摘要：利用全球气候模型进行的敏感性研究表明，随着局部大气环流的变化引起全球的远程连接状况，同时由于南极洲云层对辐射平衡的影响，云层在气候系统中——无论是对南部高纬度地区的直接影响，还是对全球范围的间接影响，都起着重要作用。遗憾的是，在恶劣的环境条件下对云层进行实地考察极其困难。因此，云层分布的观测受到限制，且观测质量往往不尽人意。最佳的地表观测表明，在所有季节中，部分分布在南极的云层覆盖率约为50%—60%，而在接近大陆海岸地区的覆盖率则约为80%—90%。在南极洲地区，云层参数化的微观物理测量法十分少见。然而，这种不多见的测量方法确实有人运用，且根据其数据显示，南极洲的内陆主要分布着冰晶云，而靠近海岸的地区则分布着混合相云。在内陆地区，冰晶云的大小（有效半径）从5mm到30mm不等，而靠近海岸的地区有略大一些的冰晶和水滴。在各个观测点能观察到各种各样的晶体形状。此次报告意在着重讨论现有的云层观测方法，并突出南极洲云层的重要性以及在未来进行更好的观测的必要性。云层是全球气候系统的重要组成部分。例如，政府间气候变化专门委员会在第四次评估报告中指出，气溶胶会间接影响云层，它对云层有0.7瓦/平方米的极大的负辐射力，但这一数据并不十分准确，而对这一现象目前也没有很高水平的科学认识（2007年联合国政府间气候变化专门委员会的战略规划管理图2）。尽管中纬度地区的人们已经仔细观察了云层很多年,但是与云层有关的资料以及云层是否使得大气升温或降温的问题都仍然令人捉摸不透。在南极洲地区，尽管近年来的测量工作——主要是对于地表的低云层的测量，能够偶尔借助现场微观物理测量方法以及来自地表和卫星数据的辐射测量方法，但是观测云层的范围还是只局限于综述性观察。这些观测只是在南极地带以及一些海岸地区应用了，而这些地区可能无法完全代表整个南极洲的状况。
云粒子的微观物理性质（形状、大小、浓度和状态，即固态或液态）对地气辐射平衡有着重大影响，因此，在气候模型中，正确表述这些性质非常重要。然而，使用在全球气候模型中的云层参数化模式是通过中纬度地区的观测手段开发而成的，这些云层参数可能不适用于对南极洲的云层观测。同样因为上文提及的南极洲大陆的孤立和恶劣环境，使得很少有人能够对其云层的微观物理性质进行现场观测。
综上所述，这份关于南极洲云层的报告起初着眼于对观察者所能看到的，以及使用卫星测量所能观测到的云层进行基础观测。之后，在观测辐射平衡和南极洲气候对云层的影响时，更加注重微观物理测量一类的方法。
云层覆盖率
图1为南极洲大陆以及周围海洋的复合红外卫星图像。其中比较明显的特征，是众多中纬度洼地的锋面云带环绕在大陆上。锋面云系的这些云层会更加厚重，所以云顶也处于较高较寒冷的位置，颜色就像红外图像里展示出的那样白。大面积的低云层或者说海冰则均匀分布在高锋面云带之间，我们可以看到它们靠近并逐渐包围整个大陆。在卫星图像中，我们很难分辨出低云层和海冰。不过，图像中大部分区域均匀覆盖在大陆周围的，很有可能是云层的所在区域。而在大陆另一端的云层则逐渐分解成对流的积云。在这个过程中一个有趣的现象发生了——在东经120度到150度之间，云层中产生了两个中尺度气旋（或者说是极地涡旋，拉斯穆森和特纳的研究，2004年），这些小气旋普遍出现在高纬度地区，特别是海气温差特别大的地区。尽管在图像上显示，高空的锋面云并没有侵蚀到离南极洲大陆很远的地方，但如果先不谈大陆地区的状况，要区分云层和下层表面冰雪还是非常困难的。
图1
尽管我们目测卫星图像也能对南极洲上方的云层分布有所了解，但如果要进行进一步的调查研究，这是远远不够的，我们还必须测量出云层的具体数据。为了得出这些数据，我们尝试过好几种测量方法，比如用来获得图1中的图像的测量方法，就包括了从地面视觉观测到对空载无源仪器的运用，以及光探测和测距（激光雷达）两种主动测量方式。但这些方法分别测量出了几乎完全不一样的数据，因此我们仍很难从中得到云朵的范围和移动频率的实际值。
在过去五十年里，南极洲研究站定期收集了云层表面的视觉观测数值，该研究站是提供云层数据集的研究站中坚持最久的一个（哈恩和沃伦的研究，2003年）。然而，南极洲内的观测地点很分散，且大部分位于海岸地区附近。因为观测地点的不固定，所以观测记录存在各种变化，观测计划也因此在实践中有所变动。视觉观测通常是直接且主观的，不同的观察者的结果可能在特定的测量值上呈现出阶梯状的变化。若打算长期进行研究，这种状况会降低其中的数据的实际价值。并且，当夜幕降临、光线暗淡时，以肉眼观察云层十分困难（哈恩等人的研究，1995年），而在南极洲的冬天尤其如此。在视觉观测值中，结果显示每年都会有部分云层笼罩在南极上空，如图2所示。因此，当南极洲冬天的云层比夏天的更难观察时，这表明该地冬天的云层覆盖率有所降低。
图2
地表辐射的测量方法同样可以用来测量云层覆盖率。汤等人（2007年）比较了来自视觉观测，卫星检测和南极地面红外测量的部分云层覆盖率数值。他们最终的说法是，最好的方法是基于地表的地面辐射强度计测量法，不论是从准确性还是记录时长上来看，这类方法都不会因为缺少阳光而受到影响。汤等人（2007年发表的图6）同时也对比了表面视觉观测数据以及地面辐射强度计测量法所测量出的数据，结果表明，两者在夏季观测值上均比较吻合，但在冬季，视觉观测值则相比之下低了20%左右。地面辐射强度计测量法表明，南极全年的云层覆盖率都是恒定的，大约在50%—60%之间。
地面测量在空间上是有限的，特别是在数据稀缺的地区，比如南极洲。由人类操控的卫星测量仪器可以测量来自地面或者大气中的上涌辐射，而使用这种仪器的测量方式也会有更好的空间覆盖性。但是，由于云层和它底下的积雪表面的温度以及辐射特性有一定的相似性，所以这种测量仪器也很难把云层表面和底层积雪表面区分开来。而美国国家海洋和大气管理局（NOAA）拥有一系列利用大气以及红外波段测量云层的极地轨道测量卫星，其中最著名的就是国际卫星云气候学项目（ISCCP）（罗索和希弗的研究，1999年，或哈特兹亚纳斯塔西欧的研究，2001年）。因此，我们曾经有几次试验是尝试运用这个方法来获取云层覆盖率信息的。将得到的反馈信息与图2的地表观测结果做对比之后，可以看出，在夏季，卫星检测的云层覆盖率小于地表观测值，而在冬季则大于地表观测值。另一组运用美国国家海洋和大气管理局的卫星数据读取的检测结果，是扩展型甚高分辨率扫描辐射计（AVHRR）极地探路器（APP-x）的数据集（汤等人的研究，2007年；王和基的研究，2005年），这些数据均来自极地地区。汤等人（2007年）将国际卫星云气候学项目的数据与极地探路器的数据、以及在南极用红外线辐射计（地面辐射强度计）在地面估测的云层覆盖率数据进行了对比。他们发现，在夏季，极地探路器所测的云层覆盖率稍微比地面辐射强度计所测的值高，而国际卫星云气候学项目的预估值则太低（大约低30-40%）。
除了对用不同方法获得的云层覆盖率数据进行对比以外，观察云量随纬度变化的现象也很有趣。图3展现了云量随纬度变化的情况，图中不仅有国际卫星云气候学项目读取的数据，还有地面观测的数据，而且可以看出，这片大陆从中部到靠近海岸地区的云量在逐渐增加，中部云量最少，海岸地区则最多，这个结果与图1所带来的主观视觉效果形成了很好的对照。
图3
更多最近活跃的星载仪器，比如激光器（斯皮希尔内等人的研究，2005年），能够更容易在冰雪层上识别出云层，但是目前为止，这些仪器所提供的数据仍然不足。斯皮希尔内等人（2005年）在2003年10月公布了测得的云层覆盖率数据，这是运用地球科学激光测高系统（GLAS）中的冰、云和陆地高程卫星（ICESat）检测的结果。尽管这些检测结果有限，但是它们确实和卫星与地表观测（斯皮希尔内等人的研究，2005年：图4）的云量随纬度变化的情况相同，即云量从极点到海岸逐渐增加。
图4
（原作者：Tom Lachlan-Cope；原网站：https://www.tandfonline.com/loi/zpor20；采用片段：原文摘要以及紧接的正文“云层覆盖率”第1-7段；译者姓名：新雅翻译公司—经常挑战高难度科技翻译的大学生团队）
