近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授朱雷课题组在学术期刊PNAS Nexus发表题为“Observing network effect of shipping emissions from space: a natural experiment in the world's busiest port”的论文。

近年来，全球80%以上的贸易量是通过海运完成的。海洋贸易关系可以看作一个以港口为节点、以船舶航线为连边的复杂贸易网络。中国作为全球最大货物贸易国和第二大经济体，在全球货物和集装箱吞吐量排名前十的港口中分别占第八席和第七席。海洋贸易带来的船舶氮氧化物（NOx）排放约占总排放的20%，给区域空气质量和全球气候变化带来持续威胁。由于船舶具有数量多、流动性强等特点，目前近实时排放数据基础较为薄弱，且排放动态变化与贸易网络关联的机制不明。基于卫星遥感和模式模拟的大气污染物排放监测具有时空连续性长、观测频次高、覆盖范围大等优势。

本研究以2022年上海封城为研究案例，利用长时序GOME-2和高分辨率TROPOMI卫星观测结合大气化学传输模式GEOS-Chem进行“自上而下”的船舶NOx排放反演。在此基础上，捕捉上海港及其他中国海域的船舶NOx排放动态变化，并结合海洋贸易网络特征揭示船舶排放转移的潜在机制及其对区域复合污染的影响。

图1. 港口引力模型预测的中国沿海各省最大港口间的贸易流量

基于全球船舶自动识别系统（AIS）实测信息的港口引力模型预测，上海港与宁波-舟山港口群的海洋贸易联系最为紧密，与大连、天津、青岛及连云港等北方港口也有大量贸易往来。

图2. (a) 2022年3-4月上海封城期间GOME-2自上而下反演的船舶NOx排放变化（与2021年同期相比） (b) 基于AIS大数据的大型港口船舶挂靠记录

基于GOME-2卫星自上而下反演的船舶NOx排放变化显示，2022年上海封城期间上海港船舶NOx排放减低-41.7%，同时宁波-舟山港口群升高22.2%。船舶NOx排放变与AIS船舶进出港挂靠记录一致。

图3. (a)TROPOMI自上而下反演的上海港周边船舶NOx排放变化 (b) 港口船舶挂靠艘次示意图

受封城影响，本应流向上海的贸易流量须流入其他港口。高分辨率TROPOMI观测为发现局地事件使上海港流量在贸易网路的约束下重新分配至宁波-舟山港口群的现象提供数据支撑。

图4. 地表臭氧浓度对船舶NOx排放变化对的GEOS-Chem敏感性实验

GEOS-Chem敏感性实验显示，由贸易驱动的船舶NOx排放转移对上海和宁波-舟山区域的地表臭氧有直接影响，指出了动态刻画复合污染本地和区域来源的复杂性和必要性。

2022上海封城事件为捕捉海洋贸易关系创造了机会，在这个罕见的自然实验中，单个重要港口的关闭迫使港口流量在贸易网络的约束下重新分配。本研究发展了基于近实时卫星遥感观测和大气化学模式模拟的自上而下船舶NOx排放反演技术，并结合海洋贸易网络特征揭示了船舶NOx排放转移的潜在机制，为动态化的减排策略制定提供理论和技术支持。

南方科技大学为本论文第一通讯单位，环境科学与工程学院研究助理教授刘嵩为论文第一作者，助理教授朱雷为通讯作者，共同作者包括环境科学与工程学院讲席教授杨新、教授傅宗玫等。该研究得到了国家自然基金青年项目、广东省科学技术厅重点领域研发计划、广东省基础与应用基础研究基金、广东省教育厅创新团队、深圳市科技创新委员会等项目的支持。计算资源由南方科技大学科学与工程计算中心提供。

论文链接: https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgad391

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：晏梓添

主图：丘妍

编辑：曾昱雯