人为活性氮气候效应争议：多模型比较揭示净冷却作用的不确定性

《Nature》：Reply to: Uncertain climate effects of anthropogenic reactive nitrogen

本研究针对Gong等人提出的人为活性氮(Nr)净负辐射强迫结论，通过五模型集成分析指出其气溶胶、臭氧和甲烷辐射强迫估算存在显著不确定性。研究人员发现虽然净冷却效应方向一致，但各组分强迫值的模型差异远超预期范围，对未来气候预测具有重要警示意义。

　　

当我们谈论气候变化的主要驱动因素时，二氧化碳和甲烷通常占据舆论中心。然而，一项发表于《Nature》的最新研究将目光投向了另一个关键但常被忽视的角色——人为活性氮(N_r)。这种由人类活动产生的氮化合物正在以复杂的方式影响着地球的气候系统，但其净效应究竟如何，科学界存在激烈争议。

2024年，Gong等人在《Nature》发表研究称，人为活性氮在2019年相对于185年产生了净负辐射强迫(RF)，即总体呈现冷却效应。这一结论似乎为人类活动的气候影响提供了新的视角。但问题在于，人为活性氮的气候效应是多个正负效应相互抵消的结果，包括气溶胶冷却、臭氧增温、甲烷变化等，每个环节都伴随着巨大的科学不确定性。

为了验证这一结论，国际气候研究团队使用了五个最新一代模型进行对比分析，包括一个化学传输模型(OsloCTM3)和四个化学-气候模型(CESM2、GISS ModelE、GFDL-AM4.1和LMDZ-INCA)。这些模型在模拟硝酸盐和硫酸盐气溶胶的时空分布方面表现出显著差异，特别是在垂直方向上的分布特征。

研究发现，Gong等人使用的GEOS-Chem模型在多个关键参数上都处于模型分布的极端位置。直接气溶胶辐射强迫——这是Gong研究中量级最大的强迫项——在不同模型间甚至出现了符号差异。硝酸盐辐射强迫在所有模型中均为负值（冷却效应），但硫酸盐辐射强迫则因模型而异，有时增强冷却，有时抵消冷却效应。

臭氧辐射强迫的模型差异同样显著。五个模型给出的由于人为活性氮排放导致的臭氧辐射强迫范围为0.17-0.35 W m^-2，远高于Gong等人报告的0.03-0.07 W m^-2。这种差异反映了当前大气化学模型中对于非线性化学反应处理的不确定性。

甲烷辐射强迫的争议更为突出。Gong研究使用甲烷箱式模型进行计算，未能充分考虑大气化学反应的复杂性和非线性特征。多模型分析显示，甲烷辐射强迫的负值（冷却效应）比Gong报告的更强，且大部分结果超出了其不确定性范围。

在技术方法方面，本研究采用了多模型集成比较策略，通过统一的实验设计确保结果可比性。辐射强迫计算基于AR6推荐的方法，对于N₂O和CO₂等充分混合的温室气体，使用标准辐射传输参数化方案，而非依赖单个模型的内部计算。

研究结果显示，虽然各模型的单个辐射强迫项与Gong研究存在显著差异，但净辐射强迫却意外地落在其不确定性范围内。这种"误差抵消"现象意味着，尽管我们对各个过程的理解存在很大不确定性，但净效应的估算可能相对稳定。然而，这种稳定性是否可靠，仍是一个开放性问题。

讨论部分强调，人为活性氮气候效应的量化必须充分考虑模型多样性带来的不确定性。未来研究需要在两个方向努力：一是通过模型改进和观测约束来减小现有过程的不确定性；二是量化那些尚未被充分认识的气候效应，如活性氮排放对云-气溶胶相互作用的影响。

这项研究的深远意义在于，它提醒科学界和政策制定者，对于复杂的气候系统反馈机制，任何单一模型的结论都需要经过多模型验证。特别是在制定气候变化减缓策略时，过于依赖某个特定模型的结果可能导致政策设计的偏差。

Gong团队在回复中承认多模型比较的价值，但坚持其基本结论的稳健性。他们指出，即使使用批评者提供的参数中心值，未来预测的整体模式仍然相似。这场学术对话凸显了气候科学中一个永恒的主题：在复杂系统中，真理往往存在于不确定性之中，而科学进步正是通过不断质疑和验证来实现的。

随着人类对地球系统的影响日益加深，准确量化各种人为强迫因子的气候效应变得愈发重要。这项研究不仅增进了我们对活性氮气候效应的理解，更重要的是，它展示了科学自我修正的机制如何推动认识边界的拓展。在应对全球气候变化的道路上，这种严谨的科学辩论无疑是我们最宝贵的指南针。