1、 引言（Introduction）
霾也稱灰霾，是大量極細微的塵粒等均勻地浮游在空中，使能見度小于 10km 的空氣普遍混濁的現象，霾使遠處光亮物體微帶黃、紅色，使黑暗物體微帶藍色（中國氣象局，2010）。隨著人類社會經濟的發展、工業的進步和城市化的加快，人類活動排放大量的污染物以及城市中心風速減小，為大氣氣溶膠的低空積聚創造有利條件，導致霾天氣不斷增加（張保安等，2010），從而對交通安全、人體健康、氣候變化等造成了較大的威脅，也加劇了城市光化學煙霧污染（白志鵬等，2006）。近 50 年來，中國霧霾天氣總數呈增加趨勢，霧日數明顯減少，霾日數明顯增加，且持續性霾過程顯著增加，長三角地區和珠三角地區霧霾日數增加最快（曹進冬，2013）。
國外學者對霧霾的研究源于大城市對能見度降低的重視。自 20 世紀 70 年代，世界上不少大城市空氣污染嚴重，進而導致城市能見度的降低。研究表明，PM2.5、PM10和 NO2的增加引起了城市能見度的降低（Appel et al.,1985; Hodkinson J R,1966）。Malm 等定量分析了美國霧霾天氣的時空演變，并以此為基礎進一步追蹤了霧霾物質的源頭（Malm，1992）；Marcazzan 等研究了 1997 年到 1998 年間 PM2.5和 PM10意大利米蘭地區的濃度變化，PM2.5在冬季的濃度更高（Marcazzan et al.，2001）；Macias 等通過對美國西南部多個城市霧霾天氣的個案研究，分析了氣溶膠的化學成分（Macias，1981）；此外，國外學者深入系統地研究了霧霾現象對天氣氣候的影響（Morris et al.，2006；Ferman et al.，1981）。國內學者也已經開展了較多關于霧霾天氣出現時的天氣特征和成因等的研究（潘本鋒等，2013；過宇飛等，2013；周濤等，2012；鄭慶鋒等，2012；史軍等，2010；胡亞旦等，2009；劉愛惜等，2005）。這些研究分析了霧霾天氣的主要成因和天氣形勢，為霧霾的防治及應急處理提供了理論依據，也使霧霾的預報監測成為可能。由于國內外各地氣候和地理環境存在一定差異，致使霧霾天氣產生的時間不同，且大氣環流場背景不同（范新強，2010），因此國內外學者主要通過案例分析的方式進行研究。本文以上海為例，根據上海的區位特點和氣候特征對2013 年 11 月 30 日至 2013 年 12 月 9 日的一次重霧霾過程進行案例分析。
上海是長三角經濟圈的中心，地理位置優越，人口密集，同時環境問題突出（史軍等，2010）。上海屬于亞熱帶季風氣候，位于海陸交接區域，大氣環流的地理背景受控于陸地和海洋。近幾年來，該地區霧霾天氣頻發，多出現在秋冬季節（靳利梅等，2009）。
不少研究表明，大氣中污染物的時空變化特征與氣象條件緊密相關，風、溫度、濕度、降水、大氣穩定度和混合層厚度等氣象因子影響著大氣污染物的擴散、遷移、轉變。天氣系統的演變可支配和控制局地氣象條件的變化（毛敏娟等，2013；范新強，2010；劉國紅等，2008；童堯青等，2007；朱韶峰等，1990）。
因此，將污染過程的天氣形勢和氣象因子結合分析，有利于了解污染的形成機制。而國內關于霧霾天氣的案例研究主要注重以上因素的結合，較少利用遙感數據，因此不能進一步系統地分析重霧霾天氣的演變過程和成因。
本文綜合多源數據研究了此次上海地區 2013 年入冬以來一次最嚴重且持續最久的重霧霾事件。借助空氣質量數據回顧了此次污染期間的空氣質量狀況。通過后向軌跡模式模擬了污染期間不同高度層氣團的運動軌跡，分析污染物的輸送情況，進而追蹤污染物的來源。結合地面氣象要素數據和霧霾期間的天氣狀況，深入了解了污染的形成機制。同時，分析污染期間上海地區溫度探空曲線，研究逆溫層的出現對污染物擴散的影響。最后，利用衛星遙感數據從全局尺度進一步探究該過程中氣溶膠的空間分布特征。
2、 數據與方法（Data and methods）
本文借助空氣質量指數（Air Quality Index，簡稱AQI）、顆粒物（Particulate Matter，簡稱PM）等空氣質量數據回顧了污染期間的空氣質量狀況，數據來自上海市空氣質量實時系統；通過拉格朗日混合單粒子軌道模型的（Hybrid SingleParticle Lagrangian Integrated Trajectory Model，簡稱HYSPLIT）后向軌跡模式追溯污染期間氣團的路徑來源與走向，該模型被廣泛用于計算和分析大氣污染物輸送與擴散軌跡；利用現代化人機交互氣象信息處理和天氣制作系統（簡稱MICAPS）發布的天氣圖分析污染期間的天氣演變特征，并結合能見度、風向、平均風速、平均相對濕度和溫度數據進一步研究天氣特征及成因。最后，本文利用中分辨率成像光譜儀（MODIS/Terra）的氣溶膠光學厚度數據MOD04_L2從全局尺度研究污染期間氣溶膠的空間分布情況。
3 重霧霾過程的空氣質量分析（The analysis of air quality in the process of haze）
通過分析污染期間的空氣質量狀況，可進一步回顧和了解污染過程。我國于2012年上半年出臺相關規定，用AQI取代原來的空氣污染指數（API）（中國環保局，2012）。
2013年11月30日至12月10日上海地區遭受持續10天的空氣污染，首要污染物均為PM2.5。圖1為污染期間AQI和對應的空氣質量狀況。圖1表明，12月1日、2日、5日和9日的空氣質量狀況為重度污染；12月6日的空氣質量最差，為嚴重污染，這也是上海市史上最嚴重的一次霧霾污染，并發布了霾紅色預警。圖2顯示了11月29日至12月10日期間，上海全市（9個監測站點：普陀監測站、楊浦四漂監測站、盧灣師專附小監測站、青浦淀山湖監測站、虹口涼城監測站、靜安監測站、徐匯上師大監測站、浦東川沙監測站、浦東監測站）PM2.5、PM10、NO2和SO2的日平均值變化情況。4種污染物從11月30日開始上升，PM2.5、PM10和NO2三種污染物在12月6日濃度達到最高。PM2.5和PM10的變化趨勢大體一致，NO2和SO2的變化基本一致。
PM2.5在11月30日至12月9日的日均濃度值都在100以上，于12月1日達到一個峰值，12月3日有所下降，12月4日到12月6日急速上升，并于12月6日達到最大值，為447.43m g /m，且明顯高于其他幾天的濃度值，對應的AQI為416，為嚴重污染。12月7日之后，PM2.5和PM10的日均濃度均出現一個小起伏，隨后下降。
圖3為污染事件期間PM2.5、PM10、NO2和SO2逐小時平均濃度變化情況，從該圖中，可更詳細地了解此次污染事件：大致在16時，PM2.5的小時平均濃度最低，凌晨的濃度最高，且3時至8時為峰值區間，這與早晨易出現逆溫層有關。其中，12月5日傍晚至6日傍晚，濃度急速上升，6日凌晨的PM2.5的濃度達到500以上；PM10的小時濃度變化趨勢和PM2.5的變化趨勢有一定的相似性，15時濃度最低，凌晨濃度最高，且0時至8時為峰值區間。12月5日13時明顯上升，至6日傍晚下降；NO2小時濃度變化的最低值一般為午后，小時均值的峰值于9時和17時出現，與上下班交通高峰有關（王璟等，2008）；SO2小時濃度峰值一般出現在中午，凌晨的濃度最低。
4、 重霧霾過程天氣特征及成因分析（The analysis of synoptic pattern and causes in the process of haze）
4.1 氣團后向軌跡的路徑分析
以上海（31.227°N，121.473°N）作為軌跡模擬起始點，利用 HYSPLIT 的后向軌跡模式模擬該次重污染事件氣團的運動軌跡。選擇 500m、1000m、1500m 三個高度層，不同的高度代表著不同的氣壓層的風場輸送軌跡。分別從 11 月 30 日 UTC12：00，12 月 2 日 UTC16：00 及 12 月 9 日 UTC16：00 作為起始回算時間，模擬 48 小時氣團的后向軌跡運動。圖 4（a）為 11 月 30 日 20 時（UTC 時間為 11 月 30 日 12：00 時）的后向軌跡圖，可見，1500m 高度的氣團受西北方向氣流影響，從甘肅地區自 2000m 高空開始運動，至陜西境內，氣流有明顯波動，先上升至 2500m 后下降，到達河南后氣流平穩，保持在 1500m 的高度，經安徽、江蘇抵達上海；1000m 高度的氣團從陜西出發，向東南方向運動，11 月 29 日 08 時，到達湖北境內，此后一直向東到達上海。而 500m 高度氣團主要受西南氣流影響，自江西的近地面一路上升，抵達上海。圖 4（b）為 12 月 3 日 00 時（UTC 時間為 12 月 2 日 16：00 時）的后向軌跡圖，圖中顯示，1500m和 1000m 高度的氣團都源自西北方向，分別從內蒙古和寧夏出發，且起始氣流高度均為 2500m 左右，氣流活動方向基本一致，經安徽、江蘇后抵達上海。500m 氣團活動不穩定，在 1500m 的高度，從河南境內出發，沿東南方向行進，于 12 月 1 日 14 時經過安徽后氣流突轉為偏東方向，且氣流高度下降至 700m。
與 1500m 和 1000m 氣團相比，這支 500m 的近地面氣流活動更加多變。同時，三個高度的氣團均出現了下沉運動，使得近地層大氣層結穩定，造成污染物的積聚。12 月 9 日 UTC16：00 后向軌跡圖（圖 4（c））則顯示，500m，1000m 和 1500m 高度三支氣團受西伯利亞高壓影響，均源于偏北方向，且從外蒙古開始移動。其中，1500m 高度的變化較大，自 3500m 高空開始運動，隨著時間推移，升至 4000m，于 12 月 9日 8 時以 3000m 高度經山東，隨后不斷下降至 1500m 并到達上海。而 1000m 和 500m 高度氣團變化趨勢非常相似。
結合表 1 可看出，自 11 月 30 日開始，蘭州、西安、呼和浩特、西寧和太原這些西北城市均出現了輕度污染，且持續至 12 月 8 日。其中，太原空氣狀況最差，12 月 2 日至 12 月 8 日均為中度污染。同時，根據西北地區部分城市的氣溶膠光學厚度分布（圖 5）可看出，11 月 28 日開始，陜西、山西、甘肅、內蒙古和寧夏地區高空有氣溶膠積聚，至 12 月 1 日，氣溶膠積聚范圍略有擴大，并持續至 12 月 7 日。
綜上，根據氣團的后向軌跡，以及當時西北地區的空氣質量狀況和高空氣溶膠分布情況，作者認為，在本次污染事件中，污染物從西北地區通過高空長遠距離輸送到達上海，對上?？諝赓|量產生影響。
4.2 天氣形勢與主要氣象因子變化特征
2013年11月底起，我國中東部區域出現了入冬以來第一次寒潮天氣。前期大部分地區被干冷空氣控制，隨著冷高壓轉移到東部海域，其勢力逐漸減弱，中東部大部區域轉而被變性高壓所控制。此外，近地面濕度逐漸增加，為霧霾的形成創造了有利條件。
在天氣形勢演變的基礎上，局地氣象因子的變化也影響著大氣污染物的擴散、遷移、轉變。根據國家標準，霾觀測的判識條件為能見度小于10km，排除降水、沙塵暴、揚沙、浮塵、煙幕、吹雪、雪暴等造成的視承障礙。相對濕度小于80%。相對濕度在80%~95%之間時，按照地面氣象觀測規范規定的描述或大氣成分指標進一步判識：當PM2.5濃度值大于753m g /m，PM1濃度大于653.
-mg m時即為霾。表2是上海市寶山站污染期間的能見度（為當天12時的數據）、風向、平均風速和平均相對濕度的情況。結合表2和圖2可看出，11月30日至12月9日均為霾天氣。
從11月30日20時的地面天氣形勢上看（圖6a），全國大部分區域受內蒙古冷高壓影響，華東地區天氣晴朗，近地面盛行西南氣流，風力微弱，天氣現象為霾，且天氣形勢穩定。表2中，當天12時的能見度為2.5km，相對濕度為61%，可見霾天氣已形成，且污染物已經開始沉積。同時，當天平均風速僅為1.1 m/ s ，使得輸送擴散能力弱，容易造成近地層污染物的進一步堆積。從30日20時850hPa高空天氣形勢圖上看（圖6b），上海及其周邊地區主要受弱高壓影響，本地高空垂直方向上的氣流易下沉，使得垂直方向上的污染物難擴散，逐漸累積，另外地面基本為靜穩天氣，已堆積的污染物在水平方向的擴散能力較弱，進一步導致顆粒物濃度上升，加劇了污染現象。
由12月3日20時的地面天氣形勢圖（圖6c）可分析，上海及周邊地區受低壓系統控制，空氣對流相對旺盛，在一定程度上疏散了部分污染物。結合表2，當天12時的能見度為4.7km，污染情況得到一定緩解。
由3日20時的850hPa高空天氣形勢圖（圖6d）可看出，東北高空區域有高壓槽，在一定程度上影響著上海及其周邊地區，這種高壓控制的高空天氣系統和低壓控制的地面天氣系統相互結合（洪也等，2013），在一定程度上改善了前幾日更為嚴重的污染狀況。但由于持續時間并不長，4日之后，污染情況再次加劇，5日的平均風速僅為0.7m/s。至12月6日，污染程度最嚴重，華東大部分地區處于內蒙古高壓控制的均壓場下，風力較弱，天氣形勢穩定，大氣擴散條件非常差，不利的氣象條件造成污染物持續累積。直到9日（圖6e，6f），近地面受低壓控制，云量較大，地面盛行偏北風，且風的級數較高，風力較強，其高空受高壓控制，同時，受來自東南方向的北太平洋的強冷平流影響，兩種天氣系統相互配置，有利于霧霾的擴散和轉移。
4.3 大氣溫度層結分析
近地層垂直方向上出現的逆溫有利于霧霾天氣的出現（馬小會等，2013）。高空氣溫高于低空氣溫致使大氣層低空空氣在垂直方向的運動受限，最終導致污染基本無法向高空擴散，從而被阻滯在近地面低空區域[23,24]。圖7為2013年11月29日至12月10日上海地區的溫度探空曲線。由圖可知，在該時間段內，上海的近地面存在著明顯的逆溫層，且具有連續性，有些時日的高空也存在逆溫現象。其中，30日8時和20日的逆溫強度都很大，可見，這些時刻，污染物已開始在近地面累積，結合圖1，30日的早晚逆溫可作為解釋當天中輕度污染的原因之一，并且隨后逆溫依然存在，與圖2 PM2.5、PM10的濃度上升相對應。值得注意的是，分析5日8時的探空曲線，1km以下的大氣逆溫層現象比較復雜，在5日20時，2.5-3km處有顯著逆溫，其強度甚至大于該時刻近地面的逆溫，由此可見，近地面的空氣垂直運動不活躍，高空層的逆溫使得污染物無法在垂直方向上擴散，從而加劇了污染物的堆積。6日的8時和20時，高空均出現逆溫，從20時的探空曲線可看出，1.5-2.5km之間出現了兩次逆溫，結合圖1中6日AQI的超高值和圖2中6日PM2.5、PM10濃度的最高值分析，逆溫現象的出現與污染物的沉積有著必然聯系。逆溫現象一直持續到10日，10日之后才逐漸消失，同時，霧霾也逐漸擴散和轉移。綜上可見，近地面的逆溫層限制了人類活動排放產生的污染物的擴散；1.5km及以上高度層逆溫層的出現，導致1.5km以下污染物向上擴散受阻，從而累積成一個較厚的氣溶膠層，致使持續性的污染天氣。
5 結論（Conclusion）
本文結合多源數據深入地分析了上海地區11月30日至12月9日的一次重污染事件的天氣特征及成因，得出此次霧霾天氣過程具有復雜性，持續性的特點，空氣嚴重污染。借助AQI和PM2.5、PM10、NO2和SO2四種污染物的日平均濃度變化，可分析出12月1日、2日、5日和9日的空氣質量狀況為重度污染，對應的AQI為243、275、264和216。12月6日的空氣質量最差，AQI高達416，為上海地區史上最嚴重霧霾污染。分析上海地區PM2.5、PM10、NO2和SO2的每小時濃度變化趨勢得出，早晚是高濃度值出現的時段，結合上海地區的溫度探空曲線分析，污染期間早晚近地層均出現了不同程度的逆溫現象，不利于人類活動排放的污染物的擴散。同時，城市交通高峰期也出現在早晚時間段，因此致使了早晚四種指標濃度的上升。
大氣污染具有明顯的區域性特征，并且具有跨區域影響。在特定的地理區位條件和大氣環流場的影響下，污染物可通過遠距離輸送影響其他地區。重霧霾期間，上海地區受西北地區的冷高壓控制，風力較弱，能見度低，相對濕度基本均小于80%，天氣條件靜穩，利于霧霾天氣的形成。同時，結合后向軌跡模式模擬不同高度層的氣團路徑，分析表明，外來的大氣污染物源自西北方向，經過遠距離跨區域的輸送到達上海地區。最后，利用MODIS AOD數據從空間尺度探究了氣溶膠的分布特征，研究表明，上海地區重污染期間，長三角各城市均出現了不同程度的污染，揭示了此次污染為區域性污染。
綜上可得出，本文結合多源數據探討了上海地區的重霧霾事件，各個數據具有可獲取性、真實性和可靠性。各個數據從不同角度揭示的現象之間相互影響，且得出的結論之間聯系緊密。結合多源數據的研究方法在上海地區具有適用性，適用于上海地區的區位特征。
本文的研究處于理論研究階段，未來需結合重霧霾過程的物理和化學機制，將本文的研究結果應用到實際霧霾治理的工作中，從而開展城市霧霾預警預報，更好地服務社會。
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