塑料垃圾排放到全球海洋受到海水观测的限制
海洋塑料污染对生态系统构成潜在威胁，但来源及其规模在很大程度上仍不清楚。现有的自下而上的排放清单因研究而异，为两到三个数量级（OMs）。在文章中，作者采用自上而下的方法，使用观察到的海面塑料浓度数据集和海洋运输模型的集合来减少全球塑料排放的不确定性
海洋表面塑料
作者选择三种排放情景来表示文献中排放清单产生的不确定性范围：一种排放情景为库存是针对塑料总量的，包括微塑料（直径<5毫米）和大塑料（直径>5毫米），而另一种排放情景为库存仅包括微塑料。在敏感性分析中，作者根据河流样本中微塑料的质量分数将清单中的微塑料排放转移到总塑料中，但优化的排放不会受到显著影响。对于每种情况，作者还考虑了沿海地区的直接排放以及来自航运和捕鱼活动的海洋来源，后两者按河流排放量缩放，导致全球排放量的结果分别适用于这三种方案。
三种情景的建模结果揭示了表层海洋塑料分布的巨大空间变异性，并成功地复制了两个半球亚热带海洋环流中“垃圾斑块”的发展，如图2所示。在这些具有反气旋风应力、Ekman 传输和直接风阻效应的区域，形成一个集中浮力塑料的汇聚区。
模型不确定性
由于相对粗糙的分辨率和简化的海洋物理学，该模型具有较大的不确定性。一些小规模过程的影响，如反气旋和气旋涡流不包括在模型中。这些过程相当复杂，在不同的研究中发现成反比，此外，目前对海洋中塑料的物理和生物地球化学过程的理解是不完整的。在更精细的分辨率和更多的灵敏度实验之间确实存在权衡。作者设置了许多模型场景来测试模型结果对模型参数的敏感性，使得我们能够评估模型的不确定性，并将其与塑料排放的不确定性进行比较。这些模型情景具有不同的破碎/磨损、滩涂、生物污染和沉降速率，其值范围与作者参考文献中报告的值一致，并由相同的排放情景驱动。此外，作者提出的模型侧重于全球规模，因此小规模流程的影响似乎具有二阶重要性。
不确定性的另一个主要来源是海藻对塑料的生物淤积，这是正浮力塑料垂直运输的主要驱动力。生物污染率由藻类附着、生长、呼吸和死亡率决定，这些过程被认为是三种类型塑料之间的转化路线：浮动、中性和下沉，在该模型中，生物污染程度和密度不断增加。
滩涂/沉积速率是不确定性的重要来源，因为海滩和沉积物是海洋塑料的主要水库。塑料在海滩/沉积物上的滩涂/沉降、再悬浮和最终停留时间的速率取决于塑料的特性、海滩/海底的形态特征、风、环流和波浪条件。
模型集成和最佳发射
作者通过蒙特卡罗方法评估与这些模型参数相关的整体不确定性，因为多个参数可以同时在很宽的范围内变化，并且可能彼此之间产生显着的相互作用。 在中等排放情景的驱动下，生成了50个模型的集合，从其参考的文献报告的范围中随机抽取多个模型参数。作者发现，在预测海洋总表层塑性质量方面，不同的系综成员跨越了一个OM。总体而言，作者发现不同排放清单（跨越2.2 OMs）引起的变异性远远超过模型参数（跨越3-1 OMs）的变异性，这表明该模型在约束排放量方面可能有效。
作者采用超集成三维变分法优化的全球海洋塑料排放的概率分布。该方法通过最小化成本函数来优化全球塑料排放，该成本函数测量与先前排放清单的偏差和观测到的表层海洋塑料丰度。对超级系综的每个成员重复这样的优化过程。作者注意到，不同排放清单之间的差异（1.4 OMs）远远超过观测到的海洋塑料丰度数据（平均值0.38 OM）。因此，成本函数对观测到的海洋塑料丰度数据的偏差比与先前排放清单的偏差更为重要。换句话说，优化排放主要是通过最小化模型和观测得出的海洋表面塑料浓度来实现的，而先验排放估计的影响相对较小。然而，这并不意味着先前的排放估计是无用的，因为优化的排放遵循与先前排放清单中塑料排放相同的空间和时间分布、化学成分、源贡献和大小分布。随着对排放清单的了解得到加强，先前排放不确定性得到更好的约束，先前排放估计的重要性将会增加。
我们对塑料排放的优化估计的不确定性相对较高。首先，它是由模型集成表示的模型参数的可变性贡献的。与观测相比，由最佳估计排放量驱动的模拟海洋浓度的平均绝对误差为0.68 OM，77%的点的误差小于OM，这可能代表提出的模型集合未表征其他模型不确定性。对海洋塑料环境过程的不断发展的理解将缩小优化估计的不确定性范围。其次，本研究中使用的自上而下的方法限制了辨别河流排放以及沿海地区或海洋来源的直接排放，以及它们的空间和时间模式。不断积累的观测结果也能够使在未来限制个别海洋盆地的特定源和/或区域排放。第三，作者的结果依赖于2000-2015年期间通过“零星”巡航研究观测到的表面塑料丰度数据集，这些研究通常不重复，主要位于环流的中心。覆盖全球海洋（例如，在南半球）和更长时间段的更多观测数据可以提高最佳估计的可靠性。第四，对其他隔间（例如水柱和海滩）中塑料丰度的观察相当有限，无法评估模型。作者提出的的模型捕获了观察到的垂直趋势，表明了表层海洋中塑料质量比例的合理表示。模型集合产生各种搁浅的塑料占总排放量的比例，其中括号了真实海洋中潜在高度可变的搁浅部分。范围的高端不太可能出现在融合中，可能高于观测值。因此，作者建议将自下而上和自上而下的方法相结合，例如开发更准确的排放清单，获取海水和其他隔间中塑料丰度的更多数据，以及测量更准确的模型参数，将是未来的研究方向。
来源：《nature》