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在气候研究中，气溶胶与云的相互作用存在诸多不确定性。研究人员聚焦火山灰（VA）对卷云的影响，分析多次火山喷发数据，发现 VA 能改变卷云冰晶特性，抑制均匀冻结，产生 “负 Twomey 效应” 。这一成果有助于理解气溶胶 - 云相互作用及卷云地球工程。
在地球的大气层中，卷云（cirrus clouds）就像一把神秘的 “双刃剑”，它们高高地悬浮在高空，看似轻盈缥缈，却对地球气候有着至关重要的影响。卷云由冰晶构成，广泛分布于对流层上部和平流层下部，会对地球产生净变暖效应。而冰核粒子（Ice nucleating particles，INPs）作为一种稀少却关键的气溶胶，在冰晶形成过程中起着核心作用，其能通过改变卷云的微观物理性质，进而影响卷云的辐射效应。
早期研究推测火山是大气中 INPs 的重要来源，火山灰（Volcanic ash，VA）就是其中的主要成分。实验室研究虽已证实 VA 在多种大气条件下可促使冰核形成，但在真实大气环境中，VA 对冰形成的重要性仍扑朔迷离。并且，由于大气过程极为复杂，大规模的气溶胶和云测量数据匮乏，导致 VA 对气候间接影响的观测证据少之又少，严重限制了人们对辐射重要云及其对气候变化反馈的理解。正因如此，探究 VA 在卷云形成中的作用迫在眉睫。
为了揭开这层神秘面纱，来自多个研究机构的科研人员携手开展了一项极具意义的研究。他们整合卫星观测数据与微物理模拟技术，对 2008 年卡萨托奇火山（Kasatochi）、2009 年萨雷切夫火山（Sarychev）和 2015 年卡尔布科火山（Calbuco）三次火山喷发后的卷云变化进行了深入剖析。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，为人们理解气溶胶 - 云相互作用和卷云地球工程提供了新的视角。
在研究方法上，研究人员主要运用了以下关键技术：一是利用 CALIPSO（Cloud - Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation）卫星的观测数据，获取气溶胶和云的垂直分布信息，识别气溶胶类型和卷云特性；二是借助 CloudSat - CALIPSO 联合测量数据，如 DARDAR - Nice（liDAR - raDAR - number concentration of ICE particles）和 2C - ICE 等产品，精确估算冰晶数浓度（Ni）、有效半径（reff）和冰水含量（IWC）等参数；三是运用微物理冰核模型进行模拟，研究不同气溶胶条件下卷云的形成机制。
研究结果方面：
- 区分富灰和贫灰火山喷发：通过分析气溶胶消光系数和类型，研究人员发现卡萨托奇火山和萨雷切夫火山喷发后，VA 出现频率显著增加，被归为富灰喷发；而卡尔布科火山喷发后 VA 出现频率与未受扰动时期相当，属于贫灰喷发。同时，富灰场景中硫酸盐气溶胶与 VA 的出现频率同相位变化，进一步证实了 VA 的存在情况。
- 富灰喷发后卷云微观物理性质的突变：对比火山喷发扰动期和未扰动期，富灰喷发后的 1 - 2 个月内，卷云冰晶数浓度Ni显著下降约 80%，且持续数月，有效半径reff则增加约 12%。这种变化无法用季节变化或气象因素解释，且Ni与气溶胶消光趋势呈显著负相关。而贫灰的卡尔布科火山喷发后，Ni、reff和 IWC 等均无类似变化。这表明 VA 作为高效的 INPs，可引发非均匀冰核形成，抑制均匀核化，进而改变卷云特性，产生 “负 Twomey 效应”。
- 火山灰抑制均匀冻结的微物理模拟：利用详细的微物理冰核模型模拟发现，贫灰条件下，增加火山源硫酸盐气溶胶对Ni影响较小；而随着 VA 浓度增加，当达到约 10liter?1时，Ni急剧下降，这是因为非均匀核化抑制了均匀核化。当 VA 浓度继续上升，超过一定阈值会进入过播撒（overseeding） regime，但在大时空尺度下，LMS 中 VA 浓度通常较低。
研究结论和讨论部分指出，火山喷发时大量 VA 粒子持续注入卷云形成区域，凸显了 VA 作为冰云 INPs 的重要性。然而，当前气候模型大多仅考虑硫酸盐气溶胶，忽略了 VA 及其冰核化活动，限制了对卷云形成、寿命和辐射特性的研究。将 VA 纳入气候模型并与云微物理过程相联系，对理解其对卷云微观物理和地球能量平衡的影响至关重要，但目前面临诸多挑战，如缺乏火山喷发相关详细信息。此外，该研究成果对卷云减薄（Cirrus cloud thinning，CCT）地球工程具有重要科学意义，为这一研究较少的气候干预技术提供了实践依据，同时也为验证和改进气候模型中的冰微物理表示提供了有价值的约束。尽管卫星遥感存在一定局限性，但多方面证据仍有力支持了火山气溶胶对卷云特性影响的结论。未来研究需结合更多实地观测和多平台综合测量，以更深入地探究 VA 在云微物理中的作用及其对气候的影响，提升气候模型准确性，为气候干预和缓解策略提供更可靠的依据。
