原创 一朵碎积云  转载于 大气物理研究进展分享

引言

海洋低云对地表辐射是冷却作用。气溶胶-云相互作用是气候预估中重要的不确定性。对于固定的云水含量，气溶胶增加会形成更多更小的液滴，增加云的反照率（Twomey效应）。更小的液滴使碰并效率减弱从而抑制降水，增加云水含量（云水调整），延长云的生命周期，从而导致云量增加（云量调整）。目前Twomey效应有明确的证据，但是云水和云量调整存在很大的争议。本文发展了基于气象分析方法和卫星观测的机器学习方法，将清洁环境和冰岛火山喷发期间的云属性进行比较。本研究能区分Twomey效应，以及云水调整和云量调整对气溶胶间接辐射效应的贡献。

主要内容

Twomey效应和云水调整

本文利用2001-2020（去掉火山喷发的2014年）的MODIS观测数据训练出机器学习模型ML-MODIS。在没有火山喷发时，ML-MODIS模型可以通过给定的气象条件准确预测MODIS观测的云滴数浓度（Nd）、云滴有效半径（re）、云水含量（LWP）和云量（CF）（图1左列）。在火山喷发期间（2014年10月），ML-MODIS模型预测和MODIS观测有很大的差异（图1右列）。在火山喷发期间，MODIS观测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%，图2a和2d），re减少（从15.2 μm到13.9 μm，图2b和2e）。

云量的响应

在火山气溶胶扰动的情况下，CF概率密度函数从0.36变为0.39（图2c和2f）。本文使用蒙托卡洛方法研究了云属性的响应。没有受到气溶胶扰动时，MODIS和ML-MODIS比值为1（图3）。受到气溶胶扰动时，Nd增加，re减少，LWP变化较小，云量增加11%（图3）。dlnCF/dlnNd的值为0.41，表明在云量对气溶胶引起的Nd的扰动有很强的敏感性。

云量的调整主导辐射强迫

本文分析了气溶胶间接效应引起的Twomey效应、LWP和CF调整对辐射强迫的相对贡献。和之前的研究相似，本文中LWP调整的贡献较弱。然而，最近的研究都表明Twomey效应的云滴有效半径调整贡献了70%的气溶胶间接效应的辐射强迫。本文结果表明，云量的调整（61%）抑制了Twomey效应（37%）（图3）。由于本文考虑到大范围的气象条件和云区，更加适用于约束和人为排放相关的大尺度气候模式和气溶胶间接效应。

目前多模式的评估表明，dlnCF/dlnNd和dlnreff/dlnNd的比值大概是1:3。而本文得到的两者比值是5:4，表明由于云量增加带来的冷却在目前的气候模式中是被低估的。在全球模式中，云量响应的缺失可能和LWP调整过强相互抵消。这项研究提高了目前对云引起的气候变化的理解，为气候模式提供了更加可靠的大尺度约束。

图1 ML-MODIS预测和MODIS观测，左列为2001-2020年（去掉2014年），右列为2014年10月（火山喷发期间），(a)(e)云滴数浓度（cm^-3），(b)(f)云滴有效半径（μm），(c)(g)云水含量（g m^-2），(d)(h)云量

图2 2014年10月由火山喷发引起云属性的改变（ML-MODIS和MODIS的差异）

图3 用MODIS观测和ML-MODIS比值来表示气溶胶间接效应信号。黑色表示没有火山气溶胶扰动期间，粉色表示2014年火山喷发期间

原文信息

Chen, Y., Haywood, J., Wang, Y., Malavelle, F., Jordan, G., Partridge, D., ... & Lohmann, U. (2022). Machine learning reveals climate forcing from aerosols is dominated by increased cloud cover. Nature Geoscience, 15(8), 609-614.