气溶胶污染减少导致北大西洋和东北太平洋云反射率下降的机制与气候效应研究

《Nature Communications》：Reduced aerosol pollution diminished cloud reflectivity over the North Atlantic and Northeast Pacific

本研究针对近年来北大西洋和东北太平洋区域海表温度异常升高的现象，通过分析卫星观测数据和改进的气溶胶-气候模型，揭示了人为气溶胶排放减少通过Twomey效应和Albrecht效应导致云反射率下降的机制。研究发现2003-2022年间该区域云辐射效应以每十年1.04±0.45 W m-2的速度增强，其中69%(55-85%)可归因于气溶胶-云相互作用，这一发现对准确预测近未来气候变化具有重要意义。

　　

近年来，全球温度记录接连被刷新，2023年和2024年更是达到了前所未有的高温水平。这种异常的变暖现象背后，隐藏着一个关键的科学谜题：为什么北大西洋和东北太平洋区域的海洋表面温度上升速度明显快于其他地区？传统的太平洋年代际振荡等自然变率模式已无法完全解释这一现象，科学家们将目光投向了大气中那些微小的颗粒物——气溶胶。

气溶胶作为云凝结核，对云的形成和特性具有重要影响。随着全球各国实施更严格的空气质量控制政策，特别是中国和美国对二氧化硫(SO₂)等气溶胶前体物排放的限制，大气中气溶胶浓度显著下降。这种变化不仅改善了空气质量，还可能通过改变云的特性而影响地球的能量平衡。然而，当前的地球系统模式在模拟这些变化时存在明显不足，多数模型低估了观测到的云反射率下降和海表温度上升的幅度，这给气候预测带来了不确定性。

为了解开这一谜团，由Knut von Salzen领导的研究团队在《Nature Communications》上发表了最新研究成果。他们通过分析2003年至2022年二十年的卫星观测数据，并结合改进的气候模型模拟，量化了气溶胶减少对云反射率下降的贡献。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：基于CERES卫星的云辐射能量系统观测数据，结合MODIS和MISR的气溶胶和云微物理参数反演；利用加拿大大气模型CanAM5.1-PAM进行数值模拟，该模型改进了气溶胶尺寸分布和云滴形成过程的表征；通过对比CMIP6多模型集合结果，评估不同模型对气溶胶-云相互作用的模拟能力；采用固定海温和平行排放情景实验，分离气溶胶效应与海温反馈的贡献。

观测到的云趋势

分析显示，在2003-2022年期间，北大西洋和东北太平洋区域的短波云辐射效应(CRE)以每十年1.04±0.45 W m^-2的速度显著增强，相当于云反射率相对下降2.8±1.2%/十年。这一变化主要是由云量减少和云滴尺寸增大共同导致的。同时，该区域海表温度以0.19±0.08 K/十年的速度上升，与CRE变化的空间分布高度一致。

卫星观测还发现云滴数浓度(N_d)在北大西洋(-6.7±1.5 cm^-3/十年)和东北太平洋(-2.9±1.7 cm^-3/十年)显著下降，气溶胶光学厚度(AOD)也呈现类似减少趋势。这些变化与中、美两国SO₂排放量的大幅减少(-15.9和-7.1 Mt/十年)时间吻合，暗示人为排放控制可能是驱动因素。

地球系统模式模拟

对比24个CMIP6地球系统模型的模拟结果发现，多模型集合平均显著低估了观测到的CRE增强和海表温度上升幅度。仅有10个模型能够较好地再现观测趋势，这些"最佳"模型模拟的N_d下降趋势(-4.45 cm^-3/十年)与观测值(-4.86±1.32 cm^-3/十年)吻合较好，而其他14个模型则明显低估了这些变化。

CanAM5.1-PAM模型中的云趋势影响因素

研究人员利用改进的加拿大大气模型CanAM5.1-PAM进行了更深入的分析。该模型能够分别模拟Twomey效应(气溶胶减少导致云滴增大、反射率降低)和Albrecht效应(云滴增大增强降水、减少云寿命)。模拟结果显示，仅考虑Twomey效应时，模型低估了CRE增强的空间范围(73% vs 观测80%)；而同时考虑两种效应时，模拟结果与观测高度一致(82%)。

通过设置固定排放情景实验，研究量化了各因素的贡献：气溶胶减少通过Twomey和Albrecht效应共同贡献了CRE增强的69%(55-85%)，其中Twomey效应和Albrecht效应分别贡献0.29 W m^-2/十年和0.51 W m^-2/十年；而海表温度变化仅贡献了31%(15-45%)。

讨论与意义

这项研究证实了气溶胶排放减少通过削弱云的冷却效应，加速了区域气候变暖的假设。人为气溶胶的历史性排放原本在一定程度上抵消了温室气体引起的变暖，但随着排放控制政策的实施，这种"遮蔽效应"正在减弱。研究强调，当前多数地球系统模型低估了气溶胶-云相互作用对近未来气候变化的贡献，这可能影响气候预测的准确性。

随着清洁空气政策的持续推进，气溶胶浓度和云滴数预计将在未来几十年继续下降。考虑到气溶胶-云相互作用的非线性特征，即使云滴数的轻微减少也可能导致云反射率的显著下降，从而进一步加强区域变暖。因此，改进地球系统模型中对这些过程的表征，对于制定有效的气候减缓和适应策略至关重要。

这项研究揭示了空气质量改善带来的意外气候后果，强调了在追求公共健康效益的同时，需要更加全面地评估环境政策的多重影响。研究结果为理解近期气候变化的驱动机制提供了重要见解，对完善气候模型和预测未来气候变化趋势具有深远意义。