尾迹卷云的全球辐射强迫外文翻译资料

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尾迹卷云的全球辐射强迫

航空引起的云量是由卷云（其中一个子集是线状）以及自然卷云的出现或性质的变化组成的，由飞行器烟灰排放导致的对流层上层中存在线状卷云和增加的冰核浓度引起。观察表明，这些变化可能对卷云云量有显着影响。辐射强迫--由特定的强迫剂引起的大气辐射不平衡的度量--由于航空引起的云量已经被估算出来从在2005年的大约10到80 mW m^-2范围的卷云云量中观测到的趋势（参考2-4）。

线形卷云最初在巡航机后面形成线性尾迹，并在有利的气象条件下转变为卷云一般的云或云团，偶尔会覆盖大的水平区域。线性卷云在卫星观测中被追踪长达17小时。它们仍然保持线形的，因此容易与自然卷云区分开来，但只占其寿命的一小部分。在没有尾迹的情况下，飞机烟灰排放对卷云的影响取决于烟粒 - 颗粒排放的冰核特性和冰激活数量浓度。这两个参数都非常不确定，而气候模型中飞机烟灰对卷云的影响已经显示出在卷云冰粒数浓度方面具有统计学意义，目前这还不能用于辐射强迫。

尾迹卷云由冰晶组成--与自然卷云相似--反射太阳短波辐射，捕获射出的长波辐射。对于固定环境条件，其辐射效应主要由其覆盖范围和光学厚度决定。尾迹卷云形成并持续在空气中是冰饱和的，而天然卷云经常需要高的冰过饱和来形成。这意味着在对流层上部的很大一部分里，尾迹卷云可以持续存在于无云的过饱和空气中，从而增加高云覆盖率。据遥感研究估计在空中交通繁忙的地区，线形尾迹覆盖率只有百分之几。由于在卫星观测中难以与自然卷云区分，因此尾迹卷云的覆盖率尚不得而知。

2005年由于线形尾迹全球辐射强迫的量被估计达到10 mW m^-2（6-15 mW m^-2），科学理解程度较低。对于线形尾迹的全球辐射强迫估计 依赖于模拟尾迹形成频率对观察到的区域尾迹覆盖的衡量。假设缩放系数在空间和时间上是恒定的，可以推断出全球尾迹云覆盖率。这种方法不适合研究尾迹卷云的影响。目前的研究一直无法提供最佳的辐射强迫预测。

我们在全球气候模式ECHAM4（参考文献26;参见方法）中开发了一个基于过程的线性模块（CCMod），这个模块可以模拟持续性尾迹的生命周期。尾迹卷云存在并与天然云相互作用，根据其与自然云的重叠，这可以增加云的整体覆盖。在这里，我们使用我们的尾迹卷云模块来模拟尾迹卷云覆盖，相关的辐射强迫和自然卷云从而发生的变化。

尾迹卷云覆盖范围

由于尾迹卷云而引起的覆盖范围以及由于较小的尾迹（由此定义为长达5小时）的覆盖率如图1所示。因为年轻的尾迹最有可能仍然是线形的，年轻的尾迹可以覆盖的覆盖范围可能与卫星观测所推断的覆盖范围进行比较。使用最大的随机重叠方案，在北半球的大部分地区，尾迹卷云覆盖率（图1a）大约有百分之几。由于持续的年轻尾迹的覆盖率达到欧洲的2％，在美国的大部分地区超过1％（图1b），这与以前通过独立技术获得的线形尾迹覆盖率的估计一致。在中欧，尾迹卷云覆盖面最大，高达10％。尽管北美东部沿海的空中交通量与中欧一样大，但是前者的尾迹卷云覆盖率较低，只有6％。主要是5小时以上的尾迹覆盖在美国比欧洲小（见下文）。这主要是由于许多旧的尾迹由北大西洋航线平流输送向中欧地区，是有利于尾迹形成和持续存在的区域，而在美国东部几乎没有任何尾迹云平流。此外，美国的气温较高，减少了尾迹形成的可能性，因此，年轻尾迹的覆盖面也略小于中欧地区。在空中交通密度第三大地区的东南亚东海岸，新生尾迹覆盖率（年比变化幅度）达到0.2％，尾迹卷云覆盖率超过1％。全球平均尾迹卷云和新生尾迹覆盖率分别为0.61％和0.07％。因此，由于单独的年轻尾迹，因此尾迹卷云的覆盖范围大约是覆盖面的九倍。

尾迹卷云的覆盖范围（图1a）显着地超过了由于年轻尾迹（图1b）引起的覆盖。由于年轻的尾迹（图2）在总尾迹卷云覆盖率的占的百分比在全球达到0.11，在空间上是非常可变的。在北大西洋航迹的区域，只有少部分（0.1-0.15）的尾迹卷云覆盖率是由于年轻尾迹。中欧和美国东部的年轻尾迹部分占尾迹卷云覆盖的占比分别为0.15-0.25和0.25-0.4。在东南亚，大部分的尾迹卷云覆盖是由于年轻尾迹。

大部分卷云的光学厚度非常薄（太阳光学厚度lt;0.02），因此既不能被卫星探测到也不能从地面上被人眼看到。由于它们的丰富性，这种光学厚度薄的尾迹卷云的辐射效应可能不能忽略，这种辐射效应类似于光学厚度薄的天然卷云的影响。在较冷的地区（更远的北部），光学厚度薄的尾迹卷云的所占的部分较大，在主要飞行高度（230 hPa）这些地区的冰过饱和频率通常较大并且空气含水量较低。这意味着尾迹形成标准更为经常地被实现，但在这些领域形成和持续存在的尾迹不太可能在光学上变厚。因此，在欧洲光学厚度薄的尾迹卷云的占比要比美国，特别是东南亚高。当只考虑到超过阈值光学深度为0.02的尾迹卷云时，这些可见的尾迹卷云的覆盖范围在美国东部和中欧地区是相当相似的，分别高于3％和高达4％（图1c）。在东南亚，由于大气含水量较高，大部分尾迹卷云都是可见的并且可见的尾迹卷云的覆盖率达到0.5％，超过当地的1％。可见的年轻尾迹的覆盖率在美东南部和中欧地区达到1％并超过东南亚的0.2％。在全球范围内，由于可见的尾迹卷云的覆盖率达到0.23％，而与可见的年轻尾迹相关的覆盖率为0.04％。

尾迹 - 卷云光学深度和辐射强迫

在气候模式下在线计算了年轻的尾迹和尾迹卷云的平流层调整的辐射强迫（见方法）。前者的估计仅用于与以前的结果进行比较。由于CCMod不允许单独计算年轻尾迹的光学深度，所以我们假设年轻尾迹的光学深度（平均超过5小时）等于尾迹卷云（所有年龄的平均值）。没有可用数据可以估计年轻的尾迹和尾迹卷云之间的光学深度的差异，但是我们推测，这个假设可能导致低估年轻尾迹的光学深度和相关的净辐射强迫。

在全球范围内，由于尾迹卷云导致的长波的辐射强迫（被模型修正后的长波强迫的散射分量）在47.1 mW m-2，短波辐射强迫-9.6 mW m-2之间，导致净辐射强度为37.5 mW m-2。这包括线形尾迹的效果。全球平均尾迹卷云的光学深度为0.05。在美国东部和中欧地区，尾迹卷云的净辐射强度（图3a）的值达大于300mW m-2。在美国，欧洲大部分地区，北大西洋航线以及东南亚部分地区，净辐射强度超过了100 mW m-2。北半球大部分大气逆辐射强迫超过30 mW m-2。最大辐射强迫的最大值在尾迹卷云覆盖范围最大的区域被发现，但辐射强迫在尾迹卷云具有大的光学深度的区域得到增强（图3b）。这意味着对于固定的尾迹卷云的覆盖，辐射强迫在东南亚比在北部中纬度地区更大，在美国东部比中欧或北大西洋航线略大。

在全球范围内，由于年轻尾迹造成的长波辐射强迫达到5.5 mW m-2。这个估计与以前使用相同模型但是不同独立的技术的线状尾迹长波辐射强迫的估计一致。后者的估计略低，因为早期研究中随机重叠的可见线形尾迹的覆盖率（0.06％）略小于使用相同重叠假设（0.07％）的可见年轻尾迹的覆盖率。由于年轻尾迹的变化，短波辐射强迫在全球达到-1.2 mW m-2。这个值比忽略空中交通昼夜循环所获得的值大大约50％，这是因为大多数航班是白天航班。由于年轻尾迹的净辐射强度在全球范围内达到4.3 mW m-2，处于线形尾迹辐射强迫估计范围的下限。这可能意味着我们尾迹卷云的逆辐射强迫也被低估了。我们的短波和长波强迫估计之间的差异，在文献中可能是由于：（1）由参数化方案的差异导致的尾迹覆盖范围及其光学深度的空间和时间分布; （2）背景云场及其与尾迹的重叠; （3）飞行盘点及其参考年份使用。

尾迹卷云的全球辐射强迫的大约是年轻尾迹的九倍，成为与航空相关的最大的辐射强迫部分。重点要注意到的是，尾迹卷云比长期存在的温室气体寿命要短得多。当估计尾迹卷云对远程时间的影响时，生命周期长短的差异影响了尾迹卷云和其他强因子对气候变化的相对重要性。

在ECHAM4-CCMod（参考文献25）中有效的扩散率的不确定性引入了plusmn;5 mW m-2的尾迹卷云净辐射强迫估计的不确定性。对于尾迹卷云的光学厚度和冰颗粒形状，对飞行盘点和模型的辐射代码的旋转强度的敏感性可能类似于线形的尾迹。因此，我们估计，前两个变量的不确定性在ECHAM4中分别为〜25％（参考文献34）和〜15％（参考文献35）的尾迹卷云辐射强迫的不确定性。全球辐射强迫对飞行盘点的敏感度可能很小。此外，已经表明，由于尾迹的辐射响应在多模型平均值周围变化plusmn;22％。对辐射强迫的综合不确定性的估计将需要考虑不同不确定性之间的相互依存关系。

自然卷云覆盖和光学深度的减少

尾迹卷云改变了周围大气的水含量，因此可以对自然云产生影响。沉积在卷云内的冰粒上的水蒸气是不能再用于自然卷云中的形成和沉积。因此，尾迹卷云具有调节自然云的光学性质，延迟其起始和替代的潜在能力，这可能部分抵消了尾迹卷云直接的气候影响。 几乎没有人知道这些云和湿度变化。

我们使用ECHAM4-CCMod进行长期积分，并且不需要规定空中交通。在230 hPa的主要飞行高度，我们预计由于尾迹卷云覆盖范围最大，尾迹对自然云覆盖的影响最大，两个模拟显示主要交通区域的自然卷云覆盖率差异 （图4a）。在欧洲东北部和美国东海岸，可以发现自然卷云覆盖率降低约2％。在越过大西洋空中主要交通路线的西部，西非以西西海岸和东南亚主要尾迹卷云覆盖区域的西部，减幅在1％至1.5％之间。这些变化在95％显着性水平（考虑到连续相关性）时从零开始不同，东南亚的本地下降主要仅在90％水平。此外，在西伯利亚东部和北部，可以发现卷云覆盖率的统计学显着增加。 在这些地区，230 hPa的高度通常在平流层内。由于许多气候模式在极地下部平流层存在寒冷和潮湿的偏差是常见的，因此该模型对水分输入的敏感性比自然界预期的要高。因此，我们不会进一步讨论这个要素。自然卷云覆盖度下降的最大值一直处于尾迹卷云覆盖率的最大值的下降趋势（与图1a相比）。通过对一列垂直重叠的所有冰云计算的卷云覆盖度的变化（图4b）证实，由于存在卷云，自然卷云覆盖度降低。由于云覆盖的自然的变化大，这一下降幅度略有下降。我们注意到，北太平洋航迹上的自然卷云覆盖面也有明显的改变，西伯利亚在230 hPa高度上的卷云覆盖率的增加并不会导致该地区重叠的卷云覆盖面增加。

在当地，自然卷云覆盖率的减少（超过欧洲和美国）高达自然卷云覆盖率的10％，甚至达到尾迹卷云覆盖率的20％。此外，在北美和欧洲的主要尾迹卷云发生的地区，由于存在尾迹卷云，自然云的光学深度显着（95％显著性水平）降低了10％。

自然卷云覆盖率和光学深度的这两个变化都施加负的净辐射强迫（冷却），部分抵消了由于尾迹卷云引起的正净辐射强迫。反射率，海面温度，天然云等的大的自然变化性，都影响大气中的辐射通量，阻碍了自然卷云辐射强迫相对较小变化的独立。假设自然卷云覆盖率的下降约为全球尾迹卷云覆盖率的五分之一（我们发现在10％以下地区下游的自然卷云覆盖率下降了最多2％（1.5％）（6 ％）），由于这种自然卷云云量的变化所产生的反馈意味着冷却约五分之一的尾迹卷云的辐射强迫强度，即-7 mW m-2。这个估计是非常不确定的，需要进一步的工作来更可靠地量化反馈这个现象。

评估航空影响的意义

我们报告了一种基于模型的尾迹卷云对全球气候影响的估计，不仅包括年轻或线状的尾迹，而且还包括老化的不规则形状的尾迹，还包括卷云云量的变化。定义一种由于自然云反馈抵消的尾迹卷云辐射强迫导致由CIC引起的辐射强迫，导致CIC辐射强迫约31 mW m-2。由于CIC引起的净辐射强迫是最大的单一航空相关辐射的部份之一。在航空气候影响评估或减灾研究中，需要考虑到由于中投公司的这种辐射强迫以及气候影响的时间尺度得到评估或降低。由于CIC的这种辐射强迫以及其时间尺度对气候影响进行评估或分别在降低航空气候影响评估或减灾缓解研究中考虑的需求。

除了对尾迹卷云处理的不确定性外，我们的辐射强迫的估计也受到模式表现出的对上部对流层湿度和云层不确定性的影响。云受小尺度天气过程的影响，这些过程无法通过大尺度气候模式解决，因此需要进行参数化。云的表现是气候模拟中不确定性的主要来源。同样的问题也会影响尾迹卷云的表现。

辐射强迫估计的不确定性应该根据不同模型和尾迹卷云参数化的独立研究进行评估。降低对环境辐射强迫评估的不确定性需要更多更好的观察资料的集合。从长远来看，这一研究领域的进展需要对气候模型中的自然云和湿度进行高级表征和更适合的资料集合进行验证。

方法

这种尾迹卷云模式，CCMod在全球气候模式ECHAM4中引入了一个新的云类“尾迹卷云”。它是一种基于卷云覆盖率，长度和冰水混合比的预处理。控制尾迹卷云覆盖和性质的过程，尾迹卷云的转化形成低于阈值温度，平流，扩散和水沉积，升华和降水，在物理上是符合天然云的参数化的。在飞行距离中，只有一部分（由过饱和面积部分给出）导致持续存在的尾迹。 CCMod模拟了这些持续尾迹的生命周期。对比由风场使其平静，并保留在（并受限于）网格内的冰过饱和部分，假设持续的尾迹卷云主要形成在大面积持续的冰过饱和区域，例如前者区域，它们需要在其中保留很长时间。过饱和区域是由云方案给出的子网格尺度多变性的假设推断出来的。尾迹卷云的传播速度与垂直风切变及其垂直程度成正比。在自然界中，垂直程度取决于冰粒子的沉积，并受到过饱和层的厚度的限制。1小时后，CCMod的垂直方向上的范围设定为模型的层深（约700米），大致与观察结果一致。当冰水通过升华和降水减少时，尾迹相应的消失。在尾迹卷云云系中，部分覆盖率和长度的年轻尾迹（5年以下）被独立追踪，允许对纯粹验证目的的年轻尾迹的的覆盖率进行分析。由于年轻尾迹的冰水含量未得到独立追踪，禁止分析年轻尾迹的光学深度。

ECHAM4诊断云覆盖率的方案是基于相对湿度来算的，同时云中含水量是预测的。云粒子的下落速度取决于云中水含量。该模型的水估算已经改变去适应新的云系，从而模拟了自然卷云与之间尾迹卷云的可用水蒸气竞争。水汽凝结，升华，自然卷云和尾迹卷云的沉积和光学深度取决于

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