中国大气汞污染特征及其跨界输送模拟研究

Mercury (Hg) is a persistent, bio-accumulated pollutant, and also the only heavy metal that can transport globally in gaseous form. China has the world's largest Hg emissions, and suffers the most serious Hg pollution as well. At present, China has been facing the dual pressures of Hg pollution prevention and fulfilling the international Hg convention. However, the impacts of emissions from China on global Hg levels are still unclear. Besides, due to several reasons including lack of sufficient model verification, significant underestimation in emission inventory, too coarse model resolution and incomplete model processes, there are large model-observation discrepancies in Hg simulation in China and large uncertainties concerning trans-boundary transport of Chinese Hg emissions. This study will try to solve these problems based on the global multi-scale nested atmospheric mercury transport model (GNAQPMS). Firstly, a dynamic surface interface (air-land and air-sea) exchange module and a tracer tagging module for mercury will be coupled into the GNAQPMS model. Hg emission inventory in China will be assessed and calibrated. Secondary, multi-scale, high-resolution Hg simulation will be conducted and worldwide observations including Hg concentrations and dry and wet deposition will be collected to comprehensively validate and improve model performance in China. Finally, the spatial and temporal variation of atmospheric Hg pollution at present (year 2010) and its future (year 2030) evolution in China will be investigated. Model sensitivity experiments and the tracer tagging module developed in this study will be used to quantitatively identify the sources of Hg pollution in China and assess the impacts of Chinese emissions on global Hg levels.

汞是一种持久性、生物富集性毒物，且是唯一能以气态形式做全球长距离输送的重金属。中国是全球最大的汞排放国，也是汞污染最严重的地区。目前已面临汞污染防治和履行国际汞公约的双重压力。然而，中国汞排放的全球影响尚不清楚。另外，由于缺乏充分验证、排放清单严重低估、模式分辨率太粗、模式过程不完善等因素，使已有的汞模拟研究在中国的偏差较大，跨界输送影响评估也存在很大不确定性。针对以上问题，本项目拟以自主研制的全球多尺度嵌套大气汞输送模式为基础，耦合大气-陆地-海洋汞动态交换过程，发展汞源识别与追踪模块，评估、校正汞排放清单，并针对中国地区开展多尺度高分辨率模拟。收集建立汞观测数据集，全面验证、改进模式在中国的模拟性能。进而深入分析中国当前（2010年）大气汞污染的时空变化特征，预测其未来（2030年）演变趋势，并利用敏感性分析和源识别与追踪两种手段定量评估中国大气汞污染的来源及其跨界输送影响范围和程度。

通过大气汞观测数据和排放源清单的收集、处理和综合分析，大气汞模式的改进和模拟分析，研究了中国大气汞浓度和沉降的特征，定量评估了中国人为汞排放的全球影响和未来变化趋势。项目构建了一个可用于模式评估的、较为完备的全球汞浓度和沉降观测数据集，其中包含了大量的中国地区大气汞浓度和沉降数据；开发了一个多尺度排放源处理模块，可为不同分辨率的多尺度模式提供可用的网格化排放源；发展改进了自主的全球多尺度嵌套大气汞输送模式，模式的改进包括耦合汞的大气-陆地-海洋动态交换机制、耦合零价汞气相溴氧化机制、耦合二价汞气-固分配机制、扩展汞源识别与追踪功能等四个方面；全面评估了模式对OH、O3等氧化剂以及大气汞浓度、干沉降量、湿沉降量的模拟能力，结果表明改进的模式可以合理表征大气汞浓度和沉降的时空变化特征，特别是在高分辨率条件下，东亚地区大气汞浓度和沉降的模拟效果有显著提升；通过模式敏感性试验，分析了当前（2010年）中国人为汞排放对全球汞污染的影响并预测其未来（2030）的变化趋势，结果表明中国人为汞排放对本国的影响最大，其次是其周边国家，对欧洲和北美地区的影响不超过5%。在未来情景下，除日本、欧洲之外，全球各地区的汞污染呈进一步恶化趋势，中国人为汞排放对本国的汞浓度和沉降贡献率显著上升（分别达到41%和78%），对全球的影响也略有增加。因此，中国未来需进一步加强大气汞排放控制，这对于减轻全球汞污染特别是本国的汞污染具有重要意义。