云似乎总是即将到来的气候的显示信号：广布的白积云掠过夏日午后的晴空；浓重的雷暴云砧则预示着一场祸及粮食作物的暴雨狂风即将袭来；铅灰色云层的堆积是冬日夜晚的常见景观。今日的气象学家通过图像监视器关注着云层变化图，并详细分析根据卫星数据形成的云图图片，现今每天天气预报的准确度已经大大超过以往任何时候。

具有讽刺意味的是，当人们要对未来几十年的天气状况作某种预测时，本可给我们以帮助的云却令人迷惑不解。云在气候中的最重要作用是对地球的辐射平衡起调节作用：由能量守恒定律可知，从太阳中获取的能量抵销了（经辐射）返回空间的能量。由于云既反射了入射的日光，又抑制了地表的热辐射，因而它对全球能量平衡的两方面都有相当强的作用，云同时也对各种气候变化起某种调节作用。现在的难题是，云相应于其他物理变量的复杂方式使得确定云层的辐射平衡净效应变得十分困难。尽管卫星能测量云和辐射的全球性交互作用量，但研究人员只是在最近才得以改变他们的思路。

揭示云和气候间的交互关系何以如此重要？吸收日射和排热间的平衡构成了地球的温度。譬如，当热辐射变慢时，平衡只能在地球温度升高时才得以保持。今后50年里，由于空中浮游污染物的累积——比较主要的有二氧化碳、甲烷、一氧化氮和含氯氟烃，将导致气候的显著变化。由于这些所谓的温室气体抑制了地表热量的释放，整个地球将变暖。而全球变暖又将引发与地球气候系统相关的一系列变化：热量流、风和洋流、降水分布等的变化。指出这些具有重大意义的事态发展前景对于调整基本的气候要素，增进对辐射平衡的了解及这种平衡对云效应的相关性都是至为重要的。

气候变化的险恶性主要不在于其自身的变化而在于其快速性。地质史记录足以表明曾发生的气候变化的规模同人们现在的估计很接近，但以往的气候变化十分缓慢以致绝大多数物种都能适应。相比较，现今的尚无前例的温室趋暖现象是一种仅在几代人时间里发生的一种骤变，这种骤变将使人类和整个经济发生混乱。例如，由于全球的绝大多数人口都居住于沿海地区，那么由冰川消溶所引发的海平面上升无疑将迫使数以亿万计的人们向内陆迁移。再如，若剧烈的暴风雨频频发生，无疑将对水路、航空货运构成极大威胁。平均温度的改变及季节性变化也将使能量的需求产生变化，全球对中东石油运输线畅通的强烈关注清楚地表明，一旦这种供应因气候因素受阻将会对全球的政治和经济产生何种后果。

然而，尽管精确地预报天气变化变得异常迫切，但由于目前对气候的变化机制仍缺乏了解，所以期望气象学家们精确地预报何时、何地将发生何种气候变化显然是勉为其难了。全球气候是一个如此复杂的系统以致没有一个人能明确指出，即使是温度的略微升高将对气候产生何种变化——风、降雨、洋流，冰帽或植被，或者这种气候变化将如何影响气候变暖的速率。再者，这类气候变化特征中的任何一种也将影响云的分布和性质，而对云的了解更是欠缺，没有一位气候学家能说出，云的变化将减缓还是强化气候变暖趋势。云可能加速全球变暖的某种可能性促使人们去揭示云的奥秘——这一古老的课题。

云何以影响天气变化？作为一个待揭之谜、其核心是云对行星的冷、热作用，一如云本身的特性是由冷却和加热确定的那样。冷却性质是不难理解的：云中微小的水珠或冰粒能将入射日光的30~60%反射回去，反射的光线呈白色（大型水体，如湖、海洋由于吸收的日光远较它们散射的日光为多，故呈暗黑色）。在万里无云的晴天，地球吸收的太阳热能要较其他天气下地球吸收的热量高20%以上。为达到辐射平衡，地球必须升温约-5.6°C（华氏22度）。云通过将日光回射到空间来冷却行星；而在夏日的海滩，为达冷却目的，必须反射得更多。

然而，冷却效应由于某种抑制因素而大打折扣。通过吸收地表产生的热量和将这部分热量再辐射到地表，云减少了辐射到空间的热量。整个聚热过程如同覆盖层并降低了地表冷却的速率。覆盖效应（blanketing effect）使地球增温华氏13度（-10.5°C），这样，云对气候的净效应院地表降温约华氏9度（-12.8°C）。据此，可以推断，由于温室气体而形成的较高的地表温度（这样也使热量辐射减慢），不会产生什么变化。但如果辐射平衡失衡（作为气候反应的一部分），云会发生变化吗？

如果云的冷却效应比云的热效应增加得快得多，则云虽可减少热量，但将加速其形成。如果两种效应都减小，则往往冷效应的减小比热效应减小要少。若冷效应比热效应增加得少（或减少得多），那云的变化将增大最终变暖的规模但却推迟其到来。无论何种情况，重要的仅是云的冷热效应间的差异。

由于存在如此多的变化几率，气候学家必须知道广及整个地球上空的云是如何响应的。确定全球气候的计算模式响应信号将有助于探索今后几十年乃至更长时间尺度的天气变化条件。

气候模式是一组描述一定时空内地球大气特性以及其变化方式的数学公式。气候模式面临的挑战是要极精确地计算出最重要的物理过程及其复杂的相干性，以作出未来几十年内的气候预报。当现有的气候模式给出地球的即时参数：大陆的尺寸、形状和地形；大气的组分；全球的光照量时，实际上已经实现了以数学模拟真实情况的人造气候。这种模式能预报出现实世界中10~15%程度的风，雨、温度、云量和辐射平衡态。

遗憾的是，该模式对要作出可靠的有关全球变暖的预报而言，实在是误差太大。根据未来50~100年内，大气中的二氧化碳含量将增加1倍的预测，地表的辐射平衡也只有2%的改变。而若按上述气候模式，即使这种微小的变化也将使全球升温华氏4~9度（-15.6~-13 ℃），并可能伴以一些潜在的变化。如果2%的变化能造成如此差异，那么气候模式必须精确到0.5%的范围内。现有的模式必须被证明在精度方面提高了10倍以上，才可能为揭示云的奥秘提供更多更精确的数据。

云是由地表水蒸发再经凝结成空中悬浮微粒——尘、海盐和大量有机物质时构成的。在蒸发和凝结之间，水蒸气随风从湿热地带漂移到寒冷干燥区。由于除云外，大气基本上是可被日光穿透的，因此地表可吸收地－气系统所纳入的总的太阳热量的70%，从而使地表周围空气的热量高于高空（距地面1500~6000米），且由于照到行星上的日光绝大部分是在赤道附近，热带区就比极地区热。

两种温度梯度——从低空到高空和从低纬度到高纬度的温度变化，由于水汽辐射冷暖效应和随着水从液态或固态转变为气态等而得以增大。入射日光的波长为200~3000毫微米（1毫微米约为10亿分之1米），水汽在此波长范围内是透明的，实际上，它纳入了所有的能量。当热辐射的波长达3000~100000毫微米时，温暖的地表向外辐射所吸收的能量。不同于入射辐射的是，这种外辐射是经由水汽吸收的，水汽吸收了绝大多数外辐射热能，由此形成了地球的天然温室效应，这一效应又由于污染得以强化。若无大气水汽，地表温度将平均下降华氏55度（2.8°C），且高、低空和极地、赤道间的温差将缩小。

某些由地表（主要为大洋）蒸发的水冷凝成云并最终呈雨、雪降落，这种转换过程不仅是对水的再分布而且对全球的热量转移有重要作用。当地表水蒸发时，所需的将液态水转变为气态的热量由地表吸收并随着水汽一起带入空气中，当水汽凝成云并呈降雨时，这一过程又将热量（又称潜热）释放到空中。

大气科学家在过去几十年间已掌握了大量有关云如何在地球的辐射驱动（radiation-driven）系统中形成和转移的信息。在过去十年里，试图作出未来一至几星期内的短时天气预报的努力已使研究人员把注意力集中到云如何影响地球的辐射平衡的问题上。专家们现在意识到，传统的全球气候计算模式只提供了很简单的有关云及其效应的图景，部分原因是2缺乏对全球云的详细描述。

最早预测云量变化如何影响温室暖化的工作得到这样的结论：云量不具有净效应，云既不能加速也不能减缓正在发生着的天气变化。这一结论是基于这样一种认识，即任何使云处于冷却状态的变化同样也能使云在近地表处有效地维持热量。例如，若云量增加，照射到地表的日光总量将减少，但被云遮盖的热辐射却可能增加到同等量。

由于太阳加热率减少将影响地表温度，热辐射排放的变化也将影响高空气温，更多的云景将改变地表和高空间的温差，由此形成大风，而风量的任何减弱都有可能抑止云的生成。

另一种观点认为，较高的气温有助于形成密云，因为高温下的高蒸发率将形成更多的适于云凝结的水汽。由于密云能反射更多的日光，就产生了某种冷却增强效应。另一方面，密云也可能使降雨增多，当然这里所谓的密云很可能是指风暴云，其云端特别高且冷。这种吸热性能特强的风暴云将更多地遮蔽日照，在这种情况下，暖热量将增大。

约在20年前，大气科学家就意识到云的复杂效应对了解气候变化构成了莫大障碍。1974年，在斯德哥尔摩召开的国际气象会议上，强调要把对云的研究列为当今两大气候研究课题之一（另一项是对洋流的研究）。目前，获取更多有关云及其辐射效应信息的工作作为世界气候研究计划的一部分正在进行中。1983年以来，国际卫星云气候计划已通过地面气候观测站和气象卫星搜集了多种资料并形成了两个全球性常年数据库。基于地表气候观测建立的数据集描述了更多的传统的伴生于各种气候的云的特征，它延伸了时间尺度。卫星所提供的数据集给出了某些能确定云和辐射相互作用的关键变量的测量值。由飞机和高空气球在地面上空进行的野外观测将为搜集和分析全球数据提供补充。例如，雷达和光达（光雷达）可提供有关云结构的信息。美国、欧洲、日本和俄罗斯已经开始了这方面的研究，澳大利亚、巴西和中国也有了详细的计划。

对所有这些数据的透彻研究将持续多年。当然这一工作也将引出一些新的试验。例如，对美国西海岸之外的大洋上空的低层云的研究提示，大气污染会改变云的物理结构。空中悬浮粒子数量增加时，云中的微滴量也将增加，因为每一粒子如同核，微滴正是绕核而成，微滴量的增多就改变了云反射日光的通路。

进一步的研究正集中在高卷云方面，高卷云被认为在温室效应中起着重要作用。在美国威斯康星州和欧洲进行的对高卷云的测量结果表明，这种云的存在量远比专家们认为的要多，只是大多数这种云从地面上难以看到而已。威斯康星州上空的云含有数量惊人之多的微冰晶，微冰晶比大颗粒能反射更多的日光。这样，至少对高卷云来说，其辐射的冷效应要比以前想象的要强得多。

新近完成的全球数据组表明，云覆盖了星球的60%，但却只有10%多一点的云被人们注意到。比之大陆，海洋是更大的人造云场所。空中水分中约有67%呈云状，被云覆盖的地区大半为浓密的阴天，地球陆地部分的近一半通常被云遮盖，而其中又有约15%是为密云所盖。相反，大陆地表的约三分之一（约为海洋面积的8%）是无云的碧空。云区范围的温度平均比地表温度低华氏35度（1.6°C）。云反射了20~30%的日光。比这种数据更令人感兴趣的是，如此大范围的云何以能随所处位置、随一天的时间，随改变着的气候，同时也随季节而变化。例如海洋上空的云与陆地上空的云就大相径庭。海洋顶部的云约比陆地上的云低1公里，海洋上方的云反射的日光也比陆地上的云少10%。此外，在低纬度的海洋上空，晨云比午后云更常见，晨云的日光反射性最佳、而陆地上方的云则在午后反射性最好。

云也随与赤道的距离而变化。浓云密布区是热带和温带区；亚热带和极地区域的云量要少10~20%。热带云顶的高度比中纬度地区高出1~2公里，比亚热带和极地区高出2公里以上。已经发现，高纬区的云所具有的反射性要较其他地区的云高出一倍。

任何试图测定这种变化的努力都必须考虑到该地区拥有的云的种类。以风暴云为例，它在热带经常形成雷暴云砧，其范围从地表至12~15公里的高空。类似的雷暴云常见于低压温带区域，但其高度仅达7~10公里。其他区带，雷暴云砧就鲜见了。

气象学家多年来一直把大范围的云量、高云顶和浓密、反射性较好的云与强劲的风暴多发区联系起来，热带和中纬度低压区都是这种恶劣天气的易发区。风暴的频率和强度与平均风速、风向、温度、湿度、日光、地形等气候要素相关。将云层变化的卫星观测图与气象数据相比照，有可能建立起这些气候条件与云的冷、热效应的相干性。

尽管在气候条件和某些种类云的辐射性能之间存有一些简单的关连性，但预测各种类型云的全球分布何以随全球变暖而改变又由于区域风系的交互作用而趋于复杂化。可以考虑一下云在季节气候变化中的作用。在中纬地区的冬季，太阳加热明显下降，地表附近的气温相应降到太阳加热降低量的70~80%，很可能是大量的冬云截留了热量。在热带，尽管在雨季时，云量惊人地大，但地表温度仅有微小的季节性变化，范围也很小，原因是热带云在热量上和在太阳辐射上的效应基本上相互抵销了。

更进一步的有关云和气候数据的探求将与气候模式的精确化同步进行。这是一个渐进的过程：每一个新信息都必须被综合考虑，随着新的调查结果的获得，模型本身还得修正，其结果是日益精确地理解对应于外力的云的变化是如何灵敏，这些变化对全球变暖将产生何种效应。可以寄予希望的是，模型建立和数据采集将有助于在变化发生前更好地了解气候的变化。

[The Science，1991年11月号]