改變雲層覆蓋會加速全球變暖嗎？

我討厭雲。倒不是因為它們有時會帶來雨水，而是因為它們難以捉摸。雲有各種形狀和大小：飄渺的高層捲雲、蓬鬆的積雲，以及覆蓋陰沉天空的低層灰色層積雲。這種巨大的多樣性使得預測全球雲層將如何隨著地球大氣層的變化而變化變得困難。

像我這樣的氣候科學家從大量資料中得知，本世紀及以後地球將變暖。但我們正在努力確定它會變熱多少：也許再升高 1 攝氏度？或者 2 度、3 度或 4 度？答案很大程度上取決於雲。氣候變化正在影響大氣中雲的分佈，這實際上可能有助於減緩全球變暖，或者加速全球變暖。瞭解這一結果將對指導世界今天和明天應採取的行動非常有幫助。

大型專家團隊開發了 20 多個複雜的氣候模型，並根據廣泛的氣候資料進行了測試。所有模型都顯示，地球會因持續的溫室氣體排放而變暖，但多年來，它們在雲的問題上始終存在分歧。這種情況正在開始改變。雲效應的模擬結果開始趨於一致。衛星資料和其他觀測結果正在揭示不斷變化的雲層覆蓋如何改變地球。新的見解給我們帶來了希望還是加劇了我們的擔憂？

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大的反饋還是小的反饋

想象一下工業革命之前的地球。六大洲的人類為了牧場和城鎮砍伐了森林。然而，大氣中二氧化碳的濃度在數千年來一直穩定在百萬分之 280 (ppm) 左右。然後內燃機出現了。快進到 1900 年代後期，二氧化碳濃度飆升。這種衝擊波及整個行星系統。容納我們呼吸的空氣的對流層正在變暖。到 2017 年，二氧化碳濃度已超過 400 ppm。各大洲正在升溫。淺海也是如此。大氣中空氣和水蒸氣的迴圈開始發生變化。隨著當前趨勢的持續，到本世紀中葉，大氣二氧化碳水平將達到工業化前數值的兩倍。更多的升溫將會發生。最終，經過數百年後，地球將在更高的溫度下達到新的平衡。

行星對二氧化碳加倍的反應稱為平衡氣候敏感度，或 ECS。每個氣候模型都告訴我們，ECS 大於零：我們應該預期會發生一些變暖。但他們預測的變暖程度從大約 2 到 4.5 攝氏度不等——從顯著到災難性。

這些模型沒有對齊，很大程度上是因為它們在未來雲將如何變化方面存在分歧。更好地掌握雲的情況將使我們能夠縮小範圍，並做出更準確的預測。但是，準確把握雲的影響力之所以困難，有兩個原因。首先，變暖對不同型別的雲的影響不同。其次，雲的變化以不同的方式影響變暖。

這種雙向相互作用稱為反饋。某些氣候反饋已被充分理解。例如，海冰是亮白色的，因此可以將大部分太陽光反射回太空，但當它融化時，會露出顏色較深的海水，這些海水不會反射那麼多陽光。這會使空氣進一步變暖，從而融化更多具有反射性的冰，並露出更多顏色較深的海水，從而反射更少的陽光——反饋迴圈由此建立，加速全球變暖。我們很好地理解這種建立的或“正”反饋，並且大多數模型在它如何影響氣候變化方面都相當一致。

理解雲反饋更加複雜。就像自然歷史博物館的檔案管理員一樣，氣候科學家建立了一個粗略的雲分類法，根據它們的區別特徵對它們進行分組。兩個基本屬性是它們在地球表面以上的高度和它們的不透明度。低雲可以是相對透明的，就像晴天散落的絨毛，也可以是不透明的，就像均勻覆蓋的沿海霧層。高雲的範圍也很廣，從幾乎所有陽光都能穿透的薄紗到雷暴期間遮蔽天空的聳立的砧狀雲。

這種分類法很有用，因為它突出了雲使地球變暖或變冷的​​主要方式。一些雲增強了溫室效應。它們捕獲從地球上升的熱量，並將其中一部分重新輻射到外太空；沒有它們，地球會更冷。大氣層寒冷高處的雲在這方面特別有效。

其他雲則具有相反的效果：它們首先阻止陽光到達地球表面，從而保持地球涼爽。這種效應在低而厚的雲層中尤為明顯。在我們當前的氣候中，這種影響大於雲的溫室效應。事實上，當今雲的淨冷卻效應非常巨大，大約是二氧化碳加倍變暖效應的五倍。

這意味著即使雲層覆蓋發生微小變化也會產生巨大影響。增加更多高而透明的雲，讓陽光透過但保持熱量，地球就會變暖。增加更多低而厚的不透明雲，將陽光擋在外面，地球就會降溫。雲遷移也很重要；將反射性雲層從陽光充足的熱帶和亞熱帶緯度重新分配到寒冷、黑暗的極地會減弱它們的冷卻效果。高度也很重要；將高雲提升到更高、更冷的大氣層高處會增強它們的溫室效應。一個更溫暖的世界也可能改變寒冷雲層中冰晶與水滴的比例，使它們更溼潤、更厚，因此更有效地阻擋入射陽光。

這些效應都不是孤立發生的，這就是模型難以應對的原因。一些模型顯示出強烈的正反饋——它們顯著放大了變暖。一些模型顯示出微弱的負反饋——它們稍微減緩了變暖。預測最強正反饋的模型最終預測 ECS 在 2 到 4.5 攝氏度範圍的高階。

模型不能很好地模擬雲層也並不奇怪，因為雲層同時具有大和小兩種尺度。它們是由微小的水滴和冰晶形成的，但它們通常在任何給定時間覆蓋地球超過 70% 的面積。在編寫計算機模型時，我們必須做出選擇：放大並顯式模擬使每朵雲在小區域形成和消散的湍流運動，或者模擬行星周圍分配水蒸氣的大規模上升和下沉空氣運動。我們無法兩者兼顧，因為仔細跟蹤整個大氣層中每個水滴在每時每刻的行為需要太多的計算能力。

因此，我們嘗試將小尺度和大尺度結合起來，並且知道會涉及到妥協。全球氣候模型試圖找到描述總體行為的簡化引數。我們根據大氣物理學開發這些引數，並透過與在全球小區域執行的更精細尺度模型的比較來測試和改進它們。

儘管如此，仍然沒有完美的方法來混合大尺度和小尺度。但是我們能改進嗎？

變化的力量

讓我們應對第一個挑戰：高雲。測量結果給了我們充分的理由相信，氣候變化將從字面上重塑大氣層，將對流層（天氣發生所在的較低大氣層）和正上方的平流層之間的邊界推得更高。我們懷疑高雲會隨著邊界的升高而升高。

勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室 (Lawrence Livermore National Laboratory) 的科學家馬克·澤林卡 (Mark Zelinka) 對這種上升的影響進行了深入思考。澤林卡說，隨著地球因二氧化碳而變暖，它試圖透過以紅外輻射的形式向太空釋放能量來冷卻自身。如果高雲保持在其典型高度，它們將與大氣層同步變暖，並因此增加它們向太空釋放的熱量。然而，澤林卡和其他人認為，高雲會升高，以便它們能夠保持在它們現在似乎偏好的幾乎相同的溫度。因此，它們不會向太空輻射那麼多增加的熱能，而這些能量反而會進一步使大氣層變暖。這是一個正反饋：透過越來越高地升高，高雲進一步降低了變暖的地球冷卻自身的能力。

接下來，低雲呢？氣候模型似乎一致認為，一個更溫暖的世界意味著更少的低雲。然而，英國國家氣象局 (Met Office) 的氣候科學家馬克·韋伯 (Mark Webb) 和雲反饋模型比對專案 (Cloud Feedback Model Intercomparison Project) 知道，情況比這更復雜。（這麼多雲專家都叫馬克，這要麼是一個有趣的巧合，要麼反映了我們領域缺乏多樣性。）韋伯說，他和同事們正在辯論為什麼更溫暖的地球可能擁有更少的低雲。這種機制似乎取決於低雲中潮溼的空氣被上方乾燥空氣的對流或湍流稀釋的方式。韋伯說，傳統模型沒有足夠的計算能力來直接表示這些區域性過程，最終會以不同的方式近似它們。各種模型顯示低雲覆蓋率的變化或大或小，但至關重要的是，它們中的大多數都預測會減少。低雲減少意味著反射到太空的陽光減少——這是另一個放大變暖的正反饋。

還有另一個需要考慮的影響。大氣層的整體環流很大程度上是由赤道和兩極之間陽光和溫度的差異驅動的。溫暖的熱帶空氣上升，並在上升過程中冷卻。一旦它到達高空，它就開始橫向向較冷的極地移動。在此過程中，它會充分冷卻以降回地表，大約在緯度 30 度處，並在下降時變暖和乾燥。在地面上，我們在熱帶氣團下獲得多雨的氣候，這些氣團上升並在冷卻時釋放水分，而在氣團下降的帶狀區域下，我們獲得沙漠般的氣候。

氣候變化將改變這種模式。北部高緯度地區將比熱帶地區升溫更快，這種現象被稱為北極放大效應，它減少了極地和赤道之間的溫差。這種已經開始的減少改變了一切。也許最重要的是，熱帶地區擴張，將雨帶和乾旱帶推向兩極。對陸地的一個影響是，邊緣地帶——地中海、薩赫勒地區、美國西南部——可能會變得更加乾燥。事實上，我最近與勞倫斯·利弗莫爾的席琳·邦菲爾斯 (Céline Bonfils) 分析的衛星觀測結果表明，降水模式正如預測的那樣正在發生變化。如果雲層跟隨遷移，那麼反射雲層可能會從較低緯度推向較高緯度，那裡的入射陽光較弱，從而降低了它們相對於長期以來在熱帶地區上空的冷卻效果。

另一個必須納入改進氣候模型的複雜因素是：一個更溫暖的世界可以改變雲的組成。雲包含微小的水滴和冰晶。厚厚的低雲往往含水量更高，並且比薄薄的高雲更不透明，而薄薄的高雲往往含冰量更高。在更溫暖的世界中，高雲中更多的冰會變成液體，使它們更不透明，從而阻擋更多的入射陽光。澤林卡說，融化的冰雲將變得“更溼潤”，從而提供負反饋——對變暖的重要冷卻抑制。

更準確的預測

雲的不斷變化使得模型似乎更難以縮小全球氣溫預期上升的範圍——將 2 到 4.5 攝氏度的範圍縮小。但是，一個強大的資料集比任何其他資料集都重要：已經發生事件的歷史。

自從 1980 年代我們開始將氣象衛星送入軌道以來，我們就一直在測量雲。我們可以將我們的模型與實際觀測結果進行比較，以使我們的模型更好。然而，一些較舊的衛星測量可能存在問題。地球觀測衛星中的相機式儀器可以透過向下觀察深色背景上的白色物體來找到雲，但它們很難區分不同的白色物體，尤其是雪地上方的冰雲。此外，高雲可能會掩蓋低雲覆蓋的變化。

然而，在過去十年中，我們的觀測結果已大大改善，這在很大程度上歸功於 A-列車 (A-train)。美國國家航空航天局 (NASA) 的午後星座 (Afternoon Constellation)，或稱 A-列車，是由六顆地球觀測衛星組成的集合，它們編隊飛行，燃燒燃料以保持穩定的軌道。其中兩顆衛星，CloudSat 和 CALIPSO，提供了寶貴的資訊。CloudSat 使用無線電波，無線電波可以輕鬆穿透高而薄的雲層來測量低而厚的雲層。它還可以判斷雲層是在下雨還是下雪。CALIPSO 使用基於雷射的雷達（稱為雷射雷達）對雲層進行成像。它可以判斷雲是由冰晶還是液滴組成的。

這些衛星共同增強了我們對雲層覆蓋的理解，併為我們提供了有關未來雲層可能如何變化的線索。例如，觀測結果似乎支援這樣一種觀點，即隨著地球變暖，高雲會升得更高，從而降低地球冷卻自身的能力。最近的一項研究表明，只有一些高雲比預期的含有更多的水和更少的冰。這意味著與雲層變得更溼潤相關的負反饋可能沒有我們之前認為的那麼強。

CloudSat 和 CALIPSO 於 2006 年發射，因此它們的資料記錄太短，我們無法在自然氣候變率的背景下檢測到氣候變化的影響。為了增加視角，科學家們正在拼湊來自旨在監測短期天氣趨勢的系統的較舊觀測結果。值得注意的兩項工作是國際衛星雲氣候學專案 (International Satellite Cloud Climatology Project) 和路徑探測器大氣層擴充套件專案 (Pathfinder Atmospheres–Extended project)。美國國家航空航天局 (NASA) 噴氣推進實驗室 (Jet Propulsion Laboratory) 的馬克·理查森 (Mark Richardson) 說，不幸的是，這些專案調查的各種氣象衛星的設計各不相同，並且在一天中的不同時間採集資料。儘管如此，如果你知道在哪裡尋找，這些記錄中還是有線索的。在 2015 年的一項研究中，澤林卡和我嘗試了一下。

我們首先提出了一個簡單的問題：在觀測結果中，地球上雲量最多和最少的緯度在哪裡？正如預期的那樣，我們發現熱帶地區雲量最多。在中緯度狹窄的帶狀區域，風暴由盛行風驅動，雲層覆蓋率也相對較高。在亞熱帶“沙漠”緯度地區，高氣壓導致乾燥、晴朗的條件，阻礙了雲的形成——雲量最少的帶狀區域。

然後，我們查看了從 1984 年到 2009 年的長期氣象衛星記錄過程中，雲量最多和最少的緯度的位置是否發生了變化。我們發現的結果令人矚目：雲量最多的中緯度和雲量最少的亞熱帶緯度正在被推向兩極，正如模型告訴我們的那樣。此外，每個獨立資料集都同意，不斷變化的大氣環流模式正在將雲模式拖向兩極。透過將其與在不包括人為排放模式下執行的氣候模型進行比較，我們確定這些變化太大，不能歸因於自然變率。而且這些變化大於科學家預測的變化。

其影響令人擔憂。如果低而反射性的雲層被推得離兩極太遠，那麼它們的冷卻能力將大大降低：它們將阻擋微弱的溫帶陽光，而不是強烈的熱帶陽光。這種遷移將構成強烈的正反饋，並表明氣候敏感性更高。

加利福尼亞大學聖地亞哥分校 (University of California, San Diego) 的喬爾·諾里斯 (Joel Norris) 領導的後續研究考慮了衛星記錄中已知的差異，也發現了雲模式的極地偏移。這些資料還表明，高雲可能正在升高。科學家們正在辯論這些變化的意義，以及它們是否可以歸因於溫室氣體排放、1991 年皮納圖博火山 (Mount Pinatubo) 爆發噴射到大氣中的顆粒物的減少、自然氣候變率或這些因素的某種組合。但有一點是明確的：長期觀測結果並未顯示出任何跡象表明雲層會減緩變暖。

雲層不會拯救我們

從觀測結果中浮現出來的圖景正變得越來越清晰。高雲正在升高，雲模式總體上正在向兩極轉移。這兩種趨勢都將加速地球變暖。短期觀測表明，熱帶雲的減少將阻擋較少的陽光，從而增強變暖，並且融化的雲可能不像我們之前認為的那樣是對變暖的有力抑制。這裡沒有什麼可以讓我們感到安慰的。

那麼，我們現在是否認為雲層將引導變暖更接近 ECS 範圍的上限？平衡氣候敏感度是一個理論量。它描述了對大氣中二氧化碳迅速增加一倍的最終氣候響應——這是一個人為的場景，它為我們提供了一種非常真實的方式來探索。然而，二氧化碳的增加並非理論上的；如果世界各國繼續按照目前的道路前進，到本世紀中葉就會增加一倍。更多的衛星觀測、更高解析度的模型以及富有創造力的後起之秀科學家將幫助我們確定地球將變熱多少的答案。

與此同時，還需要對另一個更相關的量進行研究，這個量也頑固地拒絕改變：50% 的美國人口不接受人類正在改變氣候這一事實。最終，如果二氧化碳排放量繼續不受抑制，地球將變暖很多。雲層似乎會使情況變得更糟，並且至少不會減輕問題。這項任務落在我們身上。