Những đám mây

Bằng việc phản xạ những bức xạ mặt trời trở lại không gian (hiệu ứng suất phản chiếu của những đám mây) và việc giữ lại tia hồng ngoại phát ra từ bề mặt trái đất và tầng đối lưu dưới( hiệu ứng nhà kính từ các đám mây), các đám mây đã sử dụng 2 hiệu ứng cạnh tranh nhau và ảnh hưởng đến nguồn bức xạ nhiệt của trái đất. Hai hiêu ứng này thường được gọi là 2 thành phần SW và LW của bức xạ cưỡng bức từ đám mây (CRF). Sự cân bằng của 2 thành phần này phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm các vi thể và thuộc tính của vi thể có trong đám mây. Đối với khí hậu hiện thời thì những đám mây gây hiệu ứng làm lạnh khí hậu. Trong sự đáp lại với sự nóng lên của khí hậu toàn cầu thì hiêu ứng làm lạnh của những đám mây có thể được tăng cường hoặc giảm bớt , do đó nảy sinh một sự phản hồi bức xạ tới sự

ấm lên của khí hậu (Randall ..., 2006; NRC, 2003; Zhang, 2004; Stephens, 2005; Bony ..., 2006).

Trong nhiều mô hình khí hậu sự mô tả chi tiết những đám mây có thể ảnh hưởng đáng kể đến sự ước lượng mô hình của sự phản hồi đám mây và độ nhạy của khí hậu (... Senior and Mitchell, 1993; Le Treut..., 1994; Yao và Del Genio, 2002; Zhang, 2004; Stainforth ..., 2005; Yokohata...., 2005). Hơn nữa sự mở rộng của những ước lượng về độ nhạy của khí hậu trong các mô hình hiện nay chủ yếu xuất hiện từ những sự khác nhau liên mô hình trong những sự phản hồi (Colman, 2003a; Soden và Held, 2006; Webb ..., 2006 ; mục 8.6.2, phần 8.14). Bởi vậy sự phản hồi còn lại từ các đám mây là nguồn lớn nhấtt của sự không chắc chắn trong những ước lượng về độ nhạy của khí hậu.

Trong mục này sẽ :

- Đánh giá sự tiến bộ từ TAR trong những hiểu biết những quá trình vật lí liên quan trong những phản hồi từ đám mây (mục 8.6.3.2.1)

- Giải thích phạm vi của phản hồi từ đám mây để đánh giá những mô hình khí hậu hiện tại (mục 8.6.3.2.2)

- Đánh giá mô hình những phản hồi từ đám mây sử dụng những quan sát (mục 8.6.3.2.3)

8.6.3.2.1. Sự hiểu biết về những quá trình vật lí liên quan trong sự phản hồi từ đám mây

Sự u ám của bầu trời liên quan đến những đám mây các loại trên phạm vi rộng lớn tồn tại ở lớp dưới của tầng đố lưu. Để hiểu được những phản hồi từ đám mây cần có những hiểu biết về sự thay đổi khí hậu có ảnh hưởng đến phạm vi và thuộc tính bức xạ của những đám mây khác nhau và ước lượng những tác động của những sự thay đổi này đối với nguồn bức xạ chung của trái đất. Từ TAR trở đi đã có những tiến bộ trong việc phân tích những quá trình vật lí liên quan tới những phản hồi từ đám mây, nhờ vào sự phân tích kết hợp giữa sự quan sát những mô hình quan niệm đơn giản, những mô hình phân tích mây và GCM (tổng quan theo Bony ...,2006). Những kết quả chính được trình bày dưới đây.

Một vài cơ chế liên hệ ngược từ khí hậu đến những đám mây ở tầng đối lưu dưới đã được khảo sát. Hartmann và Larson (2002) cho rằng sự tăng nhiệt độ của những đám mây nhiệt đới thực chất độc lập với nhiệt độ bề mặt (giả thuyết nhiệt độ đệm cố định) và nó sẽ là phần không đổi khi khí hậu thay đổi. Đề xuất này phù hợp với mô hình phân tích mây chỉ ra trong việc ấm lên của khí hậu. Những mặt cắt ở giữa và trên tầng đối lưu, sự ngưng tụ và độ ẩm tương đối đều thay đổi theo chiều cao cùng với nhiệt độ (Tompkins và Craig,1999). Mặc dù vậy giả thuyết này chưa được kiểm tra bằng quan sát hoặc những mô hình phân tích mây có được sự phân tích theo phương hẳng đứng tốt đối với tầng trên của tầng đối lưu . Những phản

ứng các thành phần của đệm mây để thay đổi nhiệt độ vẫn là một chủ đề tranh cãi . Giả sử rằng sự tăng nhiệt độ do hiệu quả ngưng tụ của các đám mây đối lưu làm giảm bớt lượng hơi nước trong tầng đối lưu trên, Lindzen...(2001) cho rằng ở vùng nhiệt đới che phủ bởi đệm mây có thể giảm với sự tăng lên của nhiệt độ, điều đó có thể dẫn đến việc phủ định những phản hồi từ khí hậu. Nhiều sự phẩn đối nhằm vào những khía cạnh khác nhau của số liệu quan sát được cung cấp cho đến lúc này (Chambers ..., 2002; Del Genio và Kovari, 2002; Fu ..., 2002; Harrison, 2002; Hartmann và Michelsen, 2002; Lin..., 2002, 2004), dẫn đến những tranh luận mạnh mẽ với tác giả của giả thuyết (Bell..., 2002; Chou ..., 2002; Lindzen ..., 2002 ). Những nghiên cứu các khả năng khác (Del Genio và Kovari, 2002; Del Genio ..., 2005b) đưa ra giả thuyết về sự tăng nhiệt độ bề mặt và sự che phủ mây tầng đối lưu. Những đám mây ở lớp gianh giới có tác động lớn đến nguồn bức xạ (..., Harrison ..., 1990; Hartmann.., 1992) và bao phủ phần lớn đại dương toàn cầu (..., Norris, 1998a,b). Việc hiểu rõ làm sao chúng có thể thay đổi trong sự hỗn loạn của khí hậu là vấn đề sống còn của phản hồi từ đám mây. Việc quan sát mối quan hệ giữa số lượng đám mây ở tầng thấp và độ ổn định chi tiết của tầng đối lưu thấp (Klein và Hartmann, 1993), mà được sử dụng trong một số mô hình khí hậu đơn giản trong việc tham số hóa lượng mây ở lớp gianh giới của một số mô hình GCMs (., CCSM3, FGOALS) đưa tới giả thuyết rằng sự nóng lên của khí hậu toàn cầu có thể liên quan tới sự gia tăng mức độ che phủ của những đám mây ở tầng thấp mà nảy sinh những sự phủ định những phản hồi từ khí hậu (..., Miller, 1997; Zhang, 2004) . Tuy nhiên những phương án xác định mức độ ổn định của tầng đối lưu thấp mà có thể dự đoán lượng mây ở lớp gianh giới như Klein và Hartmann thực hiện (1993), có thể không cần thiết phải sự gia tăng của những đám mây ở tầng thấp trong sự nóng lên của khí hậu (..., Williams..., 2006 ). Hơn nữa những quan sát cho thấy rằng những khu vực bao phủ bởi những đám mây ở tầng thấp , sự giảm sút độ đậm quang học và SW CRF như sự gia tăng của nhiệt độ (Tselioudis và Rossow, 1994; Greenwald ...., 1995; Bony ...., 1997; Del Genio và Wolf, 2000; Bony và Dufresne, 2005) nhưng các yếu tố khác mà có thể giải thích được những quan sát này là không thật sự chắc chắn. Bởi vậy những hiểu biết về những sự quá trình vật lý mà đièu khiển những phản ứng của những đám mây ở lớp gianh giới và thuộc tính bức xạ của chúng tới sự thay đổi khí hậu còn rất hạn chế.

Ở những vùng giữa của khí quyển được cấu tạo trong hệ thống thời tiết chung với sự ảnh hưởng của độ dày , những đám mây đỉnh ,đối diện trong vùng. Đối với NH ,một vài mô hình khí hậu thông báo sự giảm sút tần số những cơn bãp nhiệt đới và sự gia tăng cường độ cơn bão trong sự phản ứng với việc khí hậu nóng lên (..., Carnell và Senior, 1998; Geng và Sugi, 2003) và sự dịch chuyển vệt bão tới địa cực (Yin,2005) . Sử dụng những quan sát và sự phân tích để điều tra những động lực cho sự thay đổi được tìm ra bởi Carnell và Senior (1998) có thể có được dựa vào nguồn bức xạ hồng ngoại (NH) Tselioudis và Rassow (2006) cho rằng sự gia tăng sức mạnh của những cơn bão có thể có một tác động bức xạ lớn hơn so với sự suy giảm

tần số những cơn bão và điều này có thể làm tăng sự phản xạ của bức xạ sóng ngắn (SW) và giảm lượng bức xạ bước sóng dài (LW). Tuy nhiên sự chuyển dịch của những vệt bão địa cực có thể giảm lượng bức xạ phản xạ SW (Tsushima ..., 2006). Ngoài ra trong những nghiên cứu sử dụng những quan sát để điều tra sự phụ thuộc của thuộc tính bức xạ của đám mây ở vùng giữa vào nhiệt độ Del Genio và Wolf (2000) chỉ ra rằng bề dày vật lí của những đám mây lục địa ở tầng mây thấp giảm khi nhiệt độ tăng, kết quả này đưa dến sự giảm sút nước trong mây và bề dày quang học như sự gia tăng về nhiệt độ, Norris và Iacobellis (2005) cho rằng qua NH đại dương , một sự thay đổi đồng dạng trong nhiệt độ bề mặt có thể là nguyên nhân dẫn đến giảm lượng mây và bề dày quang học trên phạm vi rộng trong những điều kiện động lực. Những dấu hiệu của những phản hồi về bức xạ thay đổi khí hậu liên quan đến những hiệu ứng tổng hợp của những sự thay đổi động lực và nhiệt độ trong những đám mây nhiệt đới vẫn còn nhiều điều bí ẩn.

Vai trò của những sự phản hồi từ đám mây cực trong độ nhạy của khí hậu đã được nhấn mạnh bởi Holland và Bitz (2003) và Vavrus (2004). Mặc dù vậy những phản hồi đó còn khá nghèo nàn.

8.6.3.2.2. Giải thích phạm vi của những phản hồi từ đám mây trong số những mô hình khí hậu

Những thí nghiệm cân bằng CO2 khí quyển kép thực hiện bằng những mô hình đường kết hợp khí quyển - đại dương cũng như trong sự hợp nhất biến đổi khí hậu nhất thời thực hiện bằng những mô hình khí quyển - đại dương kép đầy đủ , những mô hình trình diễn trên quy mô lớn của những phản hồi từ những đám mây toàn cầu , với khoảng một nửa những mô hình khí hậu dự đoán một CRF âm trong việc phản ứng lại với sự nóng lên toàn cầu và một nửa dự đoán ngược lại (Soden và Held, 2006; Webb..., 2006 ). Vài nghiên cứu cho rằng những dấu hiệu phản hồi từ các đám mây có thể không nhất thiết do những thay đổi CRF (Zhang..., 1994; Colman, 2003a; Soden..., 2004 ) bởi sự đóng góp của những thay đổi bức xạ bầu trời quang đãng (...hơi nước,nhiệt độ ,những thay đổi suất phản chiếu bề mặt ) dẫn tới sự thay đổi CRF . Phương pháp sự hỗn loạn bức xạ cục bộ mà loại trừ sự thay đổi bầu trời quang đãng từ sự xác định thông tin phản hồi từ đám mây ước đoán rõ ràng thông tin phản hồi đám mây , với mạng lưới toàn cầu trong thực tế tất cả các mô hình (Colman, 2003a; Soden và Held, 2006). Tuy nhiên những ước lượng phản hồi từ đám mây ước đoán từ sự thay đổi trong CRF hoặc trong phương pháp PRP có được mối tương quan tốt (những mối quan hệ chính có sự tương đồng) và chúng trình bày một sự mở rộng tương tự trong các GCMs.

Bằng việc phân hóa những phản hồi từ GCM vào trong những khu vực thành phần hoặc những chế độ động lực, sự tiến bộ thực sự đã được tạo ra trong việc giải thích phạm vi của những phản hồi đám mây thay đổi khí hậu. Sự so sánh AOGCMS kép được sử dụng cho các dự án khí hậu được trình bày ở chương 10 (Bony và Dufresne, 2005) , những phiên bản của khí quyển hoặc đại dương của GCMs hiện

thời (Webb..., 2006; Williams ..., 2006; Wyant..., 2006) hoặc những mô hình cũ hơn (Williams..., 2003; Bony..., 2004; Volodin, 2004; Stowasser ..; 2006) chỉ ra rằng những sự khác biệt liên mô hình trong phản hồi đám mây phần lớn là do thành phần SW phản hồi đám mây và phản ứng với sự nóng lên toàn cầu của cả những đám mây đối lưu sâu và những đám mây ở tầng thấp khác giữa các GCM. Những sự phân tích gần đây cho thấy rằng những sự phản xạ của những lớp mây lớp gianh giới đóng góp lớn nhất cho phạm vi phản hồi đám mây biến đổi khí hậu giữa các GCM hiện thời (Bony và Dufresne, 2005; Webb...., 2006; Wyant ..., 2006). Nó con dẫn tới những những xung đột lớn trong việc đánh giá phản xạ bức xạ bởi những mô hình tại những khu vực bị chi phối bởi sự che phủ bởi ciủa những ấm mây ở tầng thấp (Hình 8.15) và đến những khu vực rộng lớn của địa cầu che phủ bởi những vùng này. tuy nhiên sự phản xạ của các loại mây khác nhau cũng quan trọng bởi vì ,mỗi loại mây này có thể làm tăng thêm hoặc làm yếu đi những bức xạ phản xạ từ những đám mây ở tầng mây thấp. Sự mở rộng của những mô hình phản hồi từ các đám mây là quan trọng ở tất cả các phạm vi và hướng tới vùng nhiệt đới rộng lớn hơn(Bony ...., 2006; Webb...., 2006). Những sự khác nhau trong hỗn hợp các đám mây và trong sự chuyển dịch vĩ độ của các vệt cơn bão dự đoán bằng những mô hình cùng với sự khác nhau liên mô hình trong phản xạ CRF đến biến đổi khí hậu, đặc biệt trong bão nhiệt đới (Tsushima ..., 2006).

Hình 15 : Độ nhạy (tính bằng Wm-2 oC-1) bức xạ cưỡng bức từ đám mây (CRF) của lưới nhiệt đới tới SST thay đổi liên quan đến sự nóng lên toàn cầu (mô phóng bằng lượng CO2 tăng theo 1% yr-1). Những mảnh ghép cho thấy tính nhạy cảm trung bình nhiệt đới Σ được dự đoán bởi 15 AOGCM sử dụng trong báp cáo này : 7 mô hình dự đoán Σ < 0 và 8 mô hình dự đoán Σ > 0. Tại ô chính so sánh độ nhạy CRF với SST dự báo bởi 2 nhóm của những mô hình trong những chế độ khác nhau trong quy mô lớn (500hPa tốc độ nén thẳng đứng được sử dụng cho sự

chuyển động quy mô lớn, với những giá trị âm tương ứng với sự tăng lên của quy mô chuyển động, với những giá trị dương ứng với quy mô giảm chuyển động ). Những nét đậm và những đường thẳng đứng đại diện cho giá trị trung bình và độ lệch chuẩn cho đọ nhạy mô hình bên trong mỗi nhóm , những đướng chấm đại diện cho giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của độ nhạy của mô hình bên trong mỗi chế độ động lực. Sự chênh lệch giữa 2 nhóm của các mô hình lớn nhất ở các chế độ của sự giảm bớt quy mô. Những cơ chế này có một số lượng thông kê lớn ở khu vực nhiệt đới được bao phủ bởi những đám mây lớp gianh giới lớn . Như một kết quả của sự mở rộng phản hồi từ đám mây nhiệt đới trong số các mô hình xuất hiện từ sự khác biệt liên mô hình trong phản xạ của tầng mây thấp trong những chế độ cảu giảm bớt quy mô (Hiệu chỉnh bởi Bony và Dufresne).

8.6.3.2.3. Đánh giá những phản hồi từ đám mây phát sinh từ các mô hình khí hậu

Những đánh giá về các đám mây trong những mô hình khí hậu được dựa vào sự so sánh của quan sát và mô phỏng khí hậu học của TOA dòng bức xạ và tổng lượng mây (xem ở mục 8.3.1). Tuy nhiên việc thu được kết quả tốt từ việc quan sát số lượng lớn có thể đưa đến từ việc bù trừ những sai số. Từ TAR và một phần vì sử dụng mô phỏng của dự án vệ tinh khí hậu quốc tế (ISCCP): mô phỏng bởi (Klein và Jakob, 1999; Webb ...., 2001) đánh giá mô hình đám mây được làm với nhiều loại mây và các thuộc tính của chúng (Klein và Jakob, 1999; Webb ..., 2001; Williams..., 2003; Lin và Zhang, 2004; Weare, 2004; Zhang...., 2005; Wyant.., 2006 ). Những mô hình đã trở nên tốt và ổn định hơn. Ngoài ra những cách quan sát mới được áp dụng cho GCMs, sử dụng những kĩ thuật xếp nhóm và kết hợp, để chuẩn đám những lỗi trong việc mô phỏng chế độ mây đặc biệt hoặc trong những điều kiện động lực cụ thể. (Tselioudis ..., 2000; Norris và Weaver, 2001; Jakob và Tselioudis, 2003; Williams ..., 2003; Bony ...., 2004; Lin và Zhang, 2004; Ringer và Allan, 2004; Bony và Dufresne, 2005; Del Genio...., 2005a; Gordon..., 2005; Bauer và Del Genio, 2006; Williams...., 2006; Wyant ..., 2006). Việc thử nghiệm những quan sát tập chung vào phản ứng của trái đất do biến đổi các đám mây theo mùa đã được đề xướng để ước lượng những phản hồi đám mây mô hình (Tsushima .., 2005) nhưng nó vẫn chưa được áp dụng cho những mô hình hiện thời.

Những nghiên cứu nổi bật này thường thiên về mô phỏng những đám mây bằng các mô hình hiện thời (Zhang ..., 2005). Tuy nhiên sự không chắc chắn còn lại trong việc xác định căn cứ trên sự quan sát số lượng tương đối các loại mây khác nhau (Chang và Li, 2005). Ở phạm vi chính giữa những sự sai lệch này đã được giải thích như kết quả của sự phân tích thô của các mô hình khí hậu GCMs. Kết quả của chúng thiếu khả năng để mô hình hóa một các đúng đắn sự tuần hoàn của khí hậu. (Bauer và Del Genio, 2006) . Mặc dù những sai số trong mô hình hóa các loại mây khác nhau có thể bù trừ một cách ngẫu nhiên dẫn đến một dự đoán mà giá trị trung bình CRF phù hợp với những quan sát . (xem phần 8.3) . Chúng cộng gộp những cái không chắc chắn thành cái có thể tin được trong mô hình phản hồi mây ,

ví dụ như việc cho rằng sự phụ thuộc phi tuyến của suất phản xạ đám mây với độ sâu quang của đám mây, đánh giá cao bề dày quang học mây nghĩa là một sự thay đổi bề dày quang học của mây thậm trí biểu hiện đúng và kích thước có thể sinh ra