科学家利用人工智能来评估减少污染对变暖的影响 - NOAA 研究

全球航运硫污染的减少无意中导致了最近的地球变暖，这为评估提出的两种主要太阳能地球工程方法之一——海洋云增亮——的挑战提供了见解。

2020 年，国际海事组织大幅降低船舶燃料中的硫含量，以减少硫酸盐气溶胶和二氧化硫污染物的排放，这些污染物与哮喘、肺癌、心血管和肺部疾病导致的过早死亡有关，从而改善沿海和大型港口社区的空气质量。一个 

通过减少硫污染，更清洁的燃料还降低了低层海洋云层的反射率，而废气中的气溶胶颗粒此前曾使低层海洋云层变亮 –降低冷却效果遮蔽海洋、遮挡阳光的云层。 

很快，观察者注意到“船迹”的减少，即大型船舶尾迹中形成的明显的、亮白色的线性云，让更多的阳光加热海洋表面。但事实证明，使用传统的气候模型来量化海洋表面日照增加所带来的变暖效应具有挑战性，因为它们根本无法充分代表云层。

“云是最短暂的自然现象之一，它们在天空中飘移时一直在变化，”美国国家海洋和大气局化学科学实验室的项目负责人、当前研究的合著者格雷厄姆·法因戈尔德说。– 如何设计实验来了解它们对地球表面温度的影响？ –

测量缺失云的影响

NOAA 的科学家尝试了一种新方法，利用人工智能 (AI) 和机器学习强大的模式识别能力来捕获和重现控制云形成的复杂物理和化学过程，并揭示这些船舶引起的、阳光对气候的真正影响。-反射云曾经有过。 

在发表在《科学》杂志上的一项新研究中自然杂志通讯 地球与环境研究人员报告称，全球变暖效应适度，归因于东北部和东南太平洋以及非洲海岸附近东南大西洋频繁使用的航道上的反射船迹云的减少。 

美国国家海洋和大气管理局的科学家利用人工智能来估计在商业船舶交通繁忙的三个地区采用低硫船用燃料后到达海洋的额外热量。图片来源：NOAA 化学科学实验室

估计符合一些 最近发表研究这表明，云层反射率的更广泛减少可能是 2023 年全球平均气温创纪录的原因。该研究发现，北部中纬度地区和热带地区的低空云层减少，特别是大西洋上空，那里的最不寻常的温度记录出现在 2023 年。 

目前的研究具体针对航运业对层积云亮度降低的贡献。 

“与其他因素相比，例如其他来源的颗粒物减少，或全球变暖引起的低云减少，IMO2020 法规对这种变暖的影响到底有多大，仍然不确定”，该报告的主要作者张建豪说学习。张是科罗拉多大学博尔德分校的研究科学家西瑞斯在 NOAA CSL。

帮助科学家在噪音中寻找信号的工具

张和他的合著者表示，这项研究的重要之处在于人工智能成功地从非常嘈杂和高度可变的气候数据中提取出强大的信号。 

船迹是硫酸盐气溶胶与低层海洋云相互作用的产物。这些气溶胶充当有效的云“种子”（或云凝结核），增加了云滴形成的可用位置，并增加了沿船舶路径的云的反射率。这与海洋云增亮概念的机制相同，这是一种气候干预方法，建议通过向大气中喷洒海盐气溶胶而不是硫酸盐颗粒来增加海洋云的反射率。因此，船舶轨迹被研究为 MCB 的直接模拟。

为了估计这些船迹曾经产生的冷却效果，我们使用 2020 年之前在太平洋和大西洋的三个主要航运走廊上收集的卫星的多年全球云观测数据来训练一组神经网络，这些走廊的船迹最为普遍。然后，神经网络的任务是模拟 2020 年以后的观测记录，就好像 IMO2020 法规从未发生过一样，生成“一切照旧”场景。

张说，将人工智能生成的“一切照旧”数据集与 2020 年后的真实云观测结果进行比较，有效地消除了数据中自然变化的噪声背景，揭示了变化的信号。

该分析最关键的部分是用于训练和比较数据集的云属性的多年数据记录，由 2020 年之前和之后收集。莫迪斯（中分辨率成像光谱仪）和谷神星（云和地球辐射能系统）仪器，均安装在 NASA 上泰拉和阿夸卫星。如果没有这么长的数据记录，人工智能将无法区分船舶引起的云和自然云的变化。

简而言之，张说，云反射率的变化，无论是有意的还是由于气候变化，都很难在自然变化之上检测到，这一发现对评估海洋云增亮的潜力具有直接影响。

NOAA 目前正在对平流层和海洋边界层进行先进的建模、实验室和观测研究，以帮助填补对气候系统的科学理解的重要空白，包括如何研究如何有效评估太阳能地球工程技术，包括海洋云增亮。NOAA 不会现场测试或部署太阳辐射修改方法或技术。

“任何海洋云增亮的户外测试都将面临可探测性的真正挑战，”Feingold 补充道。“这可能需要在规模或时间尺度上进行比通常考虑的更为雄心勃勃的测试，以证明其是否可行。” 

海洋云增亮和平流层气溶胶注入是科学家正在研究的两种主要太阳能地球工程方法。美国国家海洋和大气管理局化学科学实验室的新研究表明，评估海洋云增亮方法的可行性将具有挑战性。图片来源：Chelsea Thompson，化学科学实验室

欲了解更多信息，请联系 NOAA Communications 的 Theo Stein，电话：theo.stein@noaa.gov。.