水和冰云

现在我们来仔细看看地球上的水和水是如何冰云影响辐射预算，兼顾短波之间的平衡反照率效应用来冷却地球的云和长波云温室效应使地球变暖。地球上的许多普遍行为也同样适用水的云在其他行星上，或者在任何形成云的物质上，这些物质强烈吸收红外线，但在太阳光谱．

为了设置阶段，我们将首先讨论一些计算与ccm辐射代码显示如何高云在典型热带条件下，会影响反照率和OLR。结果如图5.9所示。这些计算包括了实际热带地区的大部分辐射效应，包括水蒸气和二氧化碳对太阳和红外的吸收，尽管我们没有考虑臭氧。表面反照率被设置为零，以便专注于多云大气本身的反射效果。在本次计算中，对流层温度剖面位于潮湿绝热层上，我们在对流层上部放置了一个几何形状的薄云，云的含水量规定，云的压力为283 mb，温度Tc为243 K。在这样的温度下，云主要由冰组成，ccm辐射模型利用了适用于水-冰粒子的复杂折射率。结果给出了云的凝结水路径的函数。只要云的几何厚度足够薄，基本上是等温的，云的实际几何厚度与这个计算无关。

对于30 ym的粒子，这是典型的热带冰云，只需要50 g/m2的路径，就可以使云像黑体一样。OLR比云本身的黑体发射aT4低约20 W/m2，这是因为在云上方较冷的空气中存在一些水蒸气和二氧化碳温室效应。如果云被置于最低温度，这种效应就会消失一部分大气，如果云层较低，则会增加。从本质上讲，在红外波段具有光学厚度的云就像一个新的“地面”，以一个黑体温度Tc向上辐射到大气的上部。如果颗粒变得更小，为了使云具有光学厚度，需要更少的云水，因为相同质量的水产生更多的聚集横截面面积云粒子。作为一个实际问题，在热带地区发生在深对流附近的大部分高云在红外波段上可以被认为是厚的。相关的云温室效应是非常巨大，如果没有类似程度的短波反照率效应来补偿，将导致一个不适合居住的炎热星球。

图5.9:温度Tc = 242K，压力pc = 283mb的高冰云，反照率和OLR随云冷凝水路径的变化。温度分布在潮湿绝热层上，对应于300K的表面温度，修补到等温180K的平流层。的相对湿度为50%， CO2浓度为300ppmv，但大气中没有臭氧。计算是用ccm辐射代码完成的，结果显示了30 pm和10 pm的粒子。

图5.9:温度Tc = 242K，压力pc = 283mb的高冰云，反照率和OLR随云冷凝水路径的变化。温度分布在潮湿绝热层上，对应于300K的表面温度，修补到等温180K的平流层。相对湿度为50%，CO2浓度为300ppmv，但大气中没有臭氧。计算是用ccm辐射代码完成的，结果显示了30 pm和10 pm的粒子。

云的反照率效应也随云水含量的增加而单调增加，但速度比温室效应慢得多，原因在5.6节中讨论。对于30 pm的粒子，当云水路径为50g/m2时，行星反照率仅达到。2。直到云水含量接近200g /m2，反照率才会达到0.5。另一方面，失败的云的反照率饱和到大的云水路径意味着颗粒大小可以对反照率有非常重要的影响;将颗粒大小减小到10 PM，含有200 g/m2冰的云的反照率将增加到0.7。关于双方的补偿短波和长波云的影响例如，以30 pm颗粒和100 g/m2的云为例，反照率约为0.4，从而产生170 W/m2的减少太阳能吸收根据典型热带年平均日照。这与120W/m2的云温室效应相比，因此这样的云具有中等的净冷却效应。但是，如果云的含水量只有50克/平方米，云的温室效应将几乎相同，但云的反照率效应将减少近一半，云将具有净变暖效应。同样，如果地面部分反射(由于植被覆盖或低处的云)，由高云引起的反照率变化将减少，平衡再次转向有利于净云变暖。另一方面，减小云的颗粒大小会使它们更亮，使云更容易产生净冷却效果。

对于固定的颗粒大小云的高度对给定云凝结水路径的反照率影响相对较小。低空液态水云往往比冰云的颗粒更小，含水量也更大(因为周围有更多的水凝结)，相应地反射性更强。由于这种效应，权力的平衡为中层和中层低端云层明显转向了地球上的净冷却效应。

高空云既有暖化作用，也有降温作用，孰胜孰负取决于云的具体属性，包括云的温度、颗粒大小和冷凝水含量。较低的云温度往往有利于净变暖。使颗粒变小或增加云水可以增强冷却效果，但非常薄的云除外，因为只有很少的云水才能使云像黑体一样，而反照率随着云水的增加或颗粒大小的减小而持续增加，原因在5.6节中讨论过。反照率效应和温室效应之间的平衡也取决于太阳辐射的强度，因为如果没有阳光，反照率根本无关紧要。在极夜，只要云层不在地面上，它们就有明显的变暖效应。同样，云反照率效应取决于下垫面的反照率;在像冰(或表面云!)这样的反射表面上的云往往会有变暖的效应，也在5.6节中讨论过。随着云的高度降低，云的温室效应减弱，因为云的温度更接近地面温度，也因为(尤其是在潮湿地区)云上方干净空气的温室效应掩盖了云本身的长波辐射效应。

虽然云对OLR和反照率的巨大而相互竞争的影响对任何行星都构成了类似的挑战大气中含有作为一种可凝结的物质，地球是目前我们对云的净辐射效应有良好观测的唯一情况。第一个精确做到这一点的卫星任务是地球辐射预算实验(ERBE)和随后的任务都采取了类似的方法。我们在第3章中讨论了ERBE的一些晴空万里的结果，现在我们将看看ERBE告诉我们关于云的影响。ERBE任务使用卫星上携带的两套高度精确的宽带辐射计测量了地球的辐射收支，一套是红外光谱，另一套是短波(即太阳)光谱。此外，该处理算法利用了地球云覆盖的斑块性，以估计云对大气的影响长波和短波辐射．在每个被检查的场景中(想象一个场景是地球表面50平方公里的一块区域)，算法识别出那些代表无云晴空条件的像素，并将“晴空”长波和短波通量定义为场景上的通量值，如果场景中所有像素的通量被晴空像素的平均值所取代。例如，在长波中，ERBE检索报告全天OLR(称为OLRan)和晴空OLR(称为olrclear)。云长波强迫定义为OLRclear - OLRall。由于云通过使对流层上层在光学上更厚来降低OLR，云的长波强迫是正的，并代表了一种变暖效应。同样，云短波强迫被定义为Sabs，全- Sabs，清晰，其中Sabs为top-of-atmosphere吸收的太阳辐射-传入和传入之间的差异反射太阳辐射．云通过增加反照率来减少太阳的吸收，因此这样定义的云短波强迫通常是负的，代表一种冷却效应。云长波和云短波强迫之和为净云强迫，正值代表变暖趋势，负值代表变冷趋势。晴空和全空反照率的定义是相似的。

结果为晴天和阴天反照率，并为云辐射强迫的数据载于图5.10。其他年份也出现了类似的情况。ERBE数据集包含每个月的这类信息，在经纬度网格上报告。这里我们只显示沿纬度圈平均的年平均结果。所有可用年份的完整月平均值数据集作为本书补充材料数据集的一部分提供。首先将注意力转向晴空反照率，我们可以看到，在没有云的情况下，反照率在60S纬度到42N之间的0.11到0.16的狭窄范围内变化。在60S向极地方向，由于南极冰的高反照率，反照率急剧增加。尽管如此，这些数值表明，部分被雪覆盖的南极冰层的反照率必须超过0.7，因为大气吸收使行星反照率低于地表反照率。对极地附近晴空万里的估计有些不可靠，因为很难区分低云和冰。从北纬42度开始，由于海冰的不均匀分布及其季节性波动，反照率的增加较为平缓;其余北方高纬度反照率增加是由于冬季陆地积雪覆盖。云具有很强的反射作用，使热带地区的反照率增加近一倍，并使中纬度地区的反照率增加到0.4或更高。清晰的区域加权平均反照率为。19

短波反照率云辐射强迫(W/m2)

图5.10:1988年ERBE测量的年平均晴多云反照率(左图)和云辐射强迫(右图)

天空和。33包括云效果。面积加权并没有考虑阳光的季节和纬度分布;更合适的平均反照率是基于全球净太阳反射辐射与地球平均反照率的比值入射辐射．这个估计值略小:平均晴空反照率为0.16，平均全天空反照率为0.30。

如果没有云的补偿，温室效应，高云的反照率可能足以让地球进入雪球状态。在现实中，云对OLR的降低抵消了大部分云的冷却效果，如图5.10的右侧面板所示。云长波强迫——即云造成的OLR降低——与云短波强迫呈反相关，其大小足以抵消大部分云短波强迫。云强迫的分布使我们考虑到我们以前没有介绍过的一般环流的一些方面。在赤道偏北的地方，有一个产生深厚云层的深对流区域，在图中显示为云的长波和短波强迫的峰值(图中为“ITCZ”)热带辐合带这是为了纪念将湿气汇聚到这一地区并推动对流的风)。ITCZ的两侧是两个亚热带地区对流是下沉的:被大气中向下运动压制的，浅的或无的在这里，我们遇到了云长波和短波强迫的局部极小值。在整个热带地区，这两项加起来的净冷却效应约为-20W/m2，在亚热带比ITCZ附近更强。副热带云冷却的部分原因是与边界层有关的近地面云，而不是深层对流。在中纬度地区，有另一个深层云活动区域。这一现象与大规模有组织的风暴轨迹有关，它将亚热带海洋的水抛起，并向极地和向上移动。在这一地区，云的反照率效应在温室效应中起着更大的主导作用南极地区，那里有与低洼海洋有关的强云短波强迫层云．因此，在中纬度和极地地区出现了强烈的净冷却。

区域加权的全球平均云长波强迫为28W/m2，而平均云短波强迫为-47W /m2，两者合计产生的冷却影响为-19W /m2。使用4.5节2.2W/m2K的灵敏度事实，我们得出结论，如果没有云，地球将变暖8.6K。

5.9.夜间发生碰撞的东西:红外散射和气体吸收301

在晴空万里的地区不吸收太多太阳辐射的情况下，高空云有一个强有力的净变暖效应，尽管周围必须有足够的对流使水飘到足够高的高度，以形成光学上厚的高空云。正如我们已经提到的，云可以显著地促进高反照率的冰消雪球地球尽管主要的问题是，在低含水量(因为温度低)和缓慢对流(因为太阳吸收低)的大气中，是否有可能产生足够高的云层和足够大的含水量。晴空太阳吸收率低的另一种情况是高纬度冬季。在这里，云层反射的太阳辐射很少，因为大部分时间都是夜晚或黄昏，所以如果有高云，它们将有明显的冬季变暖效应，甚至可能抑制开阔水域海冰的形成。这种效应可能在白垩纪的北极发挥了作用温室气候raybet雷竞技最新，因为北冰洋有开阔的水域，可以在整个冬天保持相对温暖的水供应，以促进深层对流。这种机制似乎有可能有助于解释1.9.1节中描述的白垩纪神秘的低梯度气候和类似的温室气候。raybet雷竞技最新到目前为止，一般环流模型还不支持有足够强的云效应来解释白垩纪之谜，但关于云还有很多有待了解的地方，所以这个话题无论如何也没有最后定论。这种潜在的机制只有在有开阔水域的时候才可行极地海洋．在极地大陆上，比如南极洲，冬天地面会迅速降温，从而排除了任何深层对流和相关深层云的可能性。

云对水蒸气的影响失控的温室代表了地球气候中最令人烦恼和最重要的尚未解决的问题之一。raybet雷竞技最新观测到的地球云的行为对于在以水蒸气为主要成分的更温暖的大气中云的影响提供了很少的指导。考虑到整个大气深处都有水，而且形成高反射云所需的水很少，反照率变得非常高似乎是不可避免的。然而，没有一种简单的物理学可以用来估计大气中有多少部分是多云的;这是一个内在的动力学问题。然而，高云也可以降低OLR，这有可能抵消反照率效应。强烈的云层温室效应是可能的，因为接近失控的蒸汽大气的顶部100毫巴含有的水蒸气比地球上整个大气的水蒸气多得多的气氛。为了为了使云的辐射温度足够低，以抵消强云反照率的增加，人们需要在光学上厚的云大气区域它们很冷。不过，这也不是不可能的:在上层大气温度为200 K的厚云会将OLR降低到91 W/m2，这与早期金星在反照率为80%时吸收的太阳辐射大致相同。在地球大气中，光学上厚厚的热带卷云发生在相似的温度下，所以我们很难排除它们是金星的。云温室或云反照率效应在失控情况下胜出的问题，即使我们有一个相当大的包络，也无法通过粗略的计算来回答。明确的答案必须等待对对流、云微物理和近乎失控条件下的云分数的更好理解。

继续阅读:大气太阳吸收的影响

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