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云层:全球变暖模型中的关键变量

全球变暖将减少云层覆盖,导致更多阳光照射到地球,弗雷德·皮尔斯在耶鲁360度环境观察中写道。

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日本太平洋北部上空的层积云。图片来源:NASA

长期以来让气候科学家最担忧的事情还是发生了。世界顶尖气候建模团队所做的一系列新的研究使全球气候的未来看起来更不乐观。

研究人员在开展新的实地调查后改变了气候模型对云层的处理方式,并提出随着全球气候变暖,云层为地球降温的能力或将大幅降低——从而会加速全球变暖。

云层一直是气候计算中最大的不确定因素。它们既能为地球遮蔽阳光,也能影响散热,哪个占上风,则取决于云层的反射能力、高度、以及是白天还是黑夜。由于云层变幻莫测,且变化往往在非常小的尺度上发生,在预测未来气候的模型中很难加以体现,这让情况变得更加复杂。

人们近来主要担心低云层会影响云层分析模型的精确度。低云层就是国际航班在海洋上空飞行时可见的绵延百里的云层。海洋层云和层积云的主要任务是为地球降温。它们不仅遮蔽着约五分之一的海洋面积,还能将照射到它们上面的30%到60%的太阳辐射反射回太空。据估计,通过这种方式,云层能够将辐射到地球表面的能量减少4%到7%。

但随着全球变暖,云层变薄、乃至彻底消失的可能性似乎越来越大,天空也会变得更加晴朗,而毫无阻隔的阳光可能会让全球升温幅度再增加1摄氏度,甚至更高。正如美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室成员、上个月就新模型发表评论文章的主要作者马克·泽林卡(Mark Zelinka)所说:这些模型“正戏剧性地剥开地球的防晒保护”。

新的预测推翻了联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)成立32年以来在地球气候敏感性这个问题上达成的长期共识。委员会所作的五次科学评估都得出了同样的结论,如果二氧化碳(导致全球变暖最关键的温室气体)的大气浓度在工业化前的水平上增加一倍,那全球最终大约升温3摄氏度,误差为±1.5,即最低到1.5度,最高达到4.5度,也就是业内所说的平衡态气候敏感性。

2018年埃克塞特大学教授彼得·科克斯(Peter Cox)主持的一项研究再次支持了该共识。这项被广为引用的研究发现,气候敏感性超过4.5摄氏度的几率“不到1%”。

但上述共识如今已经被完全推翻。根据现在大多数领先的气候模型(包括美国国家大气研究中心(NCAR)和英国气象局哈德利中心(Hadley Centre)的模型)计算,二氧化碳浓度增加一倍时的气候敏感性比原先的预计高一摄氏度或更高,最高可达5.6摄氏度。几乎可以肯定的是,他们的发现会在明年4月签署的下一份IPCC气候变化评估报告中得到强有力的体现。

与此同时,这些新的发现应该会让准备在今年11月格拉斯哥气候大会上就温室气体减排达成新协议的气候谈判代表们感到不安。修正后的估值让控制全球变暖不超过2摄氏度变得更加无望,更不用说五年前《巴黎协定》中商定的1.5摄氏度的目标了。

关于云层在气候变化中发挥何种作用的辩论,不过是人们在全球变暖背景下对自然反馈的担忧的一部分。二氧化碳大气浓度从工业化前水平增加一倍所带来的“温室效应”是使全球气温升高约1摄氏度,这一点的物理原理无可争议。但这只是开始,事情会变的更加复杂——也更令人忧心——因为自然系统对最初变暖的反应方式放大了反馈,一切都难以准确估计。


美国国家航空航天局的Terra航天器拍摄到的印度洋南部的云层。图片来源:NASA

第一个反馈是覆盖地球大片区域的冰雪融化。光反射面被较暗的陆地和海洋取代,太阳能因此被吸收、散射,导致空气升温。人类目前还不了解海冰,尤其是北冰洋海冰的消失速度,但整体趋势着实令人震惊,过去40年间北极海冰面积每十年减少约10%。

第二个反馈是随着气温升高,陆地和海洋蒸发量增加,未来大气中的水蒸汽可能会增多。水蒸汽本身就是一种重要的温室气体。据气候模型估计,增加的水蒸汽将导致直接温室效应至少翻一番。

第三个反馈,也是不确定性最高的一个反馈就是云。空气中大量的水蒸汽形成水颗粒,进而凝聚成云。我们一般认为云层可以为地球降温,更多水蒸汽形成更多的云,听起来可能是件好事,但事情没那么简单。

白天,低云层会为地球遮挡阳光,晚上则充当保温层。与此同时,高空卷云主要吸收热量,这样,它们下方的空气就会变暖。一般来说,全球层面的模型表明云层的升温和降温效应会相互抵消,而且假定随着全球变暖,这种抵消会持续下去。但新的模型分析却显示情况并非如此。

云层将变薄,甚至根本无法成型,导致“更强的云层正反馈”以及额外的升温。

去年3月在巴塞罗那举行的一次会议上,气候建模师们开始意识到世界上大多数领先的气候模型得出的结论都与IPCC原先的共识有很大出入。相关数据正陆续公开。首先是7月,NCAR的安德鲁·盖特曼(Andrew Gettelman)报告称,中心修正后的模型得出的气候敏感性(预计二氧化碳水平增加一倍后的升温幅度)为5.3摄氏度,比该中心先前估计的4度高出了32%

其他研究也很快得出了类似的结论。上个月,以泽林卡为首的英美研究人员报告称,他们研究的27个模型中有10个模型现在估计二氧化碳含量升高一倍带来的升温效果可能超过4.5摄氏度,有的结果甚至高达5.6摄氏度。这些模型预测的平均升温为3.9摄氏度,比IPCC公认的升温效果高出30%。

法国国家科学研究中心的科学家得出结论称,根据新模型的预测,化石燃料带来的快速经济增长将导致本世纪末全球平均气温上升6至7度,并警告称控制升温不超过2摄氏度几乎不可能。

泽林卡称,新的气候敏感性估值较前有所提高主要是由于模型分析云层动态的方式发生了变化。模型发现,随着全球变暖,云层中的含水量将低于先前预期。云层将变薄,甚至根本无法成型,导致“更强的云层正反馈”以及额外的升温。

在对模型进行这一调整之前,研究人员曾对目前全球云层最厚的地区之一——南大洋进行过一次实地调查。他们穿越云层时发现其中含水量比先前设想的更高,含冰量则更低。它们“在光学上更厚,所以阳光反射能力更强,”美国宇航局的艾维·塔恩(Ivy Tan)说。

听起来这似乎是个好消息,但也意味着过去的模型高估了全球变暖的情况下云层中的冰转化成液态水的数量——因此也高估了未来云层的厚度及其为地球降温的能力。坦恩表示,消除这种误差后,气候敏感性可能增加1.3摄氏度

研究人员还改变了模型中对燃料燃烧造成的人为气溶胶(尤其是在云层中)的一些影响的描述。一般来说,气溶胶让云层变厚,更能为地球遮蔽阳光。最近,人们根据对20世纪中叶气溶胶排放量的新估测重新进行了计算。20世纪中叶,快速工业化带来的大量气溶胶排放导致地球在数十年的时期内为地球带来了冷却效应,掩盖了二氧化碳积累造成的变暖效应

 

来自卫星的真实数据显示,研究人员建模得出的预测可能已经成真。

研究人员分析新数据后发现,气溶胶的冷却效应和二氧化碳的变暖效应都比先前设想的更强,因此向上修正了气候对二氧化碳敏感性的估计。随着二氧化碳的不断积累和对烟雾更加严格的控制,颗粒物气溶胶的掩蔽效应势必将减弱。因此气候对二氧化碳的敏感性增加将占据主导地位,进而更加剧了全球变暖。

来自卫星的真实数据显示,研究人员建模得出的预测可能已经成真。美国宇航局兰利研究中心的诺曼·勒布(Norman Loeb)表示,2013年以来全球平均气温急剧上升,与此同时,海洋云层覆盖也在减少。他认为云层的减少可能与中国和北美加强污染控制有关。

其他研究人员报告称,温暖年份热带地区的低云层较少。曾就职于苏黎世联邦理工学院的气候科学家塔皮奥·施耐德(Tapio Schneider)在2016年的研究中指出,在计算中加入这层联系后,气候模型预测的全球变暖速度更快。

施耐德目前在加州理工学院工作。去年2月他提出全球云层覆盖可能有一个临界点,一旦突破,云层将“变得不稳定,进而破裂”,导致全球气温螺旋式上升。这一观点在学界掀起了一番风浪。施耐德表示自己使用的模型分辨率精细,比用于计算气候变化的模型更能代表云层的真正动态。

只有当二氧化碳水平达到1200ppm,也就是工业化前水平的四倍,当前水平的三倍时,才会达到这个临界点。但据施耐德预测,一旦突破临界点,因为云层丧失,全球气温将飙升8摄氏度。他认为,这样的临界点“可能是地质时期气候突然发生变化的重要原因”。

通过模型分析全球变暖背景下云层的变化而得出如此可怕的气候预测,这已经不是第一次了。15年前,我参加了一个气候建模师研讨会,英国气象局哈德利中心的詹姆斯·墨菲(James Murphy)在会上探讨了他如何调整他们中心的标准气候模型,从而更加充分地反映云层覆盖、持续时间和厚度的不确定性。得出的图表显示,升温最有可能仍保持在3摄氏度左右,但顶部带有一条“长尾”。若二氧化碳含量增长一倍,气温有可能(用他的话说就是满打满算)上升10摄氏度。

牛津大学的大卫·斯坦福斯(David Stainforth)对另一个模型做出了同样的调整,这次的“长尾”延伸到了12摄氏度。二者都在《自然》杂志上发表了自己的发现。但后来,这些发现并未得到其他建模师的重视,没有被纳入IPCC气候科学评估的摘要中。但最新的主流模型得出的预测表明,墨菲和斯坦福斯确实言之有物。

本文首发于《耶鲁360度环境观察》(Yale E360)

翻译:YAN

 

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