文献阅读 | 大气-陆地-海洋耦合模式更新全球汞预算：大气汞排放总量比先前预估的高约40%

题目

An updated global mercury budget from a coupled

atmosphere-land-ocean model: 40% more re-emissions buffer the effect of primary emission reductions

作者

Yanxu Zhang,* Peng Zhang, Zhengcheng Song, Shaojian Huang, Tengfei Yuan, Peipei Wu, Viral Shah, Maodian Liu, Long Chen, Xuejun Wang, Jun Zhou, and Yannick Agnan

期刊

One Earth

时间

2023年3月

一作

单位

School of Atmospheric Sciences, Nanjing University, Nanjing, Jiangsu, China

链接

https://doi.org/10.1016/j.oneear.2023.02.004

摘要

通过控制人为排放来降低汞(Hg)环境水平的有效性取决于陆地和海洋的再排放的大小，这需要全面了解其全球生物地球化学循环。在大气汞氧化还原化学、植被吸收、海水汞来源和河流排放等方面的最新进展极大地挑战了对全球汞循环的理解，但总体影响仍未得到充分研究。研究开发了一个新的大气-陆地-海洋耦合模型，发现大气汞排放总量可能比以前认识到的高40%，这主要是因为海洋的再排放增加。结果表明，环境汞水平对人为排放变化的敏感性可能较小，强调需要潜在的更积极的排放控制来降低汞水平。

引言

汞及其化合物具有神经毒性，对全球人口的健康造成重大影响。环境中的汞来自人为来源(例如发电厂和金矿的燃煤)和自然来源(例如火山喷发和热液喷口)。这些来源的汞可以沉积到陆地/海洋中，并部分重新排放到大气中，这些排放量至少是初级排放量的2至3倍。《关于汞的水俣公约》旨在减少汞造成的人为排放和健康影响的具有法律约束力的国际条约自2017年起生效。然而，公约的效力在很大程度上取决于再排放的规模，需要对全球汞循环有一个全面的了解。

通过综合对汞生物地球化学的理解和不同环境下的测量，之前的研究已经预算了不同自然环境系统的汞循环。许多先前的研究低估了全球河流汞出口。且之前的发现对全球汞循环影响，特别是它们的相互作用仍未得到充分研究。

研究使用使用了一个耦合的大气-陆地模式系统来预估全球汞循环的排放。结果表明，陆地是大气汞的一个更重要的汇，海洋可能是一个比之前通过模拟研究估计的更大的再排放来源。模型还显示，大气汞排放总量增加了40%这表明按照《水俣公约》的要求降低环境汞水平，可能需要采取更严格的排放控制措施，因为未来环境对人为排放的变化可能不那么敏感。

结果与讨论

更新的汞预算

研究运用大气-陆地-海洋耦合模式（全球大气汞模式（GEOS-Chem），陆地汞模式（GTMM）和海洋汞模式（MITgcm）），对基准年2012年全球汞循环的最新预算模拟。模拟结果与地面观测得到的汞浓度和湿沉降通量相一致。模拟的全球大气汞排放总量为12,000吨/年，初级排放量为2,590吨/年(人为2,340吨/年，自然源250吨/年)，陆地(包括生物质燃烧)和海洋的再排放量分别为2,000吨/年和7,200吨/年(图1)。这比之前的研究(8,500-8,700吨/年)高出40%，因为这项研究认为来自海洋的潜在再排放更高。

图1 更新的全球大气汞预算(基准年为2012年)

人为源汞排放轨迹

2005-2019年期间，陆地可能成为初级大气排放的最大汇。人为排放到大气中的汞从2000年的1,964吨/年增加到2015年的2,390吨/年，平均增长率为1.78%。2015-2019年期间，初级排放总量达到38,200吨，并推动大气汞质量在15年间略微增加了500吨(图2A)。剩余的37,700吨排放量预计将埋在陆地(25,900吨/年或1,730吨/年，68%)和海洋(12,300吨/年或820吨/年，32%)中。预计2020-2035年期间未来的人为排放也将主要由陆地环境阻隔(图2B-2D)。

考虑Pacyna等的2035年三种排放情景：(1)当前政策(CP)，其中排放量几乎稳定，因为人口/经济增长导致的汞排放增加被目前已决定的控制措施和做法的实施所抵消；(2)新政策(NP)，其中汞排放作为减少温室气体排放的共同效益而大幅减少；以及(3)最大可行减排(MFR)，其中所有国家在每个排放部门达到最高的可行/可用减排效率。CP、NP和MFR情景分别预测2035年全球人为排放总量分别为1,960、1,020和300吨/年，本研究模型模拟的CP情景下大气汞含量略有增加(+200吨)，而NP和MFR情景分别导致大气汞含量减少1,000吨和1,400吨。

图2 主要大气汞排放源和汇的累积量

环境敏感性分析

陆地和海洋汞的再排放可能会通过控制未来的主要排放来缓冲对环境汞水平的影响，因为再排放的变化速度比主要来源慢(图3)。预计到2035年，在CP情景下，主要人为排放的比例将保持稳定(19%-21%)。而在NP和MFR情景下，初级人为排放占总排放量的比例分别只有11%和4.1%(图3)。

图3 2020-2035年大气汞初级排放量与再排放量的预测

大气沉降量的预测变化反映了大气汞相对于沉降量的拟议寿命为3.8个月的十年制大气总排放量的变化(图4A和4B)。与2020年的水平相比，预计与人类暴露更相关的表层海水甲基汞浓度在2035年将分别下降9.5%和17%(图4C)，小于大气沉降量的变化(分别为19%和31%)。更新的全球汞预算显示，大气总排放量比之前估计的高出40%，这表明大气水平对人为排放的敏感度较低。被封存在陆地和海洋环境中的遗留排放可能会发挥比以前认识到的更重要的作用。尽管由于模型设置的不同，很难与以前的研究进行直接比较，但我们确实预测了大气沉积对减排的响应较小的变化。

图4 2005-2035年环境汞水平的模拟趋势

启示

研究结果表明，为了实现降低环境汞水平的目标，可能需要更积极地减少主要的人为排放。主要碳排放国的更雄心勃勃的碳减排计划正走在正确轨道上，这将对汞排放的减少产生实质性的共同利益。尽管如此，作为全球大气汞排放的最大来源，手工和小规模黄金生产预计未来的降幅将相对较小，即使在多边气候框架下也是如此。全球环境变化强烈地影响着大气汞与陆地和海洋的交换，而陆地和海洋都是人为汞排放的重要汇。气候--植被--人类之间的关系可以在很大程度上改变区域和全球的汞汇(例如，温度和降水的变化、热带森林面积的减少和二氧化碳的施肥)，潜在地增加火灾频率，并增加中纬度北部的植树造林。同样，海水温度和酸度的增加、风力减弱、透光性增强、沿海富营养化和生产力下降在很大程度上影响了海洋吸收人为汞排放的能力。虽然该模型还不能考虑这些因素，但在评估未来人为排放的命运时，特别是在气候变化影响更加明显的更长期的时候，需要考虑这些因素。

编辑：潘羽杰

排版：潘羽杰

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