基于POLDER卫星数据量化气溶胶-云相互作用中云滴谱离散效应的全球影响

本研究针对气溶胶-云相互作用(ACI)中云滴谱离散效应(DE)缺乏全球观测量化的问题，通过开发物理机制驱动的方法结合POLDER偏振卫星数据，首次实现了液态层状云中DE对ACI影响的全球观测量化。研究发现DE通过改变云滴谱形状(β)可抵消7%的云滴数浓度效应(DONd)，并增强1.4%的液态水路径调整效应(DOLWP)，所建立的全球云滴谱参数化方案为气候模型纳入DE效应提供了关键依据。

　　

云层作为地球的"遮阳伞"，其反射阳光的能力直接影响全球气候。然而这把"伞"的遮阳效果正被人类活动排放的气溶胶悄悄改变——气溶胶通过增加云滴数量使云层更明亮（Twomey效应），但鲜为人知的是，气溶胶同时会改变云滴大小的分布格局，这种被称为云滴谱离散效应(DE)的现象长期缺乏全球尺度的量化评估。中国科学院大气物理研究所联合荷兰空间研究所等团队在《Nature Communications》发表的研究，利用POLDER卫星独特的偏振观测能力，揭开了DE对气候影响的全球图景。

研究团队开发了基于物理机制的量化方法，主要采用三项关键技术：1) 基于神经网络算法(POLDER-NNs)从多角度偏振测量反演连续云滴有效半径(R_e)和有效方差(V_e)；2) 通过γ分布理论建立云滴谱参数β与卫星观测量的数学关系；3) 结合蒙特卡洛方法量化反演不确定性。研究覆盖60°S-60°N范围内占样本78%的液态层状云，通过1°×1°网格的全年数据分析。

【全球DE对ACI影响的分布特征】

卫星直接观测显示，云滴有效半径(R_e)和有效方差(V_e)存在显著地域差异。计算得到的云滴谱参数β_P与单位云滴液态水含量(LN_P)呈现明显陆海差异——陆地区域平均LN_P(5.2 ng)低于海洋(7.3 ng)，但β_P略高(1.098 vs.1.095)。通过网格化拟合发现，参数b（表征DE强度）在人为气溶胶影响显著区域（如东亚、北印度洋）绝对值更大，表明这些区域云滴谱对气溶胶变化更敏感。

【DE对ACI的整体影响评估】

全球数据拟合得到β_P=0.68LN_P^-0.024的幂律关系，据此推算DE可抵消7.2%的云滴数浓度效应，同时增强1.44%的液态水路径调整效应。陆海对比显示，海洋区域DE效应更强（DON_d=8.7% vs 陆地7.5%）。预分箱法拟合进一步验证了结果的稳健性，但发现陆地大云滴反演不确定性可能弱化β-LN相关性。

【与传统研究的对比】

相较早期飞机观测给出的DE抵消效应范围(10-80%)，本研究结果(6.6-7.8%)与最新气候模型估算(-13%至35%)更为吻合。特别值得注意的是，不同于区域飞机观测获得的参数b存在正负分歧，卫星数据呈现97%网格点b为负值，这反映了卫星观测捕捉大尺度主导规律的特性。

研究通过因果中介分析证实，气溶胶指数(AI)增加会通过降低单位云滴液态水含量(LN)的介导途径，最终导致β增加（中介效应占比47.4%），这为DE的物理机制提供了观测证据。建立的全球云滴谱参数化方案，弥补了以往区域飞机观测参数化在气候模型中应用的局限性。

这项研究首次从全球尺度量化了DE对ACI的实际影响，揭示其抵消Twomey效应的程度与增强液态水路径调整的幅度。所发展的方法突破了传统卫星反演固定V_e的局限，为气候模型中云微物理过程的精确表征提供了新工具。研究强调，当前气候评估中普遍忽略DE可能造成辐射强迫估算偏差，未来需将这一非次要效应纳入气溶胶气候强迫的完整评估框架。特别在人为气溶胶影响显著区域，DE效应更强的发现提示区域气候响应可能存在被低估的调节机制。