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一般而言，地球表面的70%被云所覆盖，云是影响地球气候的重要因子

I hate clouds, not because they sometimes bring rain but because they are hard.”

我讨厌云，不是因为它们有时带来降雨，而是因为（研究云）太难了。

---Katherine Marve

(凯特·马福尔, 《科学美国人》)

1. 复杂的云

从太空回望我们的地球，蓝色和白色构成了地球的主要基调，蓝色的海洋覆盖地球约70%的表面，白色的云始终覆盖地球70%以上的地区，要想从太空给地球拍一张全球没有云的照片，基本上是不可能的。如果火星上有外星人，火星人给地球取得名字很可能会是“云球”或者“白球”。

 

与蓝色和深色的海洋相比，白色的云要明亮的多，这是因为云的反照率要高得多，高大的积雨云反照率高达0.9左右，意味着照射到积雨云上的绝大部分（90%）太阳辐射会被反射回太空，普通积云的反照率约为0.7，层云的反照率约为0.5，即使卷云的反照率也达到0.2左右，与之相比，水体的反照率只有0.02-0.2左右，意味着绝大部分的太阳辐射到达水面之后会被吸收。

 

然而云的分类要比以上笼统的分类更为复杂，一般按照云出现的高度，可以把云分为高云、中云和低云三类，而每一类云按照是否积云、层云、卷云分为更多云属（Genera），总共有10个云属。每一个云属按照云的形状、形态和结构分为更多的种类（species），进一步每一类又有一些变种（Varieties），每一种又可以有很多附属云（Supplementary features），就像生物界的“界门纲目科属种”一样，云这种飘来飘去没有生命的物质也有自己的系统认知体系，2017版本的国际云图（the International Cloud Atlas (ICA) 总共识别出多达200多种的云。

 

在讨论全球变暖问题时，一个无法回避的问题就是云，然而云的复杂多变性使得云的辐射效应存在很大的不确定性，对云定量的描述取决于多种影响因子，云的高低、云的组成成分（水云还是冰云）、云的透明度、云的形态等都会影响到对云的辐射效应的估计，从几乎不遮挡任何太阳的丝缕状高云，到“黑云压城城欲摧的漫天乌云，从头顶小片的云彩，到台风和温带气旋的蔓延数千公里的云带，甚至同一片云，在艳阳和月光下的，带来的辐射影响也是各不相同。

 

2. 云的气候效应

云的存在，使得部分太阳辐射被反射回太空，造成到达地表面的太阳辐射减小，减弱了到达地表面的太阳辐射，形成制冷效应。云同样具有温室效应，云会吸收来自地球的向外长波辐射，使得只有一小部分长波能量辐射到外层空间，这在冬日有云和无云的早晨会有明显的感受，当夜里繁星闪烁万里无云时，早晨一般清冷异常，而当夜里层云密布时，早晨的温度更为温和，即是因为云层的温室效应。

云的温室效应总体小于其制冷效应，与一个理想的完全没有云的地球相比，有云的地球因为反照率增加形成制冷效应约为46 W/m2，而因为云的温室效应，造成28 W/m2的大气逆辐射，形成暖化作用，两项抵消以后，有云的地球会造成年均约18W/m2的冷却效应，这个数值是全球二氧化碳加倍造成的升温幅度的5倍左右。换言之，如果全球云量增加二成，即可完全抵消掉二氧化碳100%增加造成的温室效应。因此云的净制冷作用非常明显，在评估数值模式的模拟性能时，必须对云的各种属性有准确的模拟，在预估未来气候变化时，必须对云的未来变化有准确的估计。

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大气层顶的云净辐射效应，全球平均值约为18W/m2，利用数值模式计算的有云的地球与无云地球的大气层顶的辐射差。图片来自于（Zelinka , et al., 2017)

描述云的特征参数非常多，长久以来有三个参数是广为关注的：云量、云高和云的不透明度，对于云量的描述一般考虑云在天空中的百分比，有多少比例的天空被云所覆盖。云高表示云顶的高度，而云的透明度则取决于云中的云水含量、水的相态（冰晶还是液态水滴）以及雨滴谱分布、粒子数多少等。云的辐射效应主要取决于云的高低。

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高云的温室效应与低云的冷却效应。

高层云的温室效应

高层云形成于海拔6000米以上，主要是水汽凝结成的冰晶云，与水云相比，透明度更高，因此太阳短波辐射大多可以不受影响的穿过，就像太阳光穿过玻璃窗一样，而地球向外的长波辐射却受阻挡不能通过，将来自地球表面和低层大气辐射的长波辐射困在大气层以内。因此由微小冰晶云组成的高层云具有温室效应，如果没有高云的保温作用，地球 会变得更加寒冷。

低云具有冷却效应

低云一般而言主要是由微小水滴组成的水云，其透明度远低于高云，因此当太阳辐射照射在其上表面时，并不能穿透云层，因此会在地面形成明显的云影。夏日这样一朵云低空飘过时，遮拦住太阳辐射，带来地面的清凉。在高原地区，这种云飘过带来的降温更为明显。低云将太阳辐射反射回太空，从而造成到达地球表面的太阳辐射减小，从而引起冷却效应。

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云的各种气候效应，1）高云增加带来增暖效应；2）低云增加引起降温效应；3）高云升高引起增暖效应；4）云中冰晶减少水滴增加引起冷却效应；5）云向两极移动引起增暖效应。

在全球变暖的背景下，云的变化主要有以下几种效应：

1）高云增加引起更强温室效应

当全球温度增加的时候，按照大气水汽含量和温度之间的克劳修斯-克拉波隆方程（CC关系），温度增加使得大气中的水汽含量将更高，在热带地区，大气高层的增温幅度比低层更大，因此这有可能使得高层大气的水汽含量增多比例更高，从而引起高云总量的增加，所以引起更强的温室效应，带来全球温度的进一步升高。

 

2）低云增加带来降温效应

在全球变暖的背景下，大气中的水汽含量增加，有可能使得低层云量增加，增加的低云带来降温效应，从而带来负反馈作用，使得在全球变暖的基础上，通过低云量变化形成负的辐射效应，这种效应被MIT的Lindzen教授称作Adaptive Infrared Iris效应，低云量就像人的眼睛一样，当阳光太强时候，人的瞳孔减小，当阳光太弱，人的瞳孔增大。当温度增加时候，云量增加，带来辐射负反馈作用，从而降低全球变暖的影响，这也成为Lindzen教授反对全球变暖的原因，其气象学研究的背景，也使得他成为反对气候变化和气候变化质疑论者们（大多并不是气象气候专业，也没有做过任何气候研究）的领军人物。

 

3）高层云顶升高引起更强温室效应

如果全球变暖中，高云还在原来的高度，就会随着大气同步增暖，向外辐射更多的热量，但是增暖的大气也可能会导致高层云升高，移动到更寒冷的高处之后，向外辐射的长波辐射量降低，起到的作用是让温室效应更强。

 

4） 高层云中水滴增加引起降温效应

如果高层云所在的高度区域温度更高，有可能会改变高空云中冰晶和水滴的比例，让高空云中含冰量降低，含水量增加，从而使得云层变得更为湿润和厚实，使得反照率更高，云更明亮，从而阻挡更多的太阳短波辐射进入地球，起到的作用是降温作用

 

5） 云带的移动

如果云从热带和亚热带向很冷和黑暗的极地移动，那么云的冷却效应就会大大减弱，同时其对地球的保温作用就会增强。这方面过去几十年的数据观测揭示了一个环流像两极扩展的事实，多个数据分析都发现热带扩展，尤其是著名的热带Hadley向两极的扩展。这使得云带、干旱带和多雨带都发生变化，不仅使得处于原来副热带外边缘的地区变得更加干旱，而且使得云的辐射效应也随之有所变化。

 

从以上云变化的不同的辐射效应来看，就知道云的模拟并不容易，即包含了微观尺度上云中每个冰晶每个水滴的湍流运动，以及他们在水汽-水滴-冰晶之间的转变和与之相关的潜能释放和吸收，也包含了中小尺度的大气稳定度、空气上升和下沉以及运动对云的卷夹作用，还包括大尺度和行星尺度上的全球大气环流的变化。如果进一步考虑云的区域性和季节性，则情况更为复杂。近期，中国科学院大气物理研究所李剑东博士及其团队利用多种资料，揭示亚洲季风区，往往是高低中多种云并存，大尺度和对流性云并存，不仅季节变化大，而且辐射效应也更为复杂，并且各种资料之间的差异也比较明显。

 

因此全球几十个复杂的气候模型（大气环流模式、耦合的气候模式，或者地球系统模式）给出的平衡气候敏感度（Equilibrium climate sensitivity，ECS，即当模式中大气的CO2浓度相对于工业化前加倍时，模拟的全球温度的增加值）有较大的离散，预期值从2.0℃到4.5℃各不相等。尽管各个模式均指向一个全球变暖的结果，但是较大的模式离散度给全球变暖研究以及相应的全球政策调整带来较大的不确定性。其中对于云的模拟的不确定性是气候模式中的核心。

3. 认识云观测云

尽管有地基的对于天空云量云状云的分类的感测，但是目前对于全球云的观测倚重于气象卫星，世界气候研究计划（WCRP）在1982年启动了一个长期的” 国际卫星云气候学计划”项目（ISCCP, International satellite cloud climatology project），整合了美国、日本、加拿大、法国等多颗极轨卫星和静止气象卫星，力图得到丰富的关于云的气候资料解，并在此基础上开展对云对全球辐射平衡影响的研究。经过多年的观测，目前积累起丰富的云资料集（及其反演资料），包括总云量、云顶高度、云光学厚度、云含水量、水云量、冰云量、高中低云的云量、云顶气压和云顶温度、云光学厚度、云水路径、臭氧总量、对流层顶高度和温度等130个参数资料。

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另一个关于云的项目是探路者大气扩展项目（PATMOS-x，The Pathfinder Atmospheres-Extended）主要是利用美国NOAA和欧洲气象卫星应用组织（EUMETSAT，成立于1986年的国际组织，致力于建立、维护和应用欧洲的业务气象卫星系统，有30个成员国和一个合作过的理事会管理，总部设在德国的达姆施塔特）的多颗卫星平台的全球云观测资料。

最开始的卫星的摄影器材，只能通过区分黑色背景中的白色物体来寻找云，这种早期的方法无法把云从地面的雪很好的区分开来，更不用说区分云是冰晶云还是水云了，尤其是如果有高中低好几层云，高云就完全遮挡了低云的信息。

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   由六颗卫星组成的“午后星座” A-Train

过去几十年的观测有了很大的进步，例如，美国航空航天局发射了“午后星座”（afternoon constellation），又称午后列车（A-Train），这是由六颗卫星组成的一组卫星，通过卫星姿态的调整，保持相同的轨道飞行，其中的两颗卫星（2006年发射升空），搭载有对全球层的观测设备，分别是云探测卫星（CloudSat）和云-气溶胶激光机红外探测卫星（CALIPSO, Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation），这些都是对云层特性进行全球主动遥感测量的观测仪器，其中CloudSat搭载有第一颗星载毫米波段（94Ghz，3mm）云雷达，可以轻易穿透轻薄的高层云，探测更为密实的低空云层，可以探测云层中尺度更小的液态水和固态冰，判断某片云是在降雪还是在降雨。CALIPSO卫星利用激光雷达对云层进行成像，可以提供高精度的悬浮粒子和云层的垂直剖面，识别云层中的冰晶和水滴，与A-Train中的其他卫星搭配使用，可以在几乎相同的时间对同一云层进行细致观察，研究全球云层的分布和演化，了解云的空间结构和细节。

4. 卫星资料揭示的云的变化

从2015年开始，来自加州大学圣地亚哥分校Scripps Institution of Oceanography的科学家乔尔·诺里斯（Joel Norris）和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory）科学家马科·泽林卡（Mark Zelinka）等先后在《Journal of Climate》、《Nature》、《Science》和《Nature Climate Change》等知名刊物上发表文章，总结过去几年在卫星观测和数值模式方面的进展，他们指出对于过去几十年，在全球变暖背景下的云的辐射效应目前逐渐形成较为清晰的认识。其中最主要的发现集中在两方面：

1）几种云资料都证实云带向两极移动

2）资料证实了高层云的高度有所升高。

在正常情况下，全球的云量最多区域集中在赤道热带地区和气旋活动的中纬度区域，这些区域也是全球降水最多的区域，而夹在热带和中纬度之间的副热带地区则云量少，天气晴朗少雨。当低层云向两极移动时，他们阻挡的不再是低纬度的强烈太阳辐射，而是较高纬度的温和的辐射，其冷却能力随即大大降低，形成的正的辐射反馈，增加气候敏感度。高云的云顶高度增加使得从云顶向外的红外辐射量减小，这样带来的也依然是增暖的效应。

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卫星资料揭示：云顶高度增高，中纬度云量增加，副热带云量减少，云带向极移动，图片来自于(Marvel, et al., 2015)

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卫星资料揭示的各种云变化情况，1）高云的云量并未有明显变化；2）低云量也没有显著变化；3）高云的高度增加，已经得到卫星资料证实，引起增暖效应；4）云中水滴含量增加，有所证实，但是并没有期望的那么明显；5）云带向两极移动，已经得到卫星资料证实，引起增暖效应。

5. 对云的认识的逐渐统一

云的模拟是认识气候及其变化的核心问题，因为云在各种物理过程中都会发生影响，云不仅与太阳辐射密切相关，也与大气中的气溶胶粒子的变化密不可分，同时也是降水和全球水循环的重要一环。

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一个简化版本的气候模式，云是气候模式中重要的环节

从政府间气候变化委员会（IPCC）第一次评估报告到第五次评估报告，对于云的不确定性都有讨论和说明：

第一次评估报告（FAR，1990）：大多数的模式偏差来自于云反馈的差异

“There is... a nearly threefold variation in the global sensitivity parameter... this implies that most of the disagreements can be attributed to differences in cloud feedback”

第二次评估报告（SAR，1995）：目前还不能判断各种云过程的总和是正还是负，但很有可能总数值不大

“At present, it is not possible to judge even the sign of the sum of all cloud process feedbacks... but it is assessed that they are unlikely either to be very negative or to lead to much more than a doubling of the response that would occur in their absence”

第三次评估报告（TAR，2001）：尽管气候模式都有了显著提高，但是模拟的云的反馈不确定性范围并未缩小，也不确定反馈的总数值的符号正负

“In spite of model improvements “There has been no apparent narrowing of the uncertainty range associated with cloud feedbacks in current climate change simulations”

“...the sign of [the cloud] feedback remains unknown”

第四次评估报告（AR4，2007）：还不确定到底哪个模式模拟的云反馈更为可信

“...it is not yet possible to assess which of the model estimates of cloud feedback is the most reliable”

第五次评估报告（AR5，2013）：所有云的净辐射反馈效应很有可能是正值，目前没有发现强的负反馈机制

 “The sign of the net radiative feedback due to all cloud types is...likely positive”

“No robust mechanisms contribute negative feedback"

可以看得出来，从AR5开始，气候模式开始有了较为一致的看法，认为云的净辐射反馈效应很有可能是正值，这主要是因为气候模式对于物理过程的认识更为清楚，尤其是高云的高度变化，理论、观测和数值模式都证实全球变暖会使得高云高度增加，从而增强温室效应，形成正的辐射反馈。而对于低云的认识还存在不确定性，尤其是数值模式中对于云微物理过程认识的不确定会让关于低云变化以及云透明度变化的反馈存在不确定数值。

 

最近基于卫星资料的关于云带向两极移动和云高的研究，无疑会使得对于云的净辐射反馈效应的认识更为一致，未来数值模式在考虑云的气候效应时，模式间的不确定性将逐步缩小。

当全球变暖发生时，云不再作为阻尼全球温度增幅的因子，而成为加速全球变暖的帮手，这绝对不是一个好消息。

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云的变化将加速全球变暖！

参考文献

Marvel K, Zelinka M, Klein S A, et al. 2015. External Influences on Modeled and Observed Cloud Trends [J]. J. Climate, 28, 4820-4840, doi: 10.1175/jcli-d-14-00734.1.

Norris J R, Allen R J, Evan A T, et al. 2016. Evidence for climate change in the satellite cloud record [J]. Nature, 536, 72-75, doi: 10.1038/nature18273.

Zelinka M D, Randall D A, Webb M J, et al. 2017. Clearing clouds of uncertainty [J]. Nature Climate Change, 7, 674-678, doi: 10.1038/nclimate3402.

Li, J. D., W.-C. Wang, X. Q. Dong, and J. Y. Mao, 2017: Cloud-radiation-precipitation associations over the Asian monsoon region: an observational analysis. Climate Dynamics, 49(9), 3237–3255. 

Li, J. D., J. Y. Mao, and F. Wang, 2017: Comparative study of five current reanalyses in characterizing total cloud fraction and top-of-the-atmosphere cloud radiative effects over the Asian monsoon region. International Journal of Climatology, 37: 5047–5067. 

Li, J. D., and J. Y. Mao, 2015: The preliminary evaluation of global and East Asian cloud radiative effects in reanalyses. Atmospheric and Oceanic Science Letters, 8 (2): 100–106. 

Li, J. D., Y. M. Liu, and G. X. Wu, 2009: Cloud Radiative Forcing in Asian Monsoon Region Simulated by IPCC AR4 AMIP Models. Advance in Atmospheric Sciences, 26(5): 923–939.