中国近海区域汞的海气交换模拟研究

Mercury is a heavy metal with neurotoxicity. Due to its severe adverse effect to human health, its anthropogenic emissions are regulated by the UNEP Minimata Convection at a global scale. Air-sea exchange is an important process for the global mercury cycle. The flux from the ocean to the atmosphere is even larger than that of anthropogenic emissions. The nearshore region of China receives input from atmospheric deposition and river discharge (including pollutants and nutrients), and is influenced by human activities, thus a crucial region to understand the global air-sea exchange of mercury. So far, the understanding for the air-sea exchange flux of mercury from this region, air-sea interaction and feedback, and the influence of biogeochemical parameters are still not clear, especially lacking integrated studies that synthesize multiple- and large-scale ship-based observations. This proposal plans to develop a new model for the air-sea exchange of mercury that couples atmosphere and ocean 3D models, and takes into account factors such as ocean surface microfilms. This proposal also plans to conduct observations at ship cruises and island sites to evaluate the model. Furthermore, the proposed study will combined the improved model, newly conducted observations, and available observations from previous studies to identify important influencing factors such as atmospheric and oceanic transport, river discharge, and biogeochemical factors. The total flux of air-sea exchange of mercury from this region will be also estimated. The results will provide basis data and scientific basis for China to comply with the global mercury treaty.

汞是一种具有神经毒性的重金属。因其造成的较为严重的健康风险，联合国《关于汞的水俣公约》将在全球范围内对汞的排放进行管控。海气交换是汞循环的重要环节，海洋向大气的挥发量超过全球一次人为源排放。中国近海区域因接受大气沉降和河流输入(包括各类污染物和营养元素)、并受到各种人为活动的影响，是了解全球汞海气交换的关键区域。目前对该区域汞的海气交换通量、大气海洋相互作用、生物地球化学参数的影响的了解较为薄弱，尤其是缺乏整合大范围多航次的观测数据的综合性研究。本研究拟开发耦合大气和海洋的三维海气交换模型，并在模型中考虑诸如海洋表面生物微膜等影响因素。同时，开展船次和岛屿站点观测以对模型进行验证。本研究将结合改进的模型和观测数据，整合以前的研究结果，识别大气和海洋传输、河流输入和生物地球化学因素对汞的海气交换的影响，并估计该区域汞的海气交换通量。研究成果可为我国履行全球公约提供相关基础数据和科学依据。

汞是一种具有神经毒性的重金属。因其造成的较为严重的健康风险，联合国《关于汞的水俣公约》将在全球范围内对汞的排放进行管控。海气交换是汞循环的重要环节，海洋向大气的挥发量超过全球一次人为源排放。中国近海区域因接受大气沉降和河流输入(包括各类污染物和营养元素)、并受到各种人为活动的影响，是了解全球汞海气交换的关键区域。目前对该区域汞的海气交换通量、大气海洋相互作用、生物地球化学参数的影响的了解较为薄弱，尤其是缺乏整合大范围多航次的观测数据的综合性研究。本研究开发了耦合大气和海洋的三维海气交换模型，并对汞的生物地球化学进行改进，如一甲基汞和二甲基汞，以及一甲基汞与海洋藻类生态系统的相互作用和二甲基汞的海气交换等过程。同时，结合陆基站点、船次和岛屿站点观测以对模型进行验证。结果表明全球海洋甲基汞的来源是表层和亚表层海水中厌氧细菌对有机物的分解过程；从亚表层向表层海水的扩散是表层海水中甲基汞的重要来源；二甲基汞的海气交换通量远小于元素汞。发现生物放大现象随着营养级的升高而更加显著，具体表现为在大型浮游生物间存在生物放大，而小型浮游生物间生物放大并不明显，甚至不会出现放大。也进一步发现赤道太平洋上的汞海气交换通量的年际异常能达到±20%左右，且其空间分布在厄尔尼诺以及拉尼娜的成熟期呈现”跷跷板“效应。此外，耦合了大气、土壤和海洋模型，开发了一种全面的方法来预测未来汞排放变化的健康效应。结果表明，当今全球人类因甲基汞摄入造成的经济损失总计为每年1170亿美元，包括新生儿智力损伤总计1200万点IQ和诱发心脏病死亡人数总计29000例。最后，预测了气候变化引起的海洋生态系统变化对21世纪末海洋中甲基汞的形成和在藻类生态系统中的富集和放大行为的影响。上述成果既厘清了全球和区域汞循环中关键过程机制，也可为我国履行全球公约提供相关基础数据和科学依据。