现有气候模式因模拟过多降雨，低估了云层的寿命及降温效应。
对“暖”云降雨更为真实的模拟，使新模式中云层的寿命增加了近三倍。
这增强了云层的降温效应及其对气候的总体影响。
据新研究，云层对地球的降温效应可能比当前气候模式所显示的更大。
该论文发表于《Nature Climate Change》，旨在纠正气候建模中一个“由来已久”且“未得到解决”的问题，即现有模式模拟的云降雨过多，因而低估了云层的寿命和降温效应。
作者更新了一个现有气候模式，对“暖”云的降雨进行了更为真实的模拟，即仅含水、而非水和冰混合的云。他们发现，这一更新使“云寿命反馈”（即气温升高使云层寿命延长的过程）增大到近三倍。
作者指出，最新一代全球气候模式，即第六次耦合模式比较计划（CMIP6），预测未来变暖速度更快，超过其前代模式。这主要是因为新模式模拟的云层降温效应较小。
然而，该研究的第一作者对《碳简报》（Carbon Brief）表示，修正降水模拟中的“问题”，“可使模式预测的变暖幅度减少约与CMIP5至CMIP6之间变暖增幅相当的程度”。
因此，他表示，该研究的核心结论是：在模式中其他已知的云层问题得到修正之前，应对CMIP6中额外的变暖“持保留态度”。
云层的降温作用
云层对全球气温的影响是一个复杂的研究领域，科学家们几十年来一直在对其进行研究。
在2018年发表于Carbon Brief的一篇客座文章中，Ellie Highwood教授，气候物理学教授，任职于气象学系，隶属于雷丁大学，解释了云层如何影响全球气温：
“低而亮的云层主要起降温作用，因为它们将阳光反射离开地球表面。由冰晶构成的高空薄云对阳光或多或少是透明的，但会吸收向外的红外辐射，并以小部分形式重新辐射，从而使地球变暖。更复杂的是，在大多数地方，任何时候都可能存在多层云。”
在该文中，Highwood得出结论：云层总体上对地球起降温作用。她还概述了气候科学家为更准确地模拟云层过程所开展的大量工作，但指出云层仍然是“气候系统中最引人入胜且最具挑战性的组成部分”。
随着气候变暖，科学家预计许多云层将从“冷”云转变为“暖”云。冷云由冰粒和水滴的混合物构成，而暖云仅含液态水。这种相变将以两种主要方式影响云层的降温特性。
首先，云中的水滴通常比冰粒小，因而具有更大的表面积与质量比，更容易反射阳光。这意味着，随着云层从冷云转变为暖云，其反射性增强。该论文将此称为相位反馈的“光学分量”。
其次，暖云的降水效率较低，即它们不像冷云那样容易开始释放雨滴。由于降雨频率较低，暖云的寿命得以延长，这被称为相位反馈的“寿命分量”。
Kate Marvel博士，为哥伦比亚大学的副研究科学家，并任职于美国国家航空航天局戈达德太空研究所。Marvel未参与该研究，她向《碳简报》表示，由于云反馈中的光学和寿命分量，“若使云层更偏液态，它们会阻挡更多阳光，且持续时间更长”。
“普遍存在”的问题
然而，该研究指出，气候模式中围绕云层过程存在许多“普遍存在”且“未得到解决”的问题。
作者强调，第五次耦合模式比较计划（CMIP5）中的许多模式高估了暖云的反射性（光学分量），同时低估了其寿命（寿命分量）。
Johannes Mülmenstädt博士是大气科学与全球变化部门的地球科学家，任职于太平洋西北国家实验室，并担任该研究的第一作者。他向《碳简报》表示，2010年代有多项研究发表，“表明气候模式的云含有的冰量远超卫星观测所支持的水平”，这意味着CMIP5模式低估了云中液态水的含量。
全球各地的气候建模人员注意到这些论文，并着手更新其模式。当随后的一批模式（第六次耦合模式比较计划）发布时，许多模式都包含了更高的云液态水比例。
云建模的这一变化连带导致了“平衡气候敏感度”，即二氧化碳浓度翻倍时地球将经历的变暖幅度，在许多CMIP6模式中有所提高。
Mülmenstädt解释说，这是“CMIP6带来的重大意外之一”，并且“很大程度上”是由于对南大洋上空中高纬度低云建模方式的改变所致。Marvel证实，“CMIP5与CMIP6气候模式之间气候敏感度的大部分增幅，都源于模式对云层模拟方式的改变”。
CMIP6模式较高的气候敏感度引起了科学界的广泛关注，因为气候敏感度越高，意味着未来变暖将比此前所认为的更加迅速和剧烈。
然而，CMIP6模式对暖云的表征仍不完善。在本研究中，作者强调了云降水过程中的一个重大“误差”，即CMIP6模式中的暖云产生的降雨过多。为显示该误差的程度，作者更新了一个现有的气候模式，纳入了更精确的暖雨概率，然后将其结果与原始模式进行比较。
他们发现，“云寿命反馈”（即导致暖云较不易降雨的过程）可能比现有模式所显示的大近三倍。这意味着CMIP6模式中的暖云降水过于容易、寿命过短，导致模式低估了气候系统中云层的降温效应。
Mülmenstädt强调，修正这一云寿命效应对未来变暖预测的影响，可能与从CMIP5到CMIP6模式的变化一样大：
“液态云在气候模式中降雨过多。我们发现，修正所研究模式中的这一问题，可使该模式预测的变暖幅度减少约与CMIP5到CMIP6之间变暖增幅相当的程度。因此，主要信息是：在模式中其他已知的云层问题也得到修正之前，应对CMIP6中额外的变暖持保留态度。”
Tapio Schneider博士，高级研究科学家，任职于美国国家航空航天局喷气推进实验室。他未参与该研究，并向《碳简报》表示，该论文“延续了一长串研究，表明云层十分复杂，而气候模式对其模拟效果很差”。
暖雨
为修正模拟的降雨过程，作者聚焦于一个现有的气候模式，该模式来自CMIP6集合。下图显示了该模式中的“暖雨比例”，即由云中非冰相过程驱动的降雨事件所占比例。
上图显示当前气候下的暖雨比例，其中红色表示较高比例，蓝色表示较低比例。下图显示相对于当前气候，在升温4C的未来中暖雨比例可能如何变化，其中红色表示暖雨比例增加，蓝色表示减少。
当前气候下的暖雨比例（上）及升温4C气候下暖雨比例的增幅（下）。来源：Mülmenstädt等（2021）。
地图显示，大多数暖雨过程发生在赤道附近，那里的气温最高，并且这些过程在海洋上空尤为普遍。随着地球变暖，暖雨比例的增幅在南半球中纬度地区尤为显著，而在低纬度海域则预计会下降。
作者通过使用卫星数据来确定当前气候下云层的降雨量，随后修改气候模式中的暖雨过程，使其与卫星观测到的降雨概率更精确地吻合。
下图显示了不同纬度暖云的降雨概率，分别为利用卫星数据观测到的结果（灰色），以及利用原始模式（红色）和更新后模式（黄色）模拟的结果。
该图显示，虽然更新后的模式相较卫星数据仍高估了降雨量，但其与卫星数据的吻合程度比原始模式更为接近。
该论文指出，利用观测数据约束云过程及云状态，“是迈向可靠气候预测的必要一步”。Mülmenstädt向《碳简报》表示，这一方法未来可为科学家如何利用观测数据提高模式精度提供参考：
“我们这一领域需要找出如何最好地利用观测数据，以减少模式在表征云过程时目前所拥有的“回旋余地”。我们目前拥有的观测数据大多只能提供云状态的快照，但模式对云的认识是基于其动力学，即它们形成、降雨或蒸发的速度有多快。”
他补充说，气候科学家需要考虑并确保能够获取开展此类研究所需的适当数据：
“卫星使本研究得以实现，它独一无二，自2006年起一直坚持运行，早已超过其设计寿命，这要归功于美国国家航空航天局为维持其运行所做的出色努力。如果我们失去这种观测能力，或者观测之间的空白变得过大，我们的许多科学工作将变得比现在更加困难。”
Schneider向《碳简报》表示，该论文强调了可用于未来研究、并能被“加以有效利用”的数据来源。他补充道：
“回答什么控制云量这一问题，对于理解或排除近期气候模式中所显示的、对全球变暖具有强烈放大作用的云反馈至关重要。这里的结果表明，回答这一问题必然需要更好地约束云层在变暖时降水的难易程度。”
Alejandro Bodas-Salcedo博士，来自英国气象局，他未参与该研究，并表示该论文“非常令人振奋”，且“凸显了降水过程对云辐射反馈的重要性”。
不过，他指出，由于该研究仅测试了单一模式，下一步“其核心论断的稳健性将需要在多模式框架下加以检验”。
