几十年来，云层和气溶胶粒子一直困扰着气候预测人员。现在，研究者开始占上风了。
从太空看地球，是整洁的还是特别寒酸，取决于观看的位置：有些地方，成片的云层覆盖在深蓝色的海洋上，形成了惊人的色调对比；其他地方，发电厂排放的灰色阴霾和沙漠风暴形成一团团灰尘遮掩了大片区域。
这些云层和细小颗粒一起被称为气溶胶，它们不仅仅覆盖了行星表面，还通过反射、吸收和辐射调节着地球温度。但事实证明，通过大气模型来模拟气溶胶是极其困难的。几十年来，这一直是未来气候预测不确定性的最大因素。
研究人员说，现在已经处在模拟云层和气溶胶的拐点上了。最近几个月，气候学家已经开始推导出新模型的初步结果，表明如今的大气化学和微观物理学比以前更加复杂。这些模型考虑到云和气溶胶因彼此影响以及在温度、相对湿度和气流变化条件下如何演化发展。早期的研究结果表明，这种进程比科学家们已经意识到的对区域气候的影响还要大。研究揭示了光、云和气溶胶可能会引发非洲重大干旱、改变北极的气候并削弱南亚季风。
“从根本上讲，这是新科学，”位于埃克塞特的英国气象局哈德利中心的气候模型研究人员本·布斯(Ben Booth)说道，他研究的是气溶胶如何影响北大西洋海面温度及周围天气，“新一代模型，正在改变科学家所面临的各种问题。”
更科学的时刻即将到来。世界上领先的气候模型团队都在竞相为政府间气候变化专门委员会(IPCC)提交最新的研究成果，为其在2013年和2014年发布第5次报告做准备。气溶胶和云的问题会给我们带来惊喜是很明确的，“这才是真正的普遍观点。”罗恩·斯托弗(Ron Stouffer)如是说，他是美国新泽西州普林斯顿国家海洋与大气管理局地球物理流体动力学实验室(GFDL)的气候研究员。
干旱制造者
每天，大风席卷北美东部，带来大量的大气垃圾。发电厂排出的二氧化硫气体，演变成硫酸盐颗粒，反射太阳光，促进云的形成。汽车、钢铁冶炼和农业焚烧等带来了碳微粒，亮的碳粒子散射太阳光，暗的粒子则吸收太阳光，这个过程被称为气溶胶直接效应。由于颗粒顺气流东移，他们相互碰撞并与自然界的尘埃和海洋喷雾混合形成了气溶胶的负载。随着时间的推移，他们可以形成新的化学外表或合并形成新不同属性的粒子。
盛行风运载这种气溶胶围绕大西洋盆地形成长马蹄形的路线。粒子首先向东穿越大洋，然后向右转向法国海岸，聚集更多来自欧洲的污染物。负载气溶胶的气流顺着热带气流顺时针向西，回到美国之前，来到北非西海岸。
科学家提出，这一气溶胶弧足以阻止阳光从而降低大西洋表面温度和改变区域气候。因此哈德利中心的布斯和其他研究人员测试了其最新模型，不仅模拟气溶胶直接的效应，也模拟了气溶胶对云的间接效应。这些相互作用规模太小，不足以构成全球模型，所以他们采用了更详尽的模型得出统计方程。
哈德利中心上个月的研究报告指出，在该模型中，气溶胶对北大西洋海面温度有特别大的影响。这是间接气溶胶效应导致的巨大差异。硫酸盐粒子引致云中水汽产生大量的微小液滴，并变得明亮，从而减少到达海面的阳光量。
总体而言，模拟过程表明从1860年到2005年北大西洋海面温度上升，当快速工业化造成极端空气污染时，气溶胶的增长减缓了20世纪中叶的海洋变暖。20世纪70年代，美国和欧洲开始限制硫排放量后，天空变得更清晰，海洋表面温度却增加了。
最后，布斯说，工业气溶胶排放量的变化解释了三分之二观察到的北大西洋海面温度长期波动现象。布斯认为，“我们看到的这种关系基于现在这种模型。”
哈德利中心的结果似乎推翻了气候界的普遍观点，即自然的海洋循环引起了海洋表面温度的跌宕起伏，被称为北大西洋长周期年代际振荡(AMO)。此前的研究表明，与AMO相关的较冷的大西洋温度可能导致20世纪后半叶非洲萨赫勒地区的干旱，同样的制冷效果，可能导致美国的热带风暴和飓风的力量减弱。但新研究揭示出，人为污染也可能会对气候有所干扰。
现在的问题是，结果是否会站得住脚。位于科罗拉多州博尔德市的美国国家大气研究中心(NCAR)研究人员说，他们的模型也有看到类似结果的迹象。但并非所有人都相信气溶胶污染可能对海洋温度等产生深远的影响――更何况气候。NCAR气候学家凯文·崔伯斯(Kevin Trenberth)说，结果取决于对大西洋气溶胶污染和周围云分布的不确定的估计。同时，卫星观测没有发现间接气溶胶效应，他说：“这是令我感到诧异的，海洋在自然环境中是否起了模型中显示的重大作用呢？”
北极加热器
研究人员还试图区分自然循环还是人类活动造成北极冰融化。去年9月，由于过去几十年海冰不断融化，覆盖率降到433万平方公里的纪录低点。因为冰损失的速度已经超过了所有模型，研究人员一直在探究模型是否存在某些缺失。
新模型从早期的研究结果表明，模拟更复杂的云和气溶胶可以帮助提供答案。NCAR的大气模型比以前的模型产生了更多的变暖和海冰损失，罪魁祸首似乎是云――这一结果让人惊奇。“我是研究云的，但我并不认为云层会发挥带头作用。”NCAR大气科学家珍妮弗·凯(Jennifer Kay)说道。
为了弄清楚是怎么一回事，研究团队把新的诊断工具加入到模型中，科学家利用美国CloudSat和CALIPSO卫星观察地球，就能有效地告知会看到什么。模型输出结果可以直接与卫星上的雷达和激光仪器信号作对比，凯解释。“基本上是一个小卫星绕模型内部运转，”她说，“新版本显示，云层显著改善，它们往往更薄、更透明，更像是它们在北极上空应有的样子――但原因尚不明确。”
夏季云层比较薄，阳光更易穿过，使更多的冰融化，暴露更多的海面和陆地；雪地上深色气溶胶粒子的沉积会增强这种效应。颜色变深，等于吸收更多的阳光并增强变暖。虽然该模型仍倾向于低估平均的海冰损失，凯说，但一些模拟与卫星观测较吻合。
GFDL的研究人员用新的气候模型也观测到更大规模的海冰减少现象。迈克尔·温顿(Michael Winton)，GFDL模型研究员说，这很可能是IPCC第5次评估的主题，但他反对过早公布。此外，增强云和气溶胶的模拟会致使额外的变暖，但具体细节仍不清楚。最终气候学界必须面对一个关于模型的基本问题。“如果你建一个模型，它完全匹配观测结果，你会宣布成功了吗？”温顿问道。虽然GFDL的新模型增强了大气的表征并与卫星观测有很好的匹配，但温顿警告说，建模可以由于错误的原因得到正确答案。有些证据，例如，过去20年海洋环流中自然变异引起了海冰的损失。“理解北极应该考虑整个气候背景。”他说。
驯服季风
在卫星图像中，东南亚常常会被一片棕色云层覆盖，这是由从原始的炉灶和整个印度农村地区以及周边国家的明火排放的黑碳导致的。大气中，这些黑色颗粒吸收太阳光，使周围的空气变热，下垫面冷却，保证了大气的稳定，使印度洋北部内陆水分的区域循环放缓。七年前研究人员提出的这一机制可以解释为什么过去的半个世纪南亚夏季季风变弱。然而，GFDL的一个新模型的模拟结果表明，气溶胶和云对更大范围的半球能量交换的干扰会使情况变得更复杂。
整个系统受夏季阳光影响，赤道北部吸收的热量要比南部多。巨大的热力发动机在半球间重新分配热能的数额，北半球热气上升，从高空将热量带到南半球，在那里空气下降，从印度洋带回水汽回到北半球。正是这最后一步带来的夏季风，给南亚次大陆大部分地区带来了80%的降水量。去年十月，《科学》杂志报导的GFDL的结果表明主要的干扰是气溶胶导致的。“气溶胶的排放像是给北半球涂了防晒霜，降低了日光驱动系统的不平衡，”GFDL的气候模型和研究报告的作者易明(Yi Ming)说，“我们试图从更大的空间尺度去研究。”
模型也把责任从炉灶和农业焚烧的黑碳排放转到了整个地区的燃煤电厂二氧化硫排放。这种硫酸盐粒子，将会变成凝结核，并照亮云层，冷却下面的土地。除了显示印度自1950年以来夏季降水总体下降4——5％，该模型也再现了降水的区域差异――印度北部和中部更干燥，印度南部、北部和巴基斯坦的降雨量略有增加，这项包含间接气溶胶效应的新研究表明了“难题的一个不同侧面”。
加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的分支机构科学家，气候模型研究人员苏拉比·梅农(Surabi Menon)警告说，模拟取决于对排放量相对完整的估计。梅农已用从纽约美国宇航局戈达德空间研究所获得的最新模型探索了气溶胶和季风，模型至少可以检查他们对污染数据的测量，甚至几年前无法测量的数据。她说，“我们正在接近这个目标，慢慢来。”
全球难题
气候研究者推动了新模型的产生，他们特别热衷于测量模型的整体灵敏度：温室气体浓度增加时变暖的强度究竟如何。NCAR的研究员安德鲁·格特尔曼(Andrew Gettelman)说，间接气溶胶效应的增加使得NCAR新模式对温室气体更为敏感。模拟结果表明，气溶胶污染导致的额外冷却以及阴霾的直接影响，掩盖了21世纪温室气体导致的部分气候变暖，但该模型显示，21世纪随着对温室气体的全力控制，变暖增强了。简单地说，本世纪末可能发生的是――温室气体浓度翻倍，新的大气模型显示全球气温将上升4℃，而之前模型显示的是增加3.1°C。
哈德利中心模型正朝着同一个方向发展，但这决不是准则。巴黎附近的皮埃尔·西蒙·拉普拉斯研究所模型显示的温室气体影响较以前的研究变暖较少，气候建模研究者桑德琳·波尼(Sandrine Bony)说，对云层的改进处理可能有助于解释这种变化，但研究人员还没有对新结果进行充分分析。
这些都只是建模数据的第一轮工作。IPCC物理科学工作组的科学家们提交IPCC论文会持续到今年7月底，所以未来一段时间，有关气候模拟结果的论文会爆炸。
然后真正辛苦的工作才开始――解决哪些是可信的。科学家必须区分模型中微妙的起因和影响，并在可能的情况下，用其他模式和观测检验他们的结果。“现在，我们需要的是真正了解模型在做什么，以及为什么它们之间有区别，”波尼说，“通过光谱模型结果的对比，我们确实可以评估哪些结果是稳定的。”
资料来源Nature
责任编辑 彦 隐
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本文作者杰夫·托尔夫森(Jeff Tollefson)，《自然》杂志科学新闻记者，关注能源、气候和环境问题。