清華新聞網(wǎng)8月11日電 氣溶膠-云相互作用對(duì)地氣系統(tǒng)的冷卻輻射強(qiáng)迫被認(rèn)為有可能抵消溫室效應(yīng)。大氣中人為氣溶膠的增加影響水云中云滴的粒徑分布（云滴譜型），進(jìn)而引發(fā)云輻射強(qiáng)度的變化，這一過(guò)程被稱(chēng)為離散效應(yīng)，是氣溶膠-云相互作用的重要組成部分。然而，由于缺乏衛(wèi)星數(shù)據(jù)的相關(guān)全球定量方法，當(dāng)前基于觀(guān)測(cè)估算氣溶膠氣候效應(yīng)的研究通常忽略離散效應(yīng)，造成了不可忽視的系統(tǒng)性偏差。另外，當(dāng)前氣候模式中的云滴譜型參數(shù)化方案幾乎都基于區(qū)域性的飛機(jī)觀(guān)測(cè)而構(gòu)建，缺乏基于全球尺度觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的定量對(duì)比和有效驗(yàn)證，限制了參數(shù)化方案的發(fā)展與改進(jìn)。
針對(duì)上述問(wèn)題，清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系彭怡然副教授課題組聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院胡斯勒?qǐng)D研究員團(tuán)隊(duì)，提出了基于云微物理過(guò)程機(jī)理和相關(guān)方程理論推導(dǎo)的新方法，結(jié)合多角度偏振衛(wèi)星POLDER的觀(guān)測(cè)，首次實(shí)現(xiàn)了液態(tài)層狀云中離散效應(yīng)影響氣溶膠-云相互作用的全球定量評(píng)估。結(jié)果顯示，離散效應(yīng)分別抵消了由云滴數(shù)濃度變化和液水路徑調(diào)整引起氣溶膠-云相互作用的7%和-1.4%，部分削弱了氣溶膠對(duì)全球變暖的冷卻作用。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)還構(gòu)建了基于全球云滴譜型參數(shù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)集的新參數(shù)化方案，有望改善氣候模式對(duì)全球液態(tài)層狀云云滴譜型及離散效應(yīng)的模擬能力。該研究提出的定量方法和參數(shù)化方案不僅深化了對(duì)離散效應(yīng)的科學(xué)認(rèn)知，也為氣候模式提供了具有全球代表性的云滴譜型計(jì)算方法和評(píng)估數(shù)據(jù)，對(duì)于提升氣溶膠-云相互作用的估算準(zhǔn)確度、降低氣溶膠氣候效應(yīng)的模擬不確定性有重要意義。
研究首先將新提出的定量方法與POLDER衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，計(jì)算了云滴譜型參數(shù)的全球分布，并給出離散效應(yīng)對(duì)不同氣溶膠-云相互作用的抵消率（圖1）。結(jié)果顯示，譜型參數(shù)和離散效應(yīng)的影響具有顯著的空間差異性：在人類(lèi)活動(dòng)影響較強(qiáng)的區(qū)域，譜型參數(shù)更大（即云滴譜更寬），反映出氣溶膠增加導(dǎo)致的云滴譜增寬效應(yīng)，部分削弱了氣溶膠-云相互作用的冷卻效應(yīng)。
圖1.云滴譜型參數(shù)及離散效應(yīng)影響的空間分布
基于衛(wèi)星觀(guān)測(cè)構(gòu)建的全球云滴譜型參數(shù)數(shù)據(jù)集，研究提出了新的參數(shù)化方案。與傳統(tǒng)方案相比，該方案不依賴(lài)特定區(qū)域的觀(guān)測(cè)，更具全球代表性，也更符合氣候模式的應(yīng)用需求。另外，考慮到不同下墊面情況下氣溶膠影響機(jī)理的差異，研究針對(duì)陸地和海洋分別給出相應(yīng)參數(shù)化方案，便于模式根據(jù)模擬需求靈活應(yīng)用（圖2）。
圖2.基于全球、陸地和海洋數(shù)據(jù)得到的譜型參數(shù)化方案
為確保結(jié)果可靠性，研究還針對(duì)離散效應(yīng)計(jì)算中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了多方面的不確定性分析，綜合考慮了衛(wèi)星觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)集誤差、云的非均一性影響、衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演方法中波段和網(wǎng)格尺度的影響，以及擬合方法等對(duì)定量結(jié)果的影響，并給出了最優(yōu)估計(jì)及90%不確定性范圍（圖3）。
圖3.用于計(jì)算離散效應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)在全球、陸地和海洋的概率密度分布
相關(guān)研究成果以“利用POLDER衛(wèi)星數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)離散效應(yīng)的全球定量評(píng)估”（Global quantification of the dispersion effect with POLDER satellite data）為題，于8月2日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系2019級(jí)博士生王恒琪（現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院助理研究員）為論文第一作者，副教授彭怡然為論文通訊作者。論文合作者包括德國(guó)萊比錫大學(xué)教授約翰內(nèi)斯·夸斯（Johannes Quaas），中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院研究員胡斯勒?qǐng)D、副研究員尚華哲，德國(guó)不萊梅大學(xué)助理教授安東尼奧·迪諾亞（AntonioDi Noia），荷蘭空間研究所研究員巴斯蒂安·范·迪登霍芬（Bastiaanvan Diedenhoven）、奧托·P·哈澤坎普（Otto P. Hasekamp），美國(guó)布魯克黑文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究員劉延剛。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、河北省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目“地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置”和國(guó)家留學(xué)基金等的支持。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-62238-3
供稿：地學(xué)系
編輯：李華山
審核：郭玲
