大学的罗伯特 · 西斯（Robert Cess）和19名其他的大气科学家在内的一支国际科学家队伍进行的。

在西斯的研究中，为了节省费用昂贵的计算机使用时间，这些模型不采用通常用作气候变化模拟的CO₂模式进行计算。而代之以引入一种代替的方法，先是将输入到这些模型中去的观测到的海洋表面温度降低2℃，以提供一种基准的参考气候，然后再均匀地将这一温度提高4℃接下来对这些模型加以处理以产生一种能得到这样一种温度的强制力。最后得到的模拟是在一段为期仅几个月的时间内（而不是约50年）进行的，采用7月份的气候条件以排除因有雪和冰的存在而引起的反馈过程。西斯和他的同事们想在他们引入低温天体和海洋的复杂情况之前，将大气反馈隔绝起来。

云反馈系根据由地球辐射聚集试验数据的处理方法得到的启示而测定的：研究小组分别将在对基准气候受干扰的气候进行模拟期间测得的晴天和多云天气的数据加以平均。将由一种模拟到下一种模拟得到的云对气候系统的影响加以比较，从而对14种模型中的每一种得出一个云反馈值。

寻求改善办法

云反馈看来是引起模型对气候变化的灵敏性的巨大误差的原因。当对基准的和受干扰的气候进行的晴天测量作比较时，西斯指出，误差被一种或多或少的普遍的一致性所取代。这一结论使他受到启发，对模型中的云的处理可望得到改善。

作为西斯的合作者之一的国家大气研究中心的杰弗里 · 基尔（Jeffrey Kiehl）断然同意这一点，他指出：“解决预测大气环流模型中的云的问题，将成为下一个10年中在进行模型化预测方面的重要努力。”

“在大气科学中，只有很少的全球观测数据组，”基尔说：“我们没有一种可控制的试验去同我们的理论相比较，以看看我们是否与实际情况更接近了一些。这就是地球辐射聚集试验数据组的价值所在，而且许多从事模型研究的人将用它们来修正和改善他们的模型。”

目前，共通性模型采用一种相对－温度指标来产生云，基尔承认这种方法不可能达到同真实的云的形成的复杂性一模一样。如若在一轮模拟过程中这种模型发现位于大气大约某一层处的相对湿度超过某一阈值时，就会在那里形成一种云；即使在后来的模拟过程中相对湿度下降到阈值以下，这种云就会从那一层移去。

为了对云层覆盖情况进行预测，并用这种预测结果来同地球辐射聚集试验对1985年测得的一个月的数据相比较，这一模型经历了6个年度的循环运行，尔后将得到的6个数值加以平均。这一比较揭示了模型的计算结果同地球辐射聚集试验的测量结果之间的差异。最明显的是模型中的晴天区内的向外发出的长波辐射过量。基尔将这一点归因于模型的“干燥度”太大，缺少大气层中的水蒸气，而正是这种水蒸气可以吸收自地球发出的热量。

真实的云

为了研究温室效应和人类对气候的影响，地球辐射聚集系列试验是目前流行的最重要的卫星计划。它由3个卫星组成：1卯4年10月发射的地球辐射聚集卫星；在此两个月之后发射的NOAA-9卫星和1986年9月发射的NOAA-10卫星，首先对1985年4月得到的数据作了分析，因为当时地球辐射聚集试验小组已经由前两颗卫星获得了可与之比较的数据。

据V. 拉曼纳塞称，在此之前已探测到了4个多月的数据，其结果证实了云对现在的气候有很大的冷却作用。地球辐射聚集系列试验也表明，由于某种作用，这种冷却原因是不均匀的，而是集中在中纬度和高纬度的海洋地区（在地球的其余地区，云对气候并不具有净效应），因此，云增强了引起大气和海洋环流的由赤道到地极的热运动。

云的辐射强制力在全球范围内的差异，支持了拉曼纳塞提出的在较暖和的气候中的几种引人兴趣的云反馈机制。如果正如某些模型所预言的那样，地极地区变暖的程度高于赤道地区，那么两者之间的温差就会消失，由于赤道/地极的温差而引起的形成北大西洋和太平洋中暴风雨路线的冷却云就会向北移动并停止其所起的一种冷却作用。但是，目前在热带地区的太平洋中的中性云可能会变得更厚一些，而且其冷却作用可能会重新开始占上风。因此，拉曼纳塞建议要对热带云和温和的暴风雨路线作深入细致的研究。

通量测量

地球辐射聚集试验对测量的方法进行了革新，因而赢得了声誉，这种测量方法的革新可用来推导出它的云辐射强制力值，从总通量（由晴朗区和多云区两者进入的通量）中扣除掉晴空通量。直接测量来自云层的通量的初步尝试未获成功，原因是在从太空考察单个云参数方面遇到了巨大的困难。晴空区因它们的暗度、大量的辐射和同相邻区域的调和性而比较容易识别。

这种方法得到了FIRE的帮助。FIRE是美国国家航空和航天管理局主持的一项10年计划，它开始于1983年，旨在将由10艘宇宙飞船上测得的卫星数据同由在边界层中飞行的飞机上就地测得的数据和由以地面为基的仪器上测得的数据联系起来，为了将飞机测量同卫星测量联系起来，飞进这两个强场观测区的飞机之一携带了迄今与在卫星上携带的同样类型的仪器。用这些观测对卷云和海洋上空的层积云进行了分别的研究。

虽然所有的云同时对地球/大气系统加热和冷却，但是并非所有的云对大气成比例地进行加热和冷却；在某些云中以加热作用为主，低空水云，海洋上的层积云因为它们的液态水分含量高而能对太阳辐射起十分有效的阻挡作用。由于它们所处的高度的缘故，它们对长波辐射的发射的影响甚微。结果，海洋上的层积云成为冷却云。与其作用相反的是卷云，它们是由冰粒组成的甚高空的云。它们对射入的太阳光阻挡不多，然而却俘获了大量的地球长波辐射。总之，它们对地球起一种如同温室气体般的作用。

高、中、低空云

25年前，NOAA的地球物理流体动力学试验室的索库罗 · 马纳布（Syukuro Manabe）精确地描述了高空、中空和低空云对地球目前的气候的影响。中等高度的云像低空云那样阻挡太阳光，因此比高空云俘获的长波辐射量少。最近，马纳布和同样也在NOAA的地球物理流体动力学研究室工作的里查德，韦瑟拉尔德（R. Wetherald）一起得出了如下的结论：气候模拟中的云反馈的最大的不确定性缘自卷云和海洋上的层积云。如果卷云的数量增加而海洋上的层积云的数量保持不变或减少，变暖趋势中的云反馈就会是正的；如果情况相反，则云反馈为负。

采用共通性气候模型，安东尼 · 斯林哥进行了一系列的研究，所有这些研究都揭示了在CO₂加倍的情况下气候系统对低空云和高空去的变化的敏感性。“我试图了解一下我得将低空云的数量改变多少方能恰好同地球的辐射加热效应相当和相补偿，”斯林哥说：“结果发现这一系统极为敏感。只要将低空云的数量由25%增加到30%，就能够补偿掉CO₂的辐射强制力”。

当然，是否海洋上的层积云也会如此敏感，这一点尚不清楚。但是，斯林哥的研究突出了它们的重要性。位于海洋上空仅500~1，000米处的这些带有波纹形的顶部和底部的薄的云覆盖层（200~500米厚）可能在所有的低空云中具有对气候最大的影响，因为它们覆盖了那么大的面积，而且在它们散去之前停留了那么长时间。

正在对第一次层积云试验中收集到的数据分3个过程进行研究，这些过程被认为是这种消散类型的机制。过程之一是，在一定的情况下在云层顶部的强烈的温度逆转变得不稳定；通常，这种逆转可阻止边缘层上空的热空气穿过云层下沉，另一个过程是，太阳辐射被云吸收可对地球表面和自由大气层之间的那一层起稳定作用，防止云从海洋下面吸收水汽，这是它主要的水分来源。还有一个过程是，下细雨的过程对海洋向云的水分转移有一种类似的隔离作用。

卷云是FIRE进行强场观测的另外对象。它们具有与层积云如此不同的特性：它们可以看成是低空的、扩张性的云的反云（anticlouds）。由于卷云具有巨大的上升力和飘渺的外形，因此很难从地面对它们进行探测；这些微妙的冰晶体应认为是非同寻常的。但是，它是它们都要比猜测的情况寻常得多。这一计划的以地面为基的激光仪器已揭示了近乎看得见的卷云的存在。

激光雷达或光雷达是最重要的研究手段。利用由一个激光器发出的光能，光雷达像普通的雷达一样发射出电磁辐射，它射到像云这样的一个目标上，然后反射回到一个接收器。除了带回云的距离的信息而外，返回的信号还给出了包括环流图形和冷凝晶体的纹理在内的云结构这样一些特性的高分辨率图像。激光雷达收集了巨大数量的数据：在1米至10米范围内的水平的和垂直的特性均可以看到。

除了揭示用肉眼所不能见到的卷云的存在以外，在威斯康星的野外试验中采用的5个激光雷达系统发现，卷云可以在各种不同的高度上生成，而不仅仅只在一个高度上。斯塔尔将这一发现解释成其开始生成和消逝都来得十分突然的一系列的分散的环流图形的结果。大多数的环流模型都把大气描绘成一种具有随高度而逐渐变化的性质的更均匀的整体。如果模型用提高了的垂直分辨率来进行运算的话，斯塔尔感到：它们可能会开始表现出这种分阶段的行为。

激光雷达成像的纹理也表明，冰粒迅速地脱离其生成层，蒸发进下面往往更干燥的空气中。这种降雨将水分从云中带走，从而使卷云在它们同太阳和长波的辐射的作用中比起如果不出现这种情况来没有那么浓密和有效。任何影响卷云的辐射特性的因素都特别有关系，因为这些特性决定着它们财气候的基本影响。

由对辐射本质进行的试验得到的另一个发现是，在对同样的云进行的微观物理观测和辐射的观测之间有一种差异。按照斯塔尔的看法，消除这种差异的一种办法是，假定在云中的较小的冰结晶体的数目要多于原来所认为的数目。

虽然这种看法在大气科学家中得到了许多的赞同，但斯塔尔对这种异常的观测结果提出了另一种解释：现有的云模型并没有正确地处理好具有复杂的结构的冰结晶体的辐射特性。在FIRE卷云试验过程中收集到的幻灯片表明，绝大多数的卷云的冰结晶体完全不像在试验室中制得的简单形状的原始状态晶体。

［译自Special Features Service，084，15，材料由美国驻沪领事馆文化处提供］