傑夫·託列夫森，來自《自然》雜誌
從太空看，地球可能看起來光鮮亮麗，也可能看起來邋遢不堪，這取決於具體地點。在某些地方，大片雲層籠罩著黑暗的海洋，形成了令人驚歎的色彩對比。在另一些地方，發電廠噴出灰色的煙霧，沙漠風暴則用沙塵覆蓋了廣闊的區域。
這些雲層和被稱為氣溶膠的細顆粒物，不僅僅是遮蔽了地球表面。透過反射、吸收和發射輻射，它們在設定地球溫度方面發揮著重要作用，並且在 атмосферных 模型中一直難以模擬。幾十年來，它們一直是未來氣候預測中最大的不確定性來源。
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但研究人員表示，他們在模擬雲層和氣溶膠方面正開始取得突破。最近幾個月，氣候科學家已開始推出最新一代模型的初步結果，這些模型以比以往版本更復雜的方式表示大氣化學和微物理學。這些模型允許雲層和氣溶膠在相互作用以及對溫度、相對溼度和氣流等因素做出反應時演變。早期結果表明，這些過程對區域氣候的影響比科學家意識到的要大得多。最近的研究揭示了雲層和氣溶膠可能在引發非洲大旱、改變北極氣候和削弱南亞季風方面所起的作用。
“這是一門全新的科學，”英國氣象局哈德利中心的氣候建模師本·布斯說。他正在研究氣溶膠如何影響北大西洋的表面溫度以及影響周圍大陸的天氣。“新一代模型正在改變我們作為科學家所面臨的問題型別。”
而且更多的科學成果即將到來。世界各地的領先氣候建模團隊正在競相完成其最新成果，提交給政府間氣候變化專門委員會（IPCC），該委員會預計將在2013年和2014年分章節釋出第五份報告。氣溶膠和雲層問題顯然將提供一些最大的驚喜。“這是真正的未知因素，”美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）地球物理流體動力學實驗室（GFDL）的氣候研究員羅恩·斯托弗說。
乾旱製造者
每天，橫掃北美洲的東風都會掀起一股大氣垃圾的混合物。發電廠排放出二氧化硫氣體，這些氣體演變成硫酸鹽顆粒，這些顆粒反射陽光並作為雲的種子。來自車輛、鋼鐵冶煉廠、農業火災和其他來源的微小碳顆粒上升。較亮的碳顆粒散射太陽光線，而較暗的碳顆粒吸收太陽光線，這些過程被稱為直接氣溶膠效應。當顆粒物隨著氣流向東移動時，它們相互碰撞，並與天然塵埃和海浪混合，形成大氣氣溶膠的載荷。隨著時間的推移，它們可以形成化學塗層或合併形成具有不同性質的新顆粒。
盛行風將這種氣溶膠混合物帶到一條圍繞大西洋盆地的長馬蹄形路線上。這些顆粒首先向東輸送穿過海洋，然後在法國海岸向下右轉，從歐洲收集更多汙染。富含氣溶膠的空氣向北非西海岸彎曲，然後向西轉向，並隨著熱帶氣流返回美洲。
科學家們提出，這種氣溶膠弧可以阻擋足夠的陽光，從而冷卻大西洋的海洋表面溫度並改變區域氣候。因此，布斯和哈德利中心的同事使用他們的最新模型測試了這個想法，該模型不僅模擬了直接氣溶膠效應，還模擬了氣溶膠對雲特性的許多間接影響。這些相互作用發生在過於精細的尺度上，無法在全球模型中模擬，因此它們由從更詳細的模型中匯出的統計方程表示。
哈德利中心團隊上個月報告說，在模型中，氣溶膠對北大西洋海面溫度產生了極大的影響。而正是間接的氣溶膠效應造成了大部分差異。硫酸鹽顆粒吸引水蒸氣，在雲層中產生大量微小液滴，使其變亮並減少到達海面的陽光量。
總的來說，從1860年到2005年，北大西洋海面溫度在整個模擬過程中都在攀升。但在20世紀中期，隨著快速工業化導致極端空氣汙染，氣溶膠的增加減緩了海洋變暖的速度。自20世紀70年代美國和歐洲開始限制硫排放以來，天空變得更加晴朗，海面溫度也隨之升高。
布斯說，最終，工業氣溶膠的排放量變化解釋了北大西洋海面溫度觀測到的長期波動的三分之二。“只有在當前一代模型中，我們才能看到這種物理關係，”布斯說。
哈德利中心的結果似乎推翻了氣候界的普遍看法，即海面溫度的升降是由被稱為大西洋多年代際濤動（AMO）的自然海洋週期造成的。早期的研究表明，與 AMO 相關的較冷的北大西洋溫度可能導致了20世紀後半葉非洲薩赫勒地區的乾旱；同樣的冷卻效應可能導致了向美國進發的風暴和颶風的威力減弱。但根據新的情況，人類汙染可能才是造成這些氣候中斷的原因。
現在的問題是這些結果是否會成立。位於科羅拉多州博爾德的國家大氣研究中心（NCAR）的研究人員表示，他們在新的模擬中看到了類似影響的跡象。但並非所有人都相信氣溶膠汙染會對海洋溫度，進而對氣候產生如此深遠的影響。NCAR氣候科學家凱文·特倫伯斯說，結果取決於對大西洋周圍氣溶膠汙染和雲分佈的不確定估計。與此同時，衛星觀測發現間接氣溶膠效應並不像模型所暗示的那樣強烈，他說。“如果海洋沒有透過自然週期發揮重要作用，我會感到驚訝。”
北極變暖因素
研究人員也在努力梳理自然週期和人為變化在北極融化中所起的作用。過去幾十年裡，那裡的海冰遭受了重創，去年9月的覆蓋面積達到接近創紀錄的低點，為433萬平方公里。由於冰損失的速度超過了所有最可怕的模型預測，研究人員一直在想他們的模擬中可能遺漏了什麼。
新模型的早期結果表明，在模擬中新增更復雜的雲層和氣溶膠可能有助於提供解釋。NCAR的新大氣模型產生的變暖和海冰損失比之前的迭代模型更多，而罪魁禍首似乎是雲層——這一結果讓研究人員感到驚訝。“我是一個研究雲的人，但我並沒有認為雲會發揮主導作用，”NCAR的大氣科學家詹妮弗·凱說。
為了弄清楚發生了什麼，研究小組在模型中構建了新的診斷工具，有效地告訴科學家們，如果他們透過一對美國衛星 CloudSat 和 Calipso 觀察地球，他們會看到什麼。凱解釋說，模型的輸出被轉換為一個訊號，可以直接與衛星上的雷達和雷射儀器進行比較。“你基本上在模型內部飛行一顆小衛星，”她說，“它表明新版本的雲層有了顯著改善。”它們往往更薄、更透明——更像北極天空中的真實雲層——儘管原因尚不清楚。
薄紗般的雲層在夏季讓更多的陽光透過，這融化了更多的冰，並暴露了更多的海洋和陸地表面；深色氣溶膠顆粒沉積在雪上會增強這些效應。這一切加起來，導致了向吸收更多陽光並加劇變暖的較暗表面轉變。凱說，雖然該模型平均而言仍然傾向於低估海冰損失，但一些模擬與衛星觀測結果相當吻合。
GFDL的研究人員也在他們的新的氣候模型中看到更大的海冰減少。GFDL的建模師邁克爾·溫頓說，這很可能是 IPCC 第五次評估報告中的一個主題，但他警告不要過早慶祝。在模擬中新增增強的雲層和氣溶膠正在推動額外的變暖，但具體細節仍不清楚。
最終，氣候界必須面對一個關於模型的基本問題。“如果你建立一個與觀測結果完美匹配的模型，你會說成功了嗎？”溫頓問道。儘管新的 GFDL 模型對大氣的表示有所增強，並且在匹配衛星觀測方面做得更好，但溫頓警告說，建模人員可能會因錯誤的原因而得到正確答案。例如，有一些證據表明，海洋環流的自然變異導致了過去二十年中的一些海冰損失。“必須在整體氣候的背景下理解北極，”他說。
馴服季風
在衛星影像中，東南亞經常被一個巨大的汙點所覆蓋——一個由印度農村和鄰國數百萬個原始烹飪爐灶和明火排放的黑碳造成的棕色雲層。在大氣中，這些深色顆粒吸收陽光並加熱周圍的空氣，同時冷卻下面的陸地，有效地穩定了大氣並減緩了從北印度洋向內陸抽取水分的區域環流。研究人員七年前提出，這種機制可以解釋為什麼南亞夏季季風在過去半個世紀裡變得越來越弱。
然而，美國地球物理流體動力學實驗室（GFDL）使用其中一種新模型進行的模擬表明，情況可能更為複雜，氣溶膠和雲層擾亂了更大的半球能量交換。
整個系統的驅動力是夏季的太陽，它向赤道以北輸送的熱量多於以南。這相當於一個巨大的熱機，在兩個半球之間重新分配能量：北半球的熱空氣上升，並將高空熱量帶到南半球，然後空氣下降，並在返回北半球的途中從印度洋吸收水分。正是最後一步帶來了夏季季風，為印度大部分地區提供了高達 80% 的降水。但是，去年 10 月在《科學》雜誌上發表的 GFDL 結果表明，氣溶膠正在造成重大幹擾。
GFDL 的氣候建模師、該研究的作者之一易明（音譯）說：“氣溶膠排放就像在北半球上方架起了一塊防曬霜，這會減少驅動系統的太陽不平衡。” “我們正試圖從更大的空間尺度來論證這一點。”
他們的模型還將罪責從烹飪爐灶和農業火災產生的黑碳排放轉移到整個地區燃煤發電廠產生的硫汙染。由這種汙染產生的硫酸鹽顆粒充當水滴的種子並使雲層變亮，從而冷卻下面的陸地。除了捕捉到自 1950 年以來印度夏季降雨量總體下降 4-5% 之外，該模型還重現了降水的區域差異——印度中北部地區更加乾燥，而印度南部和印度西北部及巴基斯坦地區的降雨量略有增加。易明表示，新研究中包含的間接氣溶膠效應顯示了“拼圖中不同的部分”。
加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實驗室的氣候建模師兼附屬科學家蘇拉比·梅農警告說，模擬依賴於相對不完整的排放量估算。梅農一直在使用紐約美國宇航局戈達德空間研究所的最新模型研究氣溶膠和季風，她說，建模者至少可以將他們的資料與汙染測量結果進行核對，而幾年前這些測量結果甚至還不可用。“我們正在取得進展，”她說。“慢慢地。”
全球難題
隨著氣候研究人員測試新一代模型，他們特別熱衷於測量模型的總體敏感性：即模型對溫室氣體濃度增加的升溫程度有多大。美國國家大氣研究中心（NCAR）的研究人員安德魯·蓋特爾曼表示，間接氣溶膠效應的加入使 NCAR 的新模型對溫室氣體更加敏感。模擬表明，氣溶膠汙染的額外冷卻以及霧霾的直接影響，掩蓋了二十世紀溫室氣體造成的部分升溫；但該模型顯示，隨著對汙染的控制暴露了溫室氣體的全部威力，二十一世紀的升溫將加劇。在簡化的溫室氣體濃度加倍的模擬執行中（這種情況可能在本世紀末發生），新的大氣模型預測全球氣溫將上升 4 °C，而之前的模型顯示上升 3.1 °C。
哈德利中心模型也在朝著相同的方向發展，但這並非規律。位於巴黎附近的皮埃爾西蒙拉普拉斯研究所的一個模型對溫室氣體的反應產生的升溫低於上一代模型，該研究所的氣候建模師桑德琳·博尼說。對雲層的改進處理可能有助於解釋這一變化，但研究人員尚未完全分析新的結果。
這只是建模資料洪流中的第一波。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第一工作組的科學家必須在 2012 年 7 月 31 日之前提交 IPCC 流程的論文，因此未來一年，有關氣候模擬結果的文獻將激增。
然後，真正艱苦的工作將開始——弄清楚該相信什麼。科學家必須梳理模型中微妙的因果關係，並在可能的情況下，根據其他模型和觀測結果來檢驗他們的結果。“我們現在需要的是真正理解模型在做什麼，以及它們為什麼會有所不同，”博尼說。“只有透過比較來自一系列模型的結果，我們才能評估哪些結果是可靠的。”