beat3652020级博士研究生闫明羽在杨军老师的指导下，利用近全球高分辨率大气环流模式SAM，研究了地球长期气候演变中的云反馈作用及云反馈在解决暗弱太阳问题中的贡献。研究表明，云反馈过程主要由低云主导，短波云反馈作用可解决暗弱太阳问题的10-20%。相关成果以“Cloud Feedback on Earth's Long-Term Climate Simulated by a Near-Global Cloud-Permitting Model”为题发表于2022年8月10日的《Geophysical Research Letters》。
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恒星演化理论表明，太阳辐射会随时间的推移逐渐增强，太古宙时期的太阳辐射量比现在弱20-30%，如果其他气候因素与现代地球相同，地球将会进入全球冰封的“冰雪地球”状态，而地质证据表明该时期存在地表液态水，这便是“暗弱太阳问题” （Faint Young Sun Problem）。前人的工作试图从温室气体含量、地球海陆分布演化、地表气压等方面回答这个问题。近期，Goldblatt等人的研究表明低云在地球长期气候演变中起到稳定气候的作用。然而，传统大气环流模式（GCM）的分辨率为百公里量级，对流和云的模拟依赖于参数化方案。云作为影响行星气候和宜居性的关键因素，使用高分辨率的模式进行云和对流的显式模拟可以提高云对气候影响的认识。
本研究使用近全球高分辨率大气环流模式System for Atmospheric Modeling （SAM）对不同时期的气候进行模拟。与传统大气环流模式（GCM）不同的是，该模式采用非静力平衡动力核，且不使用对流参数化方案，能够更好地刻画云的分布及特征，被广泛运用在云模拟、降水模拟等相关研究领域。本研究模拟的纬度范围为60°S-60°N，经度范围为0-180°，水平分辨率为14km×10km，模式层顶约为35km，在垂直高度28km以上区域设置牛顿线性阻尼以减小重力波的影响。
我们首先对现代地球进行模拟，小时平均的云分布、降水及可降水量符合地球气候的特征（图1），如热带辐合区（ITCZ）和中纬度云分布都能得到很好的模拟。
图1：现代地球模拟试验的云分布、降水及可降水量。
随后降低太阳常数的同时增加二氧化碳含量进行一系列试验。结果表明随着太阳辐射的减小和二氧化碳的增加，低云分布及云水路径显著降低，而低云的主要气候效应为反射太阳辐射，低云的减少可以引起行星反照率的降低，对太阳常数较小时期的气候有增暖作用（图2）。在此过程中，高云的变化不显著。
图2：不同太阳常数及二氧化碳浓度下云以及相关物理量的变化。全球平均的（a）行星反照率；（b）云量；（c）云水路径；（d）云的辐射效应；（e）表征边界层逆温强度的指标；（f）地表潜热及感热通量。
本研究重点强调低云反馈的作用，去除太阳常数变化对于云的短波效应影响后，短波云反馈作用的计算结果表明：与太阳辐射比现在小20%的试验相比，低云反馈可解决暗弱太阳问题的14%；与太阳辐射比现在小30%的试验相比，低云反馈则可解决暗弱太阳问题的16%。与前人使用传统全球环流模式的结果相比，短波云反馈呈现一致的趋势（图3）。
图3：短波云反馈的不同模式比较。
本研究还从不同方面探讨了在地球长期气候演变中低云变化的机制（图4）。太阳常数增加、二氧化碳含量降低使得低层大气辐射冷却变强而高层大气呈现相反趋势，进而引起低层大气变冷而高层大气变暖，即边界层逆温变强，强的逆温可以减弱自由大气干空气向边界层的夹卷，有利于低云维持。边界层与自由大气的水汽梯度也通过影响自由大气干空气的夹卷而引起低云变化，弱的水汽梯度有利于减弱夹卷，有利于低云的产生和维持。大尺度环流也可以影响低云的产生与发展，太阳常数增加、二氧化碳含量降低伴随Hadley环流下沉支减弱，使得边界层的低云可以发展得更高。地表感热通量的增加可以提供浮力以及向边界层提供热量，有利于低云的产生。以上机制均对太阳辐射增加、二氧化碳减少时低云的增加产生贡献。
图4：低云反馈机制示意图。
文章的合作者包括麻省理工学院地球大气与行星科学系博士研究生张一啸（beat3652021届本科生，本课题中使用的SAM近全球框架的搭建由张一啸同学完成）和麦吉尔大学我系博士后黄涵（beat3652021届博士研究生）。
