從太空看去，雲朵似乎在上演一場錯綜複雜、永無止境的芭蕾舞。 細細的條紋在兩極舞動，巨大的風暴席捲急流，旋轉的氣旋在熱帶地區翻滾，深對流怪物在赤道附近翻騰。 雲朵翻騰、捲曲、滾滾，似乎憑空出現，又神祕地消散。
當科學家試圖了解雲如何影響氣候時，這個謎團就加深了。 雲層具有雙重生命，既捕獲又轉移導致地球變暖的能量。 它們的分子，就像大氣中的所有水一樣，透過吸收地球發出的紅外線輻射並將部分能量重新引導回地球表面，從而導致溫室效應。 但雲層的白色頂部也反射了幾乎四分之一到達它們的太陽輻射，實際上遮蔽了地球。
總而言之，雲層透過反射而降溫的程度遠遠超過它們透過溫室效應而升溫的程度。 如果沒有它們，地球表面的平均溫度將升高約攝氏 5 度。 「雲確實是氣候系統的核心，」巴黎皮埃爾和瑪麗居里大學的氣候科學家桑德琳·博尼說。
雲既暖又冷的說法是成立的。 但隨著氣候變暖，這兩種影響之間的全球平衡將如何變化卻沒有。 即使雲層行為看似微小的變化也可能大大抑製或加速全球暖化。
早期預測表明，雲可能會起到抵消氣溫上升的作用：隨著海洋吸收更多的熱量，它們會在空氣中添加更多的水蒸氣。 人們認為，這將產生更多反射陽光的雲，有助於冷卻地球。 用氣候術語來說，這稱為負回饋。 然而，過去二十年的研究表明，雲的回饋更加複雜，並且可能不會導致降溫，而是加劇暖化。
但沒有人知道預計還會有多少額外的暖化（如果有的話）。 代表世界氣候科學家集體知識的聯合國政府間氣候變遷專門委員會認為，雲反饋是氣候變遷預測不確定性的首要來源。 這種不確定性反映在該小組每五到七年發布的報告中。 該小組在 2007 年的報告中估計，如果大氣中二氧化碳的濃度比工業化前水平增加一倍（這可能是本世紀末的結果），全球平均氣溫將上升 2 至 4.5 攝氏度。 該小組於 1 月 30 日正式發布的最新報告估計，隨著二氧化碳濃度增加一倍，氣溫將上升 1.5 至 4.5 度。 換句話說，七年後，不確定性實際上已經增加了。
儘管如此，研究人員堅持認為，他們對雲的了解比2007 年好得多。 “我們已經從未知的未知轉向了已知的未知。”新澤西州普林斯頓實驗室“我認為事實上已經取得了非常重大的進展，儘管底線仍然沒有改變是正確的。”
像唐納這樣的科學家越來越相信雲反饋不會減少溫室氣體暖化。 但他們表示，要真正解決這個問題，他們需要持續數十年的更複雜的雲觀測。 研究人員能否獲得這一重要的數據記錄還遠未確定。
獲取雲的數量
直到最近，研究人員還無法在全球範圍內監測雲。 地面觀測站只能看到雲層底部。 雖然科學家可以透過單獨的雲層發送氣球和飛機來收集更完整的剖面圖，但這些方法只能提供局部快照。 1999 年，情況有所改善，NASA 發射了兩台 MODIS 儀器中的第一台，這些儀器可以環繞地球運行並俯瞰雲頂。 但這些數據也很有限：雲和海冰幾乎無法從上面區分，而且幾公里厚的雲可以隱藏其內部的巨大變化。
2006 年，NASA 發射了 CloudSat 和 CALIPSO 衛星。 這些姊妹軌道飛行器以緊密編隊飛行，並發出光束——CloudSat 的雷達和 CALIPSO 的雷射雷達（雷達的雷射版本）——深入雲層並在返回衛星之前被水滴和空氣中的氣溶膠顆粒反彈。 這些衛星大約每隔一個半小時繞地球一周，不斷發送大量數據，科學家幾乎可以即時存取這些數據。
蘇黎世瑞士聯邦理工學院的雲物理學家 Ulrike Lohmann 表示，CloudSat 和 CALIPSO 是「觀測技術的革命」。 先前，科學家甚至並不總是知道一些基本的事情，例如雲的高度、體積以及它們產生降雨的頻率。 洛曼說，研究人員驚訝地發現雲層中有多少水被凍結。 “大氣中的冰量似乎幾乎在所有地方都超過了液體量。”
加州帕薩迪納美國太空總署噴射推進實驗室的研究員、CloudSat 任務的首席科學家 Graeme Stephens 表示，冰凍雲似乎比液體雲具有更強的溫室效應。
他說，雷達和光達等「主動」儀器提供了「最清晰的雲視圖」。 “其他一切都只是讓我們瞥見。” 他將 CloudSat-CALIPSO 時代稱為雲端觀測的「黃金時代」。 這些觀察結果正在幫助研究人員深入了解氣候科學中一些最大的未知數。
塑造未來
對雲層的首次良好衛星觀測表明，用於預測未來變暖的超級電腦驅動的氣候模擬非常正確。 但這些模擬往往產生的雲太少且反射性太強。 這些模型也產生了太多的風暴，無法重現重要的天氣模式。
許多問題源自於科學家在建構氣候模型時必須進行的簡化。 建模者首先將地球表面劃分為正方形。 每個正方形都成為一堆矩形盒子的底部，這些盒子向上延伸到大氣中。 科學家決定一組物理變數來總結大氣條件，然後使用現實世界的資料為每個框框中的每個因素分配一個起始值。 然後，建模者編寫電腦程式碼，使相鄰的盒子根據物理和流體動力學定律進行互動。 最後，研究人員以離散的步驟向前運行時間並研究他們的數位化星球如何變化。
早期的氣候模型有邊長約 500 公里的網格正方形。 在今天的氣候模型中，正方形的寬度已經縮小到 100 公里。 垂直和時間解析度也有所提高。 科羅拉多州立大學的大氣科學家戴維·蘭德爾(David Randall) 表示，更高的分辨率是可能的，但即使在當今最快的電腦上，長期氣候模擬達到這種詳細程度也會耗費太多時間。
解析度一直是模擬雲的一個主要問題，雲的直徑可以小到幾十公尺。 雲形成的過程－水在氣溶膠顆粒周圍成核－發生在微米尺度。
在單一雲規模上運行的模型的結果可以輸入到氣候模型中。 但這意味著全球氣候模擬本身必須近似或忽略重要的雲相關過程。
為了克服這一限制，蘭德爾幫助開創了一種稱為超級參數化的技術，該技術將小規模雲模型嵌入全球氣候模型中。 此方法使用大量的運算能力，但比嘗試將全域模型的網格單元縮小到雲端的大小要少。 「超級參數化方法是一種妥協，」蘭德爾說，它可以更好地再現某些局部過程，例如晝夜降雨模式和印度洋的年度季風週期。 他預測這項技術將變得更加普遍。
為紐約市 NASA 戈達德太空研究所開發模擬的 Anthony Del Genio 表示，更高的解析度會有所幫助。 但這不是製作更真實模型的唯一方法，甚至不是最好的方法。 「就氣候變遷的重大問題而言，解決方案不一定是答案，」他說。 “更好的物理學就是答案。”
今天的氣候模型代表了與雲相關的過程，其中有數十個變量，包括濕度、凝結成水和冰的水量、以不同速度下落的水滴數量以及各種氣溶膠顆粒的濃度和大小。 過去忽略或過度簡化氣溶膠的模型現在允許它們與水相互作用並形成液滴。 更微妙的是氣候模型對對流的模擬，對流是一種複雜的物理過程，它將水在大氣中向上移動，導致地球上的大部分降雨。
雲物理學家洛曼指出，這些改進可以更真實地表示自然的複雜性，但不一定具有更好的預測能力。 「我們知道的越多，不確定性就越大，」她說。
漢堡馬克斯普朗克氣象研究所的比約恩史蒂文斯（Bjorn Stevens）致力於研究一個名為 ECHAM 的模型，他強調，正確了解雲的知識對於氣候模擬至關重要。 他最近發現 ECHAM 以一種不切實際的粗糙方式來表示雲：該值被迫佔據極端之一，而不是讓雲量從 0（完全晴朗）到 1（陰天）平滑變化。 當史蒂文斯和同事更改電腦程式碼以允許部分雲時，該模型對未來氣溫上升的預測增加了一倍。
接近雲端回饋
在每份IPCC報告之前，世界上大約20個主要氣候模型小組都會對未來氣候進行模擬，並假設各種溫室氣體排放預測，從不受控制的增加到穩定或減少。 然後，科學家比較模擬的輸出，看看模型在哪裡一致，在哪裡分歧。 最近的比較顯示，幾乎所有模型都預測，隨著世界變暖，雲層的變化將進一步加劇變暖。 科羅拉多州博爾德國家大氣研究中心的科學家 Andrew Gettelman 表示：「我認為沒有人真正建立了一個具有顯著負雲反饋的完整模型。」「如果你發現自己有負回饋，並且可以建立一個自洽的模型，你就會變得出名。
Gettelman 強調，他和他的同事不僅僅依賴模型。 他們也有基於既定物理學的理由認為雲會加劇或至少不會抑制全球暖化。 這些機制之一源於這樣一個事實：隨著氣候變暖，大氣的最低層（對流層）變得越來越高。 許多雲延伸到對流層頂部，這意味著它們的頂部也在上升。 這使得雲層頂部更冷，因此它們向太空輻射的能量更少。
由於赤道變暖擴大了維持地球低緯度沙漠的乾燥空氣的旋轉細胞，因此產生了相關的促變暖效應。 科學家預計，這些膨脹的單元會將中緯度風暴路徑推向兩極，從而擴大低緯度無雲帶，大多數導致地球變暖的陽光照射到那裡。 在加州勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究雲反饋的馬克·澤林卡 (Mark Zelinka) 解釋說：“雲本質上給你帶來的好處更少。” Zelinka 的同事 Kate Marvel 和 Céline Bonfils 最近對 30 多年的天氣數據進行了分析，提供了證據表明風暴路徑實際上正在向極地方向移動（SN線上：2013年11月11日）。
低空雲層是試圖確定雲層整體影響的研究人員最頭痛的問題。 許多科學家曾經認為，熱帶地區的水蒸發會形成反射率更高的低雲，進而抑制氣候變遷。 但隨著科學家們更了解海洋表面附近的對流過程，他們的觀點也改變了。 現在大多數人懷疑，隨著氣溫變暖，低雲將會減少。
科學家開始利用全球衛星數據直接測量雲端回饋。 2010 年，德州 A&M 大學氣候研究員 Andrew Dessler 分析了過去十年衛星收集的輻射數據，發現雲對自然溫度波動的反應方式往往會加劇暖化（SN 線上：12/9/10）。 儘管德斯勒承認他的數據系列太短，無法顯示人為氣候變遷的趨勢，但他認為科學家已經有足夠的證據來排除雲對氣候的巨大影響。 “我們沒有看到任何證據……表明雲層是一種巨大的負穩定反饋，可以防止變暖。”
不過，並非所有科學家都願意承認雲端回饋是正面的。 史蒂芬斯認為，氣候模型之間的差異仍然很大，科學家無法做出明確的聲明。 「大家一致認為，就他們所知的回饋而言，這些回饋最有可能是正面的，」他說。 “這並不意味著整體反饋應該是積極的。” 部分由於史蒂芬斯的影響，IPCC 報告指出，雲反饋總量為“可能正面」（強調原文），為中性或輕微負面影響留出空間。
每個人都同意，確定雲端回饋的關鍵是擴展數據記錄。 但這項紀錄正面臨危險。 由於電池問題，CloudSat 已經失去了夜間觀測能力，而能源供應故障將導致 CALIPSO 在未來幾年內開始偏離軌道。 歐洲太空總署的 EarthCARE 衛星也將向雲層發射雷達和光達，可能會暫時填補這一空白。 但 EarthCARE 計劃僅在 2015 年至 2018 年期間進行飛行，並且沒有人宣布可以持續提供數據的後續任務。
蓋特爾曼說，失去編制雲長期記錄的機會可能會嚴重阻礙科學家觀察和預測氣候變遷的嘗試。 CloudSat 和 CALIPSO 系列雖然很有價值，但時間太短，無法顯示全球暖化的影響。 科學家表示，他們需要至少 20 到 30 年的數據來平均自然波動，並確定雲是否以模擬預測的方式對全球暖化做出反應。 格特爾曼表示，他對美國太空總署沒有收集這項記錄的計畫感到沮喪。 “這是政治和官僚主義的失敗，未能採納我們的觀察並確保它們繼續下去。”
地平線上的雲彩
2014 年 1 月，科學家分析了氣候模型如何模擬對流，發現許多模擬過程都是錯誤的。 結果，該團隊在報告中自然，這些模擬產生了太多低矮的、反射陽光的雲。 平均而言，對流正確的模型預測，下個世紀的暖化程度將大幅提高。 包括博尼在內的研究作者得出的結論是，二氧化碳濃度增加一倍將使氣溫升高 3 至 4.5 度，這是 IPCC 目前範圍的上半部。
但並非所有證據都指向這個方向。 自 1998 年以來，地球表面溫度一直保持大致恆定，這在經歷了三十年的快速變暖之後發生了重大變化（SN：2013 年 10 月 5 日，第 14 頁 14）。 如果氣候真的像博尼和她的同事們認為的那樣對溫室氣體敏感，那麼暖化應該會持續快速，甚至加速。 對過去氣候變遷的研究也表明，溫室氣體對全球溫度的影響可能比許多模型預測的要小。 將這項證據與科學家關於雲端的最新發現相協調是當今該領域面臨的主要挑戰之一。
氣溶膠也可能在氣候遊戲中扮演小丑的角色。 在前工業時代，雲在自然氣溶膠周圍形成核，如海霧中的鹽、火山硫酸鹽和沙漠塵埃。 然而，如今，發電廠、工廠煙囪和木火爐的人為排放補充了自然氣溶膠負荷。 隨著空氣中顆粒的增多，雲滴變得更小、數量更多，因此反射更多的陽光。
因此，幾乎可以肯定，與沒有人造氣溶膠相比，雲對地球的冷卻程度可能會更高一些，甚至可能更多。
找出雲層如何適應不斷變化的氣溶膠混合物是科學家正在努力解決的重大未解決問題。 寫在科學一月份，唐納和其他氣候科學家呼籲開發一種新的衛星儀器，不僅可以像 CALIPSO 那樣測量氣溶膠的數量，還可以測量氣溶膠在大氣中移動的天氣模式。 研究小組認為，此類觀察對於消除全球暖化預測中剩餘的不確定性至關重要。
然而，即使有了這些衛星測量結果，長期資料集和增強的運算能力也至少需要幾十年才能讓科學家闡明雲端反饋和雲-氣溶膠相互作用如何影響氣候。 如果到那時各國政府還沒有採取行動減少溫室氣體排放，世界將面臨幾乎所有科學家都認為危險的暖化程度。 「這些模型並不完美，」雪梨新南威爾斯大學氣候研究員史蒂文·舍伍德 (Steven Sherwood) 說道，他也是一月研究報告的合著者。自然和科學文件。 但是，他說，「用不確定性作為不採取任何行動的藉口是沒有意義的。 如果你正在經營一家企業……或者在你生活的任何其他方面，你當然不會這樣做。
