智利东南太平洋沿岸地区，海洋生物源二甲基硫排放对大气中硫化学过程的作用

《Atmospheric Pollution Research》：Role of oceanic biogenic emissions of dimethyl sulfide in air sulfur chemistry along the southeastern Pacific Chilean coast

　　

埃内斯托·皮诺-科尔特斯（Ernesto Pino-Cortés）|玛丽埃拉·马丁内斯-帕斯滕（Mariela Martínez-Pastén）|塞缪尔·卡拉斯科（Samuel Carrasco）|凯瑟琳·戈麦斯（Katherine Gómez）|乔舒亚·S·傅（Joshua S. Fu）|费尔南多·冈萨雷斯·塔博阿达（Fernando González Taboada）|阿方索·萨伊兹-洛佩兹（Alfonso Saiz-Lopez）|拉斐尔·P·费尔南德斯（Rafael P. Fernandez）|乔纳森·阿科斯塔（Jonathan Acosta）|戈拉姆·萨尔瓦尔（Golam Sarwar）|胡安·赫费尔（Juan H?fer）

智利瓦尔帕莱索天主教大学化学工程学院，瓦尔帕莱索，智利

摘要

本研究评估了海洋中生物源二甲基硫（DMS）排放对南美洲东南太平洋沿岸城市污染物浓度的潜在影响。我们使用专用的WRF-SMOKE-CMAQ建模系统模拟了大气污染物的光化学过程和传输过程，比较了包含和不包含海洋DMS排放的两种情景。分析重点关注了位于智利中部和南部的金特罗（Quintero）和瓦尔迪维亚（Valdivia）地区。夏季，金特罗地区的海气通量预测DMS排放峰值分别为3 μmol·m^?2·d^?1和15 μmol·m^?2·d^?1。值得注意的是，海洋气团在金特罗地区的内陆传输使智利首都圣地亚哥（Santiago）的SO₂浓度增加了18.5%，同时瓦尔迪维亚地区的SO₂浓度平均增加了7.4%。在夏季，海洋DMS对SO₂预算的贡献在金特罗沿海地区（0.15-0.20 ppb）高于瓦尔迪维亚地区（0.01-0.02 ppb），这是由于当地大气中羟基（OH）和硝酸盐（NO₃）自由基含量较高。然而，在瓦尔迪维亚的海洋空气中，海洋DMS是SO₂的主要天然硫源，贡献了0.06 ppb（相对变化率为200%）。我们的结果强调了海洋生物源硫排放在调节东南太平洋沿岸区域硫化学中的作用，并强调了在智利区域空气质量评估中纳入海洋DMS排放和化学过程的必要性。

引言

南美洲东南太平洋沿岸在南半球最凉爽的季节（4月至10月）通常会经历多次空气污染事件（Correia Filho等人，2024年），其中智利中部和南部地区由于颗粒物（PM₁₀和PM_2.5）浓度高而受到严重影响（Villacura等人，2024年）。某些时期还测量到了高水平的二氧化硫（SO₂）（Toro等人，2024年）。在过去30年里，智利实施了多项环境保护措施和限制措施以减少空气污染（Mardones和Cornejo，2020年），包括《清洁空气法》的颁布。然而，至今仍有许多空气污染事件影响着人类健康、生活质量及生态系统。此外，许多监测活动为研究和环境政策提供了关键信息（Jorquera，2021年）。

在智利，已经进行了多项空气质量模拟研究，主要关注人口密集和工业发达地区的PM_2.5和PM₁₀分析，例如圣地亚哥（Cuchiara等人，2017年；Jorquera和Castro，2010年；Mazzeo等人，2018年；Saide等人，2011年）。智利中部的金特罗-普琼卡维-康孔（Quintero-Puchuncavi-Concon）和南部的瓦尔迪维亚等沿海城市地区每年都会多次遭受类似的空气污染事件。生活在这些城市地区的人们经常暴露在人为污染的空气团和海洋海风混合体中。这种现象在沿海地区很常见，表明海洋与陆地之间存在强烈的相互作用，导致气溶胶组成多样化且外部混合程度高（Riemer等人，2019年）。

以往关于金特罗地区空气质量的建模研究使用了社区多尺度空气质量建模系统（CMAQ），主要关注颗粒物，但仅包括了人为排放源，忽略了海洋来源，这可能导致颗粒物浓度被低估（Pino-Cortés等人，2022a）。最近，该地区的传统大气模拟研究引入了人工智能、神经网络或深度学习等新技术（Vallejo等人，2025年；Perez等人，2025年），使预测精度提高了78%，但这些研究尚未包含海洋排放。这些研究展示了使用先进建模工具研究空气质量的潜力。然而，使用这些方法研究O₃和SO₂等污染物的研究仍然有限。例如，最近一项在瓦尔迪维亚进行的空气质量建模研究仅模拟了住宅供暖源的颗粒物（PM_2.5和PM₁₀排放，而忽略了SO₂的分析（Pino-Cortés等人，2024年）。

尽管智利拥有漫长的海岸线和富饶的水域，能够产生大量生物源海洋排放物（如二甲基硫DMS - CH₃SCH₃），但对其自然排放的影响尚未得到深入研究（Pino-Cortés等人，2025年）。这种来源的主要排放物是海盐颗粒和气体化合物，尤其是DMS，它是过去50年来研究最多的示踪物质之一。DMS与羟基（OH）自由基的主要大气反应生成SO₂、甲基过氧自由基（CH₃O₂）和甲醛（CH₂O）。另一种与OH的反应通过加成途径生成SO₂，同时产生甲磺酸（MSA）。DMS还与硝酸盐（NO₃）反应生成亚硝酸（HNO₃），同时产生相同的气态物质。这些化学反应已被用于多项空气质量建模研究（Li等人，2020年；Mu?iz-Unamunzaga等人，2018年；Song等人，2022年）。卤素自由基也是DMS的重要大气吸收剂（Chen等人，2018年；Saiz-Lopez和von Glasow，2012年）。这些反应对海洋-大气硫循环至关重要，影响气溶胶形成和云凝结核（CCN）动态（Wohl等人，2024年）。

尽管人为活动仍是城市地区空气污染物的主要来源，但准确的评估需要包括所有可能的污染源，特别是沿海地区的生物源（Gupta等人，2025年）。改进DMS排放参数化及其转化为SO₂的过程可以提高模型模拟区域空气质量及气候相关气溶胶过程的能力（Joge等人，2024年）。DMS是由海洋浮游植物活动及其与海洋细菌的相互作用产生的副产品，其排放量受光照、水温、营养物质可用性以及浮游植物和细菌群落组成的影响（Gupta等人，2024年；Hopkins等人，2023年；Xu等人，2023年；Yan等人，2024年）。在沿海城市地区，人为富营养化导致营养物质负荷增加，从而促进浮游植物生长，进而增加近岸地区的DMS排放（Gypens和Borges，2014年）。这种增加可能与特定的气象条件和现象（如沿海低气压）相关，进一步促进污染物的传输和积累，恶化沿海城市地区的空气质量（Toro A等人，2019年）。

本研究的主要目的是评估海洋DMS排放对智利沿海城市地区大气硫化合物的影响，重点关注金特罗和瓦尔迪维亚地区。为此，我们比较了包含和不包含海洋DMS排放的模拟实验。这种对比设计使我们能够评估外来天然生物源硫对沿海空气质量影响的相对重要性和作用机制。我们的发现旨在改进区域建模框架中对海洋-大气相互作用的描述，并为环境研究提供更多知识。在陆地-海洋相互作用导致空气质量恶化的地区研究这些过程，有助于加深对海洋生物源排放调节空气质量作用的理解。

章节摘录

方法论

我们使用数值模拟来评估海洋DMS排放对空气质量的贡献。首先，我们模拟了东南太平洋沿海地区的气象条件。接下来，我们处理了排放清单数据，准备了包含和不包含海洋DMS排放的两种情景。最后，在每种情景下运行区域光化学模拟实验，以评估海洋DMS对区域城市空气质量的贡献

DMS排放估算

图1和图2分别显示了每个时间段内12天的平均每日海洋DMS排放分布，其中瓦尔迪维亚和金特罗地区的排放量最高。在两个地区，夏季的排放量最高，瓦尔迪维亚沿海地区的平均排放量约为15 μmol·m^?2·d^?1，而金特罗地区的最大排放量为3 μmol·m^?2·d^?1

结论

利用WRF-SMOKE-CMAQ系统模型研究海洋DMS的小时变化有助于更好地理解智利中部和南部地区的区域硫化学过程。夏季，瓦尔迪维亚和金特罗地区的海洋DMS排放量最高，而秋季和冬季的排放量显著较低。在瓦尔迪维亚，夏季沿海地区的平均排放量约为15 μmol·m^?2·d^?1

免责声明

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资助

本研究由智利国家研究与发展局（ANID）Fondecyt Iniciación 11230189项目资助。本研究部分使用了NLHPC（ECM-02）的超级计算基础设施。

CRediT作者贡献声明

埃内斯托·皮诺-科尔特斯（Ernesto Pino-Cortés）：概念构思、资金获取、研究、方法论、资源、软件、可视化、初稿撰写。玛丽埃拉·马丁内斯-帕斯滕（Mariela Martínez-Pastén）：方法论、软件、验证、初稿撰写。塞缪尔·卡拉斯科（Samuel Carrasco）：方法论、初稿撰写、审稿与编辑。凯瑟琳·戈麦斯（Katherine Gómez）：方法论、软件、验证、初稿撰写。乔舒亚·S·傅（Joshua S. Fu）：监督、初稿撰写、审稿与编辑。费尔南多·冈萨雷斯（Fernando González）：

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