艾莉Highwood教授是气候物理气象学系的教授雷丁大学和总统的皇家气象学会。
气候模型专家,我发现云惊人地美丽和恶魔似地愤怒。
云的永无止境的和不断变化的自然美丽的诗歌,小时的cloud-spotting有趣气候模型和几十年的挑战。
云在当今气候系统覆盖大约三分之二的世界各地。热带降雨腰带和中纬度风暴轨迹尤其多云,而亚热带海洋和沙漠地区看到大陆相对晴朗的天空。
这些分布主要是大型环流模式和基本的湿空气热力学。然而,云对气候的影响非常敏感,它的属性。
低,明亮的云有主要冷却的影响,因为他们远离地球表面的阳光反射。高,薄云层冰晶组成的或多或少是透明的阳光,但是吸收即将离任的红外辐射,会被一小部分,从而加剧全球变暖。使事情更复杂的是,在大多数地方,有多个层云在任何时候。
总的来说,在今天的气候,云要远远超过他们的变暖的冷却效果的影响。
云是在空间和时间变化无常的出现,在时间尺度变化和消失的分钟。这意味着准确地代表他们在模型中是气候科学家面临的最大挑战之一,的关键更准确的预测。
具有挑战性的云
的原因之一云这样的挫折的来源是气候模型的过程影响云如何形成,生长和减少发生在一个巨大的范围的尺度——从sub-micrometer云过程数千公里的云系统的大小。
云粒子物理学模型试图理解和模拟水滴和冰晶的诞生和发展。为此,他们必须个人云滴的动力学和热力学模型。
实验室研究可以激活个人云凝结核——换句话说,尘点强迫为足够的水蒸气作为凝结的网站,这样他们足以成为成熟的云滴增长。规模略大,我们用模型整体域小,但非常大量的计算指出模型的交互与云滴的动荡。这些模型我们称之为“大涡模拟”,因为他们可以用云代表湍流漩涡的交互层,或“云解决模型”(有证),因为他们可以代表一个人的物理的积雨云。
我们可以做这些高分辨率的计算越来越大的空间由于高性能计算,但仍然只能运行几天在几平方公里的一个领域。
但是没有一个如此规模的过程——这是最终负责确定云水(或冰)内容,厚度,并且终生——目前可以明确表示需要模拟全球气候模型长时间。
云,果阿。图片由Kaushik应Unsplash。
模型的进步
尽管翻译的难度云在小尺度的复杂性简化,大规模的模型,科学家们一直在进步。
特别是,一些气候模型运行更高的分辨率,这样短时间积雨云系统可以在全球范围内。这些夫妇云系统有更好的能力来大气动力学,但仍必须近似个人云和湍流的影响。
结果表明,我们让这些近似一个真正的区别。
在另一种方法,一些模型也被开发出来,每一个细胞内嵌入一个完整的CRM的气候模型。这些“super-parameterisations”已被证明改善气候模型模拟的某些方面。例如,他们倾向于正确模拟峰值在热带地区土地对流,将降雨在下午晚些时候,而不是中午——这是一个常见的问题在气候模型更简单表示。
的第一个研究与这些模型也表明改进模拟降雨模式,覆盖地球表面的大片。其中一个是一个长期存在的问题辐合带(ITCZ),一个巨大的低压带环绕地球赤道附近。许多全球气候模型模拟”双ITCZ”,这为南半球热带地区带来了太多的降雨。另一个问题已经被准确地代表厄尔尼诺-南方涛动的频率和长度(ENSO)周期。
这些模型改进热带气候变化和天气也很重要的准确模拟亚洲季风发展。
同时我们仍然需要理解为什么这些super-parameterised模型做得更好,人们认为它可能是由于云层和对流的改善表示做更好地湿润热带大气和加热,这样深,高耸的风暴系统更容易形成。
不过,不幸的是,这些模型在代表低空云过程中仍有一些局限性,和研发正在进行。
观察
我们还需要高分辨率和高品质的挑战与观察来评估我们的云模型。
其中一些可以直接提供的飞机从内部测量云自己——在相对较小的尺度上或通过越来越多的卫星观测云属性,如高度、覆盖率和液滴大小。遥感数据,如激光雷达,越来越可以从卫星和探测器的不同层云。
长期监测是必不可少的,试图建立长期大规模的云系统的变化——我们必须缝合不同卫星仪器小心和敏感数据集在一起。
即使我们能代表云形成和演化过程完全在气候模型——的帮助下观察云仍然是一个挑战由于他们对周围的空气质量变化的敏感性,自己受大气和海洋的发行量和辐射供暖的变化。
事实上,作为政府间气候变化专门委员会第五次评估报告总结(pdf),最近的研究表明,许多云的变化,预计气候变暖是由于这些大规模的循环变化,不太敏感的小规模云过程的细节,我们近似。
这些变化包括海拔每升高云高、中级和高级云量减少,中纬度地区多云风暴向北转移,减少底层的云。
这些云的整体效果变化预计将进一步变暖的地球表面,最有可能导致积极的反馈回路,强化了加强温室效应引起的气候变暖。
然而,我们不能绝对肯定,因为不同的全球模型从不同的造型中心全球所有项目不相同的循环模式的变化,有不同的近似用于表示云过程本身。
有趣的和有挑战性的
气候科学家们已经走过了漫长的道路时,理解和造型的云,但是有进步。
总之,这些都是我们知道的东西:
- 云今天气候整体降温
- 我们现在能够代表云过程更好的至少在某些全球气候模型由于学习更详细的模型,这样做提高了结果
- 卫星观测云一直在帮助测试我们的模型
- 预测未来云的变化不同,由于云过程在全球的近似模型和模型之间的差异在未来大型环流模式。
还有我们还能做得更好的东西:
- 许多的云在低海拔的形式,发展和溶解不清楚和模型似乎并不代表他们很好。
- 更详细的云解决模型需要运行在更大的空间和时间域完全理解他们所带来的好处
- 冰云已经深入研究较少,考虑到目前为止
- 我们需要最大化的信息我们可以从当前和未来的卫星观测。
所以难怪云仍然是一个最有趣的和具有挑战性的气候系统的组成部分,这就是为什么我每次穿越有复杂的感情,云层之上。甚至当我欣赏自己的美丽,我有这个愤怒感觉,仍有很多方面,和意志,使我们感到惊讶。