在气候模型中主导混相云微物理过程存在重大分歧

为何云中冰与水的混合很重要

同时包含液滴和冰晶的云在行星变暖速度中起着超常的重要作用，因为它们决定了反射回太空的阳光量以及被困在下方的大气热量多少。然而，当今的气候模型在这些“混相”云中液相与冰相的占比上存在严重分歧，尤其是在寒冷地区。本研究深入探讨云中产生和转换冰的微小过程，检验不同气候模型是否至少在哪些过程最重要这一点上达成一致。答案对我们对气候预测的信心有重大影响。

在寒冷云层中平衡液相与冰相

作者关注超冷液相分数，即在低于冰点的温度下混相云中仍以液态存在的水分比例。许多全球气候模型低估了这一液相部分，这可能导致云看起来比实际更富含冰、反射性更低，最终使地球气候敏感性的估计偏向较低。为弄清原因，研究团队检查了三种最先进的气候模型，并将它们模拟的云相与卫星观测进行比较，后者通过一台太空激光仪器推断云中冰与液的含量。

四个微小过程带来巨大后果

研究聚焦于四个关键的与冰相关的过程：初级冰成核，即空气中某些颗粒触发首批冰晶形成；二次冰生成，即已有冰通过碎裂和破碎产生更多冰晶；沉降，即冰晶缓慢下落穿过大气；以及输送，通过风和混合将冰移动。研究人员使用一种统计学上的“因子式”设计，有系统地在模型中开启或关闭每个过程，测量液-冰平衡的响应强度。这使他们能够在不同高度、温度和纬度条件下，对各过程的影响力进行排序。

模型如何以不同方式看待相同的云

当研究组将三种模型彼此以及与卫星观测进行比较时，他们发现并不存在一种对混相云结构的共同描述。在某些区域和温度范围内，个别模型恰好与卫星记录一致，但其背后的原因各不相同。一个模型倾向于让冰晶异常快速沉降，因此沉降过程主导其云行为。另一个模型对新冰晶的形成高度敏感，使得初级冰成核在低温下成为主要驱动因素。第三个模型则赋予输送过程，尤其是由对流云外流引起的输送，以过大的作用，从而有助解释其在热带地区出现的强烈偏差。

测试一种统一的成冰配方

为了检验是否至少有一块物理过程可以标准化，作者在三种模型中都实现了相同的基于机器学习的二次冰生成方案。该统一方案旨在模拟真实云中冰晶在碰撞、冻结和破碎过程中如何倍增。即便使用了相同的“成分”，模型的响应仍然大相径庭：在其中两个模型中，二次冰生成在其活跃的温度带显著减少了混相云中的液相，而在第三个模型中几乎没有改变结果。在没有一个模型中，这种物理改进能自动使云相在各方面与卫星观测更好地一致。

这对气候预测意味着什么

该研究最稳健的一致结论是：在北纬高纬地区的非常寒冷的混相云中，初级冰成核是决定有多少液相能存活下来的主导因素。然而在这一特定情形之外，三种模型在哪个微物理过程最重要，乃至哪些过程可以安全忽略上存在分歧。这种缺乏共识意味着，任何单一气候模型就现实大气云物理得出的结论都应谨慎对待。对于切实的气候预测，结果支持两条并行策略：更好且更有针对性的观测，以同时约束一整套云过程；以及新的建模方法，表示众多交织微物理过程的净统计效应，而不是仅靠为每一过程单独使用确定性公式。

引用: Frostenberg, H.C., Costa-Surós, M., Georgakaki, P. et al. Large discrepancies in dominant microphysical processes governing mixed-phase clouds across climate models. npj Clim Atmos Sci 9, 75 (2026). https://doi.org/10.1038/s41612-026-01342-7

关键词: 混相云, 气候模型, 冰微物理学, 云相, 气候敏感性