气溶胶-云相互作用的气候效应外文翻译资料

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气溶胶-云相互作用的气候效应

Daniel Rosenfeld 1 *, Steven Sherwood 2, Robert Wood 3, Leo Donner

摘要：当前研究需要在卫星观测和模式开发方面取得进展，才能清楚气溶胶和云层复杂相互作用及其对气候的影响。

气溶胶抵消一部分温室气体造成的温室效应，主要通过增加反射回太空的阳光。然而，气溶胶通过它们与云相互作用影响气候的方式很复杂，并且不能完全被气候模式捕捉。因此，人类活动引起的辐射强迫（即对地球能量平衡的扰动）具有高度不确定性，因此难以预测全球变暖的程度（1,2）。最近的进展使得人们对气溶胶云相互作用及其对气候的影响有了更详细的了解，但是进一步的进展受到有限的观测能力和粗分辨率气候模式的阻碍。

最近的进展已经揭示了比之前考虑的更复杂的气溶胶-云相互作用（参见该图）。例如，气溶胶-云相互作用引起的辐射强迫可能受缓冲机制的限制，这些缓冲机制会导致不同的云对气溶胶的作用相互抵消（3）。其他情况下气溶胶会产生重要影响，因为气溶胶由于降水而变得极度贫乏（4）。在这些超洁净（无气溶胶）的体系中，添加气溶胶可以显著增加云量，导致较大的冷却作用（5）。另一个新近认识的过程是气溶胶引起的深对流云的活跃化，将较大量的较小冰粒送入云砧中。较高，较冷和较广的云砧可通过向太空散发较少的热辐射而导致地球变暖（6）。

政府间气候变化专门委员会的第五次评估报告（2）开始解释了其中一些气溶胶-云调节机制及影响。大多数研究都涉及已知或怀疑机制的一部分，而且他们通常不能将各自的贡献分开。然而，这代表了第四次评估报告（7）的进步，在第四次报告中只考虑一种效应：气溶胶会引起云滴变小，由此导致云层对太阳辐射反射量会增长。现在清楚的是，减小的云滴粒子可能通过其他机制(例如图中所示)造成比云滴大小变化效应更大的辐射扰动（8）。这些影响不能被完全量化，这增加了气溶胶-云辐射强迫的不确定性。此外，现在对工业革命前的未受干扰的气溶胶水平知之甚少，而这个参考水平对估计气溶胶的辐射强迫非常重要（9）。量化该参考水平需要对自然源和人为排放源及其相互作用进行更好的定量分析。

含气溶胶的

A 风积云交换中的缓冲作用

更多的云水引起冷却作用， 更少的云水引起加热作用

缓冲了由更大的云滴 缓冲了更小的降水

引起的加热作用 引起的冷却作用

含气溶胶的

纯净的

纯净的

含气溶胶的

海上层积云的状态变化

毛毛雨云的覆盖范围 气溶胶存在抑制了毛毛雨降落，

和水分的减少， 引起阴天，产生冷却作用

引起了加热作用

B

更小的

冰晶

更多的水滴

被冻结

被延迟的降水

卷云变得更薄，通过向太空发射更少的热量而变暖，同时通过反射更多的太阳辐射而变冷

纯净的

冰晶

云中液滴

冰雹

垂直风

0°C

气溶胶使深对流云活跃的过程

C

由于更高和更冷的云顶而变暖

图-气溶胶如何影响云的辐射特性。通过作为凝结核形成大量的较小云滴，气溶胶以各种方式影响云辐射强迫。（A）无降水云中的缓冲作用。（有气溶胶的云中）较小的云滴蒸发得更快并导致周围空气更多地混入云顶，这进一步增强了蒸发。（B）强冷却作用。纯净云通过将云水转化成雨水，形成降水，进而清除气溶胶，这样形成一个正反馈。气溶胶抑制雨水降落，阻止云破碎。（C）更大更持久的卷云。通过延迟降水，气溶胶可以使深对流云活跃，并导致更冷的云顶，热辐射更低。由气溶胶污染产生的较小冰粒从云砧上降水更慢。这会导致更大更持久的卷云，对热和太阳辐射产生相反的影响。其净效应取决于(辐射的)相对大小。

在微小尺度（几十米或更小），气溶胶改变云滴形成和生长的过程以及降落物聚结成雨的过程已经被充分理解，湍流影响这些过程的方式也被理解清楚了。当前研究中不太清楚的是云量和云组织对降水的反应。对冰晶的形成及其与液态云滴的相互作用的理解还十分有限，这主要是由于对气溶胶的冰晶核化过程和随后冰晶冰云的形成过程的观测能力不足。即使在整个云或多云系统尺度对这些过程进行显示的计算机模拟，都需要当前最强大的计算机进行数百小时的运算才能实现，更不用说地球尺度了。因此模拟者必须在天气和气候模式中利用对这些过程的简单参数化表示这些过程。将气溶胶对云的影响参数化表示尤其具有挑战性，因为气溶胶和云的性质之间的小尺度相关变化会产生大尺度影响，例如云组织的变化。

几十年来，全球范围内云分辨的长期模拟几乎是不可能的。然而，最近的突破性模拟（10）出现了令人兴奋的一步，其中，接近云范围的小尺度过程，包括简化的云气溶胶相互作用方案，被嵌入气候模型的每个网格单元中。这种方法提供了在全球范围内长达数年的时间尺度上的运行模式来模拟云过程的可能性，但是在一个世纪的范围内进行气候模拟仍然不可行。嵌入式模型也太粗糙，无法识别许多重要而基础的气溶胶-云过程。

改进的观测试验对验证模拟结果和确保模拟过程正确发展至关重要。目前的卫星可以测量云和降水属性，但不能测量产生云的垂直风，也不能测量形成云滴和冰晶凝结核的气溶胶的具体种类。因此，很难分离气溶胶和气象上对云特性的分别作用。一个主要的挑战是最重要的气溶胶成核区位于云的底部，该地区如果从上方观测，其被云的其他部分遮挡。

云-气溶胶激光雷达和红外通道卫星观测（CALIPSO）（11）和EarthCare卫星任务旨在解决这些挑战中的一部分。EarthCare（预计于2015年发射）将用355纳米激光雷达测量气溶胶类型和数量的垂直分布。EarthCare的多普勒云雷达可以确定云垂直运动。然而，这两个航天任务中的雷达和激光雷达只覆盖了卫星轨道线，限制了它们的覆盖范围。当前正在考虑能克服观测挑战的更进一步的卫星发射计划（12）。

理解气溶胶-云相互作用及其对气候的影响的进展受限于观测工具和模式不足（13）。然而，实现观测和模拟所需的改进这一目标已被囊括在我们的技术范围内了。例如，现有技术可以提供100米分辨率的多光谱和多角度极化测量的云特征（12）。之后的研究应当更加关注对社会经济有重要意义的结果：降低人为活动造成的气候强迫的不确定性，更好地理解和预测气溶胶对我们未来天气和气候的影响。

参考文献

1. T. L. Anderson et al., Science 300, 1103 (2003).

2. T. F. Stocker et al., Eds., Summary for Policymakers. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (Cambridge Univ. Press, Cambridge/New York, 2013).

3. B. Stevens, G. Feingold, Nature 461, 607 (2009).

4. T. Goren, D. Rosenfeld, J. Geophys. Res. 117, D17 206, doi: (2012).10.1029/2012JD017981

5. A. S. Ackerman, O. B. Toon, P. V. Hobbs, Science 262, 226 (1993).

6. I. Koren, L. A. Remer, O. Altaratz, J. V. Martins, A. Davidi, Atmos. Chem. Phys. 10, 5001 (2010).

7. IPCC, Climate Change 2007 Synthesis Report (IPCC, Geneva, 2007).

8. I. S. A. Isaksen et al., Atmos. Environ. 43, 5138 (2009).

9. K. S. Carslaw et al., Nature 503, 67 (2013).

10. M. Wang et al., Atmos. Chem. Phys. 11, 5431 (2011).

11. D. M. Winker et al., J. Atmos. Ocean. Technol. 26, 2310 (2009).

12. N. O. Rennoacute; et al., Bull. Am. Meteorol. Soc. 94, 685 (2013).

13. M. O. Andreae et al., Aerosols, Clouds, Precipitation and Climate (ACPC): Science Plan amp; Implementation Strategy, Melbourne2009, see www.gewex.org/ssg-22/ACPC_SciencePlan_F-

INAL.pdf.

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