二甲基硫海空通量扰动的模拟及其对极地气候的影响 | JOL论文推荐

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采用大气环流模型(AGCM)，用二甲基硫(DMS)海空通量在21世纪末期的扰动与当代气候下的人为气溶胶的模拟来研究南北极气候的变化。

大多数与硫循环相关的量在南极的夏天变化率最高。DMS通量的扰动导致南极的DMS垂直积分增加约45%，北极的增加33.6%；平均表面温度在南极冷却1K，在北极冷却0.8K。

根据DMS海空通量扰动所导致的硫排放量的变化可以预测，到本世纪后期，DMS的海空通量可能对全球变暖(尤其是南极地区)产生抵消作用。

海洋排放的二甲基硫(dimethylsulfide, DMS)作为全球硫循环中的关键化合物，已被公认为是海洋大气中硫化物的主要天然源，特别是在极地地区更为明显。DMS源自酶前体化合物二甲基硫化物, 最初在海洋浮游植物中被识别出来。海洋中的DMS排放到大气中经过光化学反应后产生大量的硫化物，包括二氧化硫(SO2)、硫酸(H2SO4)、二甲亚砜(DMSO)和甲基磺酸(MSA)。SO2氧化形成硫酸盐颗粒，在水蒸气中起着云凝结核 (Cloud Condensation Nuclei,CCN)的作用。

早在1987年，Charlson等人提出了CLAW假说，提出升温导致的海洋DMS排放量的增加可以通过改变CCN影响云微物理，增加云量，从而增加全球反照率，减少到达地球表面的太阳辐射，导致气候变冷。在过去的二十多年中，CLAW假说的关键部分得到了经验的证实。其中包括DMS氧化产物(MSA)和CCN之间的观测一致性，以及气溶胶核化与DMS海洋周期之间的联系。卫星数据和全球硫化物运输模型也证实了DMS作为CCN和硫酸盐气溶胶在偏远海洋中的重要作用，特别是在人为硫排放量相对较低的南半球。后来有人建议将太阳辐射与DMS生产联系起来，作为DMS-气候反馈的另一个可能方面，通过这种反馈，云量的减少将促进DMS的排放。

气候变化和海洋变暖无疑将改变海洋食物网的各个方面，从而也影响DMS的生产。尽管DMS海空通量在整个气候中所起的作用似乎只占不到10%，但其在极地地区所发挥的特殊作用已在全球建模分析中得到证实。DMS海空通量最大扰动出现在南北极地区，特别是在50°S-60°S 之间，扰动达到+106.9%。

目前尚不清楚DMS通量的这种扰动，以及由此导致的极地大气中硫浓度的变化，如何影响地球的整体辐射平衡。为了研究DMS通量增加对整体辐射的影响，南通大学理学院的瞿波教授联合澳大利亚格里菲斯大学环境学院的Albert J. Gabric教授等，采用嵌入了硫化学模块的大气环流模型(AGCM)，研究了由DMS通量扰动引起的南北极气候变化(预测到21世纪后期)，并评估人为气溶胶对整体效应的贡献。研究论文“Simulated perturbation in the sea-to-air flux of dimethylsulfide and the impact on polar climate”发表于Journal of Oceanology and Limnology 2021年第1期，瞿波教授为文章第一作者和通讯作者。

研究结果

该研究模拟了两个极地区域DMS海空通量变化对大气化学的影响：北极65°N-80°N和南极50°S-70°S。研究结果表明两个极地地区之间有明显差异。一般来说，大多数与硫循环相关的量在南极地区的变化率较高，尤其是在南半球的夏季。然而，较高的硫化物浓度大多出现在北极。DMS通量扰动导致南极的DMS 垂直积分增加约45%(图1a)，北极的增加33.6%(图1b)。

图1 南极(a)和北极(b)的DMS 垂直积分的年平均分布

ART: 南极； ARC: 北极

在DMS通量扰动之后，二氧化硫(SO2)的垂直积分在南极会增加43.1%，但在北极仅增加7.5%。虽然北极的DMS和SO2的相关增长率较低，但北极的SO2相对浓度要高得多。南极较高的DMS浓度表明南极的生物源硫排放比北极多。北极春季较高的SO2可能是受到北极雾霾的影响，这些雾霾主要源自人为来源的大陆气溶胶。这些气溶胶由硫酸盐组成，从中纬度向北移动，并在冬季和春季造成北极雾霾，从而影响北极气候。而南极附近没有人为污染，因此没有南极雾霾现象。

DMS通量扰动后，气溶胶光学厚度(AOD)的全球年平均变化(图2)表明，AOD在极地地区有显著增长，尤其是南极区域。

图2 扰动前后气溶胶光学厚度(AOD) 差异(扰动后-扰动前)

图3显示了AOD(暖色曲线)和表面温度(TSC，冷色曲线)在扰动前后的月平均值。扰动后AOD在南极增加了17.5%，而在北极只增加3.9%。AOD在南极的夏天(紫色线)(12月，1月，2月)增长比较大，为22.8%。

图3 南北极气溶胶光学厚度(AOD)和表面温度(TSC)的月平均值在扰动前后的比较

B00: 实线表示扰动前；B01: 虚线表示扰动后

扰动后的TSC在南极会降低1K，在北极会降低0.8K。作者多年的研究表明，在21世纪后半叶，两极地区的DMS通量将显著增加。由于两极地区环境基本上未受污染，DMS通量扰动可能导致南极和北冰洋表面降温。

作者指出，通过DMS海空通量扰动所导致的相关硫排放量的变化可以预测，到本世纪后期，特别是在南极，DMS的海空通量可能对全球变暖产生部分抵消作用。然而，随着大趋势下海表温度的增加，极地冰盖的大量融化会引起一系列生态系统与食物网结构的变化。由融冰和混合层深度的变化导致的DMS的变化会对大片极地地区的气候产生不可低估的影响。更准确地收集和分析卫星遥感数据、扩展实地数据检索和更先进的数值建模之间的协调努力，有助于制定更好的适应和缓解全球变暖的战略措施。本研究对目前的气候变化研究有深远而现实的意义，更精确的研究有待继续进行。

Citation:

Bo QU, Albert J. GABRIC, Rebecca JACKSON. 2021. Simulated perturbation in the sea-to-air flux of dimethylsulfide and the impact on polar climate. Journal of Oceanology and Limnology, 39(1): 110-121. https://doi.org/10.1007/s00343-020-0007-8

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