气溶胶-云相互作用对地气系统的冷却辐射强迫被认为有可能抵消温室效应。大气中人为气溶胶的增加影响水云中云滴的粒径分布（云滴谱型），进而引发云辐射强度的变化，这一过程被称为离散效应，是气溶胶-云相互作用的重要组成部分。然而，由于缺乏卫星数据的相关全球定量方法，当前基于观测估算气溶胶气候效应的研究通常忽略离散效应，造成了不可忽视的系统性偏差。另外，当前气候模式中的云滴谱型参数化方案几乎都基于区域性的飞机观测而构建，缺乏基于全球尺度观测数据的定量对比和有效验证，限制了参数化方案的发展与改进。

针对上述问题，清华大学地球系统科学系彭怡然副教授课题组联合中国科学院空天信息创新研究院胡斯勒图研究员团队，提出了基于云微物理过程机理和相关方程理论推导的新方法，结合多角度偏振卫星POLDER的观测，首次实现了液态层状云中离散效应影响气溶胶-云相互作用的全球定量评估。结果显示，离散效应分别抵消了由云滴数浓度变化和液水路径调整引起气溶胶-云相互作用的7%和-1.4%，部分削弱了气溶胶对全球变暖的冷却作用。

在此基础上，研究团队还构建了基于全球云滴谱型参数卫星数据集的新参数化方案，有望改善气候模式对全球液态层状云云滴谱型及离散效应的模拟能力。该研究提出的定量方法和参数化方案不仅深化了对离散效应的科学认知，也为气候模式提供了具有全球代表性的云滴谱型计算方法和评估数据，对于提升气溶胶-云相互作用的估算准确度、降低气溶胶气候效应的模拟不确定性有重要意义。

研究首先将新提出的定量方法与POLDER卫星观测数据结合，计算了云滴谱型参数的全球分布，并给出离散效应对不同气溶胶-云相互作用的抵消率（图1）。结果显示，谱型参数和离散效应的影响具有显著的空间差异性：在人类活动影响较强的区域，谱型参数更大（即云滴谱更宽），反映出气溶胶增加导致的云滴谱增宽效应，部分削弱了气溶胶-云相互作用的冷却效应。

图1.云滴谱型参数及离散效应影响的空间分布

基于卫星观测构建的全球云滴谱型参数数据集，研究提出了新的参数化方案。与传统方案相比，该方案不依赖特定区域的观测，更具全球代表性，也更符合气候模式的应用需求。另外，考虑到不同下垫面情况下气溶胶影响机理的差异，研究针对陆地和海洋分别给出相应参数化方案，便于模式根据模拟需求灵活应用（图2）。

图2.基于全球、陆地和海洋数据得到的谱型参数化方案

为确保结果可靠性，研究还针对离散效应计算中的关键参数进行了多方面的不确定性分析，综合考虑了卫星观测数据集误差、云的非均一性影响、卫星数据反演方法中波段和网格尺度的影响，以及拟合方法等对定量结果的影响，并给出了最优估计及90%不确定性范围（图3）。

图3.用于计算离散效应的关键参数在全球、陆地和海洋的概率密度分布

相关研究成果以“利用POLDER卫星数据实现离散效应的全球定量评估”（Global quantification of the dispersion effect with POLDER satellite data）为题，于8月2日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学地球系统科学系2019级博士生王恒琪（现为中国科学院空天信息创新研究院助理研究员）为论文第一作者，副教授彭怡然为论文通讯作者。论文合作者包括德国莱比锡大学教授约翰内斯·夸斯（Johannes Quaas），中国科学院空天信息创新研究院研究员胡斯勒图、副研究员尚华哲，德国不莱梅大学助理教授安东尼奥·迪诺亚（AntonioDi Noia），荷兰空间研究所研究员巴斯蒂安·范·迪登霍芬（Bastiaanvan Diedenhoven）、奥托·P·哈泽坎普（Otto P. Hasekamp），美国布鲁克黑文国家实验室研究员刘延刚。

研究得到国家自然科学基金、河北省重点研发项目、国家科技部重点研发项目、国家重大科技基础设施项目“地球系统数值模拟装置”和国家留学基金等的支持。