原創 一朵碎積云  轉載于 大氣物理研究進展分享

引言

海洋低云對地表輻射是冷卻作用。氣溶膠-云相互作用是氣候預估中重要的不確定性。對于固定的云水含量，氣溶膠增加會形成更多更小的液滴，增加云的反照率（Twomey效應）。更小的液滴使碰并效率減弱從而抑制降水，增加云水含量（云水調整），延長云的生命周期，從而導致云量增加（云量調整）。目前Twomey效應有明確的證據，但是云水和云量調整存在很大的爭議。本文發展了基于氣象分析方法和衛星觀測的機器學習方法，將清潔環境和冰島火山噴發期間的云屬性進行比較。本研究能區分Twomey效應，以及云水調整和云量調整對氣溶膠間接輻射效應的貢獻。

主要內容

Twomey效應和云水調整

本文利用2001-2020（去掉火山噴發的2014年）的MODIS觀測數據訓練出機器學習模型ML-MODIS。在沒有火山噴發時，ML-MODIS模型可以通過給定的氣象條件準確預測MODIS觀測的云滴數濃度（Nd）、云滴有效半徑（re）、云水含量（LWP）和云量（CF）（圖1左列）。在火山噴發期間（2014年10月），ML-MODIS模型預測和MODIS觀測有很大的差異（圖1右列）。在火山噴發期間，MODIS觀測Nd的概率密度分布往大值偏移，Nd平均增加了20 cm^-3（增加了28%，圖2a和2d），re減少（從15.2 μm到13.9 μm，圖2b和2e）。

云量的響應

在火山氣溶膠擾動的情況下，CF概率密度函數從0.36變為0.39（圖2c和2f）。本文使用蒙托卡洛方法研究了云屬性的響應。沒有受到氣溶膠擾動時，MODIS和ML-MODIS比值為1（圖3）。受到氣溶膠擾動時，Nd增加，re減少，LWP變化較小，云量增加11%（圖3）。dlnCF/dlnNd的值為0.41，表明在云量對氣溶膠引起的Nd的擾動有很強的敏感性。

云量的調整主導輻射強迫

本文分析了氣溶膠間接效應引起的Twomey效應、LWP和CF調整對輻射強迫的相對貢獻。和之前的研究相似，本文中LWP調整的貢獻較弱。然而，最近的研究都表明Twomey效應的云滴有效半徑調整貢獻了70%的氣溶膠間接效應的輻射強迫。本文結果表明，云量的調整（61%）抑制了Twomey效應（37%）（圖3）。由于本文考慮到大范圍的氣象條件和云區，更加適用于約束和人為排放相關的大尺度氣候模式和氣溶膠間接效應。

目前多模式的評估表明，dlnCF/dlnNd和dlnreff/dlnNd的比值大概是1:3。而本文得到的兩者比值是5:4，表明由于云量增加帶來的冷卻在目前的氣候模式中是被低估的。在全球模式中，云量響應的缺失可能和LWP調整過強相互抵消。這項研究提高了目前對云引起的氣候變化的理解，為氣候模式提供了更加可靠的大尺度約束。

圖1 ML-MODIS預測和MODIS觀測，左列為2001-2020年（去掉2014年），右列為2014年10月（火山噴發期間），(a)(e)云滴數濃度（cm^-3），(b)(f)云滴有效半徑（μm），(c)(g)云水含量（g m^-2），(d)(h)云量