使用三级排放清单和AERMOD建模方法量化伊兹密尔湾地区海洋活动对城市空气质量的影响

《Atmospheric Environment》：Quantifying maritime contributions to urban air quality in ?zmir Bay using Tier 3 emission inventory and AERMOD modeling

　　• 在伊兹密尔湾，基于自动识别系统（AIS）的船舶和渡轮排放量进行了量化。• 商业航运是NOX和PM2.5排放的主要来源。• 渡轮运营产生了最高的近岸污染物浓度。• 单纯的排放量并不能解释浓度模式。• 基于模型的比率表明，在沿海地区，船舶NOX的贡献显著。引言海运是沿海和港口城市大气污染的主要来源，这些地区的船舶活动密集，与人口密集的城市区域相吻合。船舶尾气排放含有大量的氮氧化物（NOX）、细颗粒物（PM2.5）、硫氧化物（SOX）和一氧化碳（CO），导致空气质量下降、二次污染物的形成以及不良健康影响（Corbett和Koehler，2003；Mueller等人，2023；Sun等人，2025；Zhu和Liu，2023）。在主要港口地区进行的流行病学研究将船舶相关的空气污染与呼吸系统和心血管疾病的风险增加、住院率和早死率联系起来（Viana等人，2020；Zhang等人，2021）。近年来，使用自动识别系统（AIS）数据的活动基础排放清单显著提高了海洋排放估计的准确性。与基于燃料或汇总的方法相比，基于AIS的方法通过考虑船舶移动、操作模式和引擎特性，提供了更高的空间和时间分辨率（Chen等人，2021；Liu等人，2019）。在地中海地区和东亚进行的几项研究表明，巡航、机动和停靠活动对近港污染物浓度和海岸线暴露模式有不同的影响（Khayenzeli等人，2025）。空间分析进一步表明，污染物热点受到泊位活动、航线几何形状和沿海气象条件的强烈影响（Fragkou等人，2025；Rapalis等人，2025）。尽管基于AIS的排放清单和扩散模型取得了显著进展，例如全球SEIM框架（Yi等人，2025）和各种高分辨率港口清单（Chen等人，2021；Liu等人，2019），但大多数海洋空气质量研究仍然主要集中在远洋商船和主要深海港口上。城市客运渡轮系统的关注相对较少，这在沿海空气质量文献中构成了一个重要的科学空白。现有的大多数研究要么将市政渡轮归类为更广泛的“客船”类别（这类船舶主要由大型邮轮占据），要么仅进行自下而上的排放核算，而不进行基于路线的地面扩散建模（Mueller等人，2023；Zhu和Liu，2023）。然而，客运渡轮和滚装/滚卸（Ro-Ro）船舶在运营行为上与深海货运船舶有根本不同。在半封闭的沿海环境中，住宅区直接毗邻海上交通走廊，仅依赖汇总的排放总量会掩盖局部的人类暴露情况。与沿集中导航通道间歇运营的商船不同，市政渡轮高频运行，提供短距离运输、机动和停靠服务，直接靠近人口密集的海岸线区域。因此，要准确了解城市渡轮网络的真实空气质量负担，需要改进方法论：将细分的第三级AIS清单与特定路线的源排放扩散建模相结合，以将总排放量与实际的近场海岸线暴露区分开来。在土耳其，关于船舶排放的研究主要集中在主要航运走廊和商业港口，包括伊斯坦布尔、伊兹密尔和梅尔森（Deniz和Durmu?o?lu，2008；Ay等人，2022；Buber等人，2020；Ilek和Elbir，2019；Sara?o?lu等人，2013）。最近的研究采用了基于AIS的清单和先进的排放建模方法，提高了船舶相关空气污染的空间表示（Ekmek?io?lu等人，2025）。尽管这些研究提供了有价值的区域排放清单，但它们对市政渡轮系统的独特运营特性和空间影响重视不足。商船和城市渡轮经常被一起评估，这使得难以确定它们对城市空气质量的相对贡献。因此，高频渡轮运营对沿海城市人口暴露的影响仍然没有得到充分量化。伊兹密尔湾是一个特别重要的案例，因为这里既有密集的商业航运，也有土耳其最大的市政渡轮网络之一，处于半封闭的沿海环境中。超过四百万人居住在海湾周围，每日渡轮运营通过频繁的短途航线连接人口密集的沿海区域。海湾的半封闭几何形状和当地主导的风向模式可能会限制污染物的扩散，特别是在内湾。因此，即使是中等规模的排放源也可能导致严重的人类暴露，因为海上交通走廊与住宅区和商业 waterfront 区域紧密相连。尽管之前的研究已经调查了伊兹密尔湾的船舶相关排放，但大多数研究依赖于简化的空间分配方法，或者没有使用代表个别航运走廊的线源的监管扩散模型（Sara?o?lu等人，2013；Ilek和Elbir，2019；Buber等人，2020）。到目前为止，还没有研究表明将伊兹密尔湾的最新第三级排放清单与基于路线的扩散建模结合起来，该模型明确区分了商船、客运渡轮和汽车渡轮，并考虑了依赖操作模式的引擎负荷和辅助引擎的贡献。此外，高频渡轮运营对当地空气质量恶化的贡献程度相对于商业航运仍不清楚。在人口密集的沿海环境中，解决这一知识空白尤为重要，因为海上交通基础设施和住宅区紧密相连。本研究通过为伊兹密尔湾开发详细的船舶排放清单和高分辨率扩散建模框架来填补这些空白。2024年的船舶活动统计数据与AIS衍生的操作特性相结合，使用欧洲监测和评估计划/欧洲环境署（EMEP/EEA）第三级方法估算排放量。根据船舶特定的引擎特性和操作模式，分别评估了商船、客运渡轮和汽车渡轮。所得排放量沿着各个海上航线进行空间分配，并与特定地点的气象和地形数据整合，使用AERMOD监管模型在50公里×50公里的区域内进行扩散模拟。本研究的具体目标是：（i）量化商业航运和市政渡轮运营的排放；（ii）评估它们对环境NOX、PM2.5和CO浓度的空间贡献；（iii）比较不同船舶类别对人口密集的半封闭沿海环境中城市空气质量的影响。地理和形态特征伊兹密尔湾位于土耳其西部的爱琴海东海岸，是该国主要的海洋和城市沿海系统之一。海湾长约64公里，宽约32公里，面积为960.4平方公里，海岸线长度接近464公里（图1）。从形态上看，海湾呈半封闭的椭圆形结构，通常分为内湾、中湾和外湾三个部分。海湾的入口由Kanl?kaya之间的界限划定。活动数据和船舶分类伊兹密尔湾排放清单的编制采用了两级数据整合方法，将官方的全年交通统计数据与高分辨率的空间和操作船舶观测数据相结合。为了量化2024年的全年海洋活动总量，从官方政府和市政登记处获取了全年船舶交通记录。商业航运的年度船舶交通记录来自土耳其共和国交通部。年度海洋排放量和各船舶类别的相对贡献排放清单显示，商业航运和市政渡轮运营对伊兹密尔湾大气污染物排放的贡献存在显著差异。2024年的总海洋排放量估计为NOX 3728吨/年，PM2.5 157吨/年，CO 345吨/年。商业船舶是NOX和PM2.5排放的主要来源，分别占2122吨/年和122吨/年（表5）。这些数值分别占总海洋排放量的约57%和78%。讨论结果表明，仅凭总排放量无法推断海洋运输对空气质量的影响。虽然商业船舶产生的NOX和PM2.5年排放量更大，但模型预测的最高浓度与市政渡轮运营相关。这种对比反映了源位置、操作频率和接近人口密集接收区的重要性。在内湾反复释放的排放物，特别是在渡轮附近。结论本研究使用EMEP/EEA第三级方法量化了伊兹密尔湾的商业航运和市政渡轮运营的排放量，并通过AERMOD扩散模型评估了它们对城市空气质量的影响。结果显示，商业船舶是NOX和PM2.5排放的主要来源，而市政渡轮则贡献了最多的海洋CO排放。扩散模型表明，仅靠自下而上的排放清单并不能完全反映……作者贡献声明G?kdeniz Alk??：正式分析、数据整理。Abdurrahman Bayram：撰写——初稿、方法论、调查、正式分析、数据整理。Tolga Elbir：撰写——审阅与编辑、可视化、监督、方法论、概念化。伦理批准本研究没有涉及人类参与者、动物或任何可识别的个人数据，因此不需要伦理批准和知情同意。在撰写过程中使用生成式AI和AI辅助技术在准备本手稿时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来辅助语言编辑、语法纠正和结构优化。AI工具仅用于提高清晰度和可读性。所有内容都经过作者的严格审查、修改和批准，作者对工作的准确性、原创性和完整性负全责。资金这项研究没有外部资助。利益冲突声明作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文报告的工作。G?kdeniz Alk??|Abdurrahman Bayram|Tolga Elbir