大气科学论文
1、 引言（Introduction）
霾也称灰霾，是大量极细微的尘粒等均匀地浮游在空中，使能见度小于 10km 的空气普遍混浊的现象，霾使远处光亮物体微带黄、红色，使黑暗物体微带蓝色（中国气象局，2010）。随着人类社会经济的发展、工业的进步和城市化的加快，人类活动排放大量的污染物以及城市中心风速减小，为大气气溶胶的低空积聚创造有利条件，导致霾天气不断增加（张保安等，2010），从而对交通安全、人体健康、气候变化等造成了较大的威胁，也加剧了城市光化学烟雾污染（白志鹏等，2006）。近 50 年来，中国雾霾天气总数呈增加趋势，雾日数明显减少，霾日数明显增加，且持续性霾过程显著增加，长三角地区和珠三角地区雾霾日数增加最快（曹进冬，2013）。
国外学者对雾霾的研究源于大城市对能见度降低的重视。自 20 世纪 70 年代，世界上不少大城市空气污染严重，进而导致城市能见度的降低。研究表明，PM2.5、PM10和 NO2的增加引起了城市能见度的降低（Appel et al.,1985; Hodkinson J R,1966）。Malm 等定量分析了美国雾霾天气的时空演变，并以此为基础进一步追踪了雾霾物质的源头（Malm，1992）；Marcazzan 等研究了 1997 年到 1998 年间 PM2.5和 PM10意大利米兰地区的浓度变化，PM2.5在冬季的浓度更高（Marcazzan et al.，2001）；Macias 等通过对美国西南部多个城市雾霾天气的个案研究，分析了气溶胶的化学成分（Macias，1981）；此外，国外学者深入系统地研究了雾霾现象对天气气候的影响（Morris et al.，2006；Ferman et al.，1981）。国内学者也已经开展了较多关于雾霾天气出现时的天气特征和成因等的研究（潘本锋等，2013；过宇飞等，2013；周涛等，2012；郑庆锋等，2012；史军等，2010；胡亚旦等，2009；刘爱惜等，2005）。这些研究分析了雾霾天气的主要成因和天气形势，为雾霾的防治及应急处理提供了理论依据，也使雾霾的预报监测成为可能。由于国内外各地气候和地理环境存在一定差异，致使雾霾天气产生的时间不同，且大气环流场背景不同（范新强，2010），因此国内外学者主要通过案例分析的方式进行研究。本文以上海为例，根据上海的区位特点和气候特征对2013 年 11 月 30 日至 2013 年 12 月 9 日的一次重雾霾过程进行案例分析。
上海是长三角经济圈的中心，地理位置优越，人口密集，同时环境问题突出（史军等，2010）。上海属于亚热带季风气候，位于海陆交接区域，大气环流的地理背景受控于陆地和海洋。近几年来，该地区雾霾天气频发，多出现在秋冬季节（靳利梅等，2009）。
不少研究表明，大气中污染物的时空变化特征与气象条件紧密相关，风、温度、湿度、降水、大气稳定度和混合层厚度等气象因子影响着大气污染物的扩散、迁移、转变。天气系统的演变可支配和控制局地气象条件的变化（毛敏娟等，2013；范新强，2010；刘国红等，2008；童尧青等，2007；朱韶峰等，1990）。
因此，将污染过程的天气形势和气象因子结合分析，有利于了解污染的形成机制。而国内关于雾霾天气的案例研究主要注重以上因素的结合，较少利用遥感数据，因此不能进一步系统地分析重雾霾天气的演变过程和成因。
本文综合多源数据研究了此次上海地区 2013 年入冬以来一次最严重且持续最久的重雾霾事件。借助空气质量数据回顾了此次污染期间的空气质量状况。通过后向轨迹模式模拟了污染期间不同高度层气团的运动轨迹，分析污染物的输送情况，进而追踪污染物的来源。结合地面气象要素数据和雾霾期间的天气状况，深入了解了污染的形成机制。同时，分析污染期间上海地区温度探空曲线，研究逆温层的出现对污染物扩散的影响。最后，利用卫星遥感数据从全局尺度进一步探究该过程中气溶胶的空间分布特征。
2、 数据与方法（Data and methods）
本文借助空气质量指数（Air Quality Index，简称AQI）、颗粒物（Particulate Matter，简称PM）等空气质量数据回顾了污染期间的空气质量状况，数据来自上海市空气质量实时系统；通过拉格朗日混合单粒子轨道模型的（Hybrid SingleParticle Lagrangian Integrated Trajectory Model，简称HYSPLIT）后向轨迹模式追溯污染期间气团的路径来源与走向，该模型被广泛用于计算和分析大气污染物输送与扩散轨迹；利用现代化人机交互气象信息处理和天气制作系统（简称MICAPS）发布的天气图分析污染期间的天气演变特征，并结合能见度、风向、平均风速、平均相对湿度和温度数据进一步研究天气特征及成因。最后，本文利用中分辨率成像光谱仪（MODIS/Terra）的气溶胶光学厚度数据MOD04_L2从全局尺度研究污染期间气溶胶的空间分布情况。
3 重雾霾过程的空气质量分析（The analysis of air quality in the process of haze）
通过分析污染期间的空气质量状况，可进一步回顾和了解污染过程。我国于2012年上半年出台相关规定，用AQI取代原来的空气污染指数（API）（中国环保局，2012）。
2013年11月30日至12月10日上海地区遭受持续10天的空气污染，首要污染物均为PM2.5。图1为污染期间AQI和对应的空气质量状况。图1表明，12月1日、2日、5日和9日的空气质量状况为重度污染；12月6日的空气质量最差，为严重污染，这也是上海市史上最严重的一次雾霾污染，并发布了霾红色预警。图2显示了11月29日至12月10日期间，上海全市（9个监测站点：普陀监测站、杨浦四漂监测站、卢湾师专附小监测站、青浦淀山湖监测站、虹口凉城监测站、静安监测站、徐汇上师大监测站、浦东川沙监测站、浦东监测站）PM2.5、PM10、NO2和SO2的日平均值变化情况。4种污染物从11月30日开始上升，PM2.5、PM10和NO2三种污染物在12月6日浓度达到最高。PM2.5和PM10的变化趋势大体一致，NO2和SO2的变化基本一致。
PM2.5在11月30日至12月9日的日均浓度值都在100以上，于12月1日达到一个峰值，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日达到最大值，为447.43m g /m，且明显高于其他几天的浓度值，对应的AQI为416，为严重污染。12月7日之后，PM2.5和PM10的日均浓度均出现一个小起伏，随后下降。
图3为污染事件期间PM2.5、PM10、NO2和SO2逐小时平均浓度变化情况，从该图中，可更详细地了解此次污染事件：大致在16时，PM2.5的小时平均浓度最低，凌晨的浓度最高，且3时至8时为峰值区间，这与早晨易出现逆温层有关。其中，12月5日傍晚至6日傍晚，浓度急速上升，6日凌晨的PM2.5的浓度达到500以上；PM10的小时浓度变化趋势和PM2.5的变化趋势有一定的相似性，15时浓度最低，凌晨浓度最高，且0时至8时为峰值区间。12月5日13时明显上升，至6日傍晚下降；NO2小时浓度变化的最低值一般为午后，小时均值的峰值于9时和17时出现，与上下班交通高峰有关（王璟等，2008）；SO2小时浓度峰值一般出现在中午，凌晨的浓度最低。
4、 重雾霾过程天气特征及成因分析（The analysis of synoptic pattern and causes in the process of haze）
4.1 气团后向轨迹的路径分析
以上海（31.227°N，121.473°N）作为轨迹模拟起始点，利用 HYSPLIT 的后向轨迹模式模拟该次重污染事件气团的运动轨迹。选择 500m、1000m、1500m 三个高度层，不同的高度代表着不同的气压层的风场输送轨迹。分别从 11 月 30 日 UTC12：00，12 月 2 日 UTC16：00 及 12 月 9 日 UTC16：00 作为起始回算时间，模拟 48 小时气团的后向轨迹运动。图 4（a）为 11 月 30 日 20 时（UTC 时间为 11 月 30 日 12：00 时）的后向轨迹图，可见，1500m 高度的气团受西北方向气流影响，从甘肃地区自 2000m 高空开始运动，至陕西境内，气流有明显波动，先上升至 2500m 后下降，到达河南后气流平稳，保持在 1500m 的高度，经安徽、江苏抵达上海；1000m 高度的气团从陕西出发，向东南方向运动，11 月 29 日 08 时，到达湖北境内，此后一直向东到达上海。而 500m 高度气团主要受西南气流影响，自江西的近地面一路上升，抵达上海。图 4（b）为 12 月 3 日 00 时（UTC 时间为 12 月 2 日 16：00 时）的后向轨迹图，图中显示，1500m和 1000m 高度的气团都源自西北方向，分别从内蒙古和宁夏出发，且起始气流高度均为 2500m 左右，气流活动方向基本一致，经安徽、江苏后抵达上海。500m 气团活动不稳定，在 1500m 的高度，从河南境内出发，沿东南方向行进，于 12 月 1 日 14 时经过安徽后气流突转为偏东方向，且气流高度下降至 700m。
与 1500m 和 1000m 气团相比，这支 500m 的近地面气流活动更加多变。同时，三个高度的气团均出现了下沉运动，使得近地层大气层结稳定，造成污染物的积聚。12 月 9 日 UTC16：00 后向轨迹图（图 4（c））则显示，500m，1000m 和 1500m 高度三支气团受西伯利亚高压影响，均源于偏北方向，且从外蒙古开始移动。其中，1500m 高度的变化较大，自 3500m 高空开始运动，随着时间推移，升至 4000m，于 12 月 9日 8 时以 3000m 高度经山东，随后不断下降至 1500m 并到达上海。而 1000m 和 500m 高度气团变化趋势非常相似。
结合表 1 可看出，自 11 月 30 日开始，兰州、西安、呼和浩特、西宁和太原这些西北城市均出现了轻度污染，且持续至 12 月 8 日。其中，太原空气状况最差，12 月 2 日至 12 月 8 日均为中度污染。同时，根据西北地区部分城市的气溶胶光学厚度分布（图 5）可看出，11 月 28 日开始，陕西、山西、甘肃、内蒙古和宁夏地区高空有气溶胶积聚，至 12 月 1 日，气溶胶积聚范围略有扩大，并持续至 12 月 7 日。
综上，根据气团的后向轨迹，以及当时西北地区的空气质量状况和高空气溶胶分布情况，作者认为，在本次污染事件中，污染物从西北地区通过高空长远距离输送到达上海，对上海空气质量产生影响。
4.2 天气形势与主要气象因子变化特征
2013年11月底起，我国中东部区域出现了入冬以来第一次寒潮天气。前期大部分地区被干冷空气控制，随着冷高压转移到东部海域，其势力逐渐减弱，中东部大部区域转而被变性高压所控制。此外，近地面湿度逐渐增加，为雾霾的形成创造了有利条件。
在天气形势演变的基础上，局地气象因子的变化也影响着大气污染物的扩散、迁移、转变。根据国家标准，霾观测的判识条件为能见度小于10km，排除降水、沙尘暴、扬沙、浮尘、烟幕、吹雪、雪暴等造成的视承障碍。相对湿度小于80%。相对湿度在80%~95%之间时，按照地面气象观测规范规定的描述或大气成分指标进一步判识：当PM2.5浓度值大于753m g /m，PM1浓度大于653.
-mg m时即为霾。表2是上海市宝山站污染期间的能见度（为当天12时的数据）、风向、平均风速和平均相对湿度的情况。结合表2和图2可看出，11月30日至12月9日均为霾天气。
从11月30日20时的地面天气形势上看（图6a），全国大部分区域受内蒙古冷高压影响，华东地区天气晴朗，近地面盛行西南气流，风力微弱，天气现象为霾，且天气形势稳定。表2中，当天12时的能见度为2.5km，相对湿度为61%，可见霾天气已形成，且污染物已经开始沉积。同时，当天平均风速仅为1.1 m/ s ，使得输送扩散能力弱，容易造成近地层污染物的进一步堆积。从30日20时850hPa高空天气形势图上看（图6b），上海及其周边地区主要受弱高压影响，本地高空垂直方向上的气流易下沉，使得垂直方向上的污染物难扩散，逐渐累积，另外地面基本为静稳天气，已堆积的污染物在水平方向的扩散能力较弱，进一步导致颗粒物浓度上升，加剧了污染现象。
由12月3日20时的地面天气形势图（图6c）可分析，上海及周边地区受低压系统控制，空气对流相对旺盛，在一定程度上疏散了部分污染物。结合表2，当天12时的能见度为4.7km，污染情况得到一定缓解。
由3日20时的850hPa高空天气形势图（图6d）可看出，东北高空区域有高压槽，在一定程度上影响着上海及其周边地区，这种高压控制的高空天气系统和低压控制的地面天气系统相互结合（洪也等，2013），在一定程度上改善了前几日更为严重的污染状况。但由于持续时间并不长，4日之后，污染情况再次加剧，5日的平均风速仅为0.7m/s。至12月6日，污染程度最严重，华东大部分地区处于内蒙古高压控制的均压场下，风力较弱，天气形势稳定，大气扩散条件非常差，不利的气象条件造成污染物持续累积。直到9日（图6e，6f），近地面受低压控制，云量较大，地面盛行偏北风，且风的级数较高，风力较强，其高空受高压控制，同时，受来自东南方向的北太平洋的强冷平流影响，两种天气系统相互配置，有利于雾霾的扩散和转移。
4.3 大气温度层结分析
近地层垂直方向上出现的逆温有利于雾霾天气的出现（马小会等，2013）。高空气温高于低空气温致使大气层低空空气在垂直方向的运动受限，最终导致污染基本无法向高空扩散，从而被阻滞在近地面低空区域[23,24]。图7为2013年11月29日至12月10日上海地区的温度探空曲线。由图可知，在该时间段内，上海的近地面存在着明显的逆温层，且具有连续性，有些时日的高空也存在逆温现象。其中，30日8时和20日的逆温强度都很大，可见，这些时刻，污染物已开始在近地面累积，结合图1，30日的早晚逆温可作为解释当天中轻度污染的原因之一，并且随后逆温依然存在，与图2 PM2.5、PM10的浓度上升相对应。值得注意的是，分析5日8时的探空曲线，1km以下的大气逆温层现象比较复杂，在5日20时，2.5-3km处有显著逆温，其强度甚至大于该时刻近地面的逆温，由此可见，近地面的空气垂直运动不活跃，高空层的逆温使得污染物无法在垂直方向上扩散，从而加剧了污染物的堆积。6日的8时和20时，高空均出现逆温，从20时的探空曲线可看出，1.5-2.5km之间出现了两次逆温，结合图1中6日AQI的超高值和图2中6日PM2.5、PM10浓度的最高值分析，逆温现象的出现与污染物的沉积有着必然联系。逆温现象一直持续到10日，10日之后才逐渐消失，同时，雾霾也逐渐扩散和转移。综上可见，近地面的逆温层限制了人类活动排放产生的污染物的扩散；1.5km及以上高度层逆温层的出现，导致1.5km以下污染物向上扩散受阻，从而累积成一个较厚的气溶胶层，致使持续性的污染天气。
5 结论（Conclusion）
本文结合多源数据深入地分析了上海地区11月30日至12月9日的一次重污染事件的天气特征及成因，得出此次雾霾天气过程具有复杂性，持续性的特点，空气严重污染。借助AQI和PM2.5、PM10、NO2和SO2四种污染物的日平均浓度变化，可分析出12月1日、2日、5日和9日的空气质量状况为重度污染，对应的AQI为243、275、264和216。12月6日的空气质量最差，AQI高达416，为上海地区史上最严重雾霾污染。分析上海地区PM2.5、PM10、NO2和SO2的每小时浓度变化趋势得出，早晚是高浓度值出现的时段，结合上海地区的温度探空曲线分析，污染期间早晚近地层均出现了不同程度的逆温现象，不利于人类活动排放的污染物的扩散。同时，城市交通高峰期也出现在早晚时间段，因此致使了早晚四种指标浓度的上升。
大气污染具有明显的区域性特征，并且具有跨区域影响。在特定的地理区位条件和大气环流场的影响下，污染物可通过远距离输送影响其他地区。重雾霾期间，上海地区受西北地区的冷高压控制，风力较弱，能见度低，相对湿度基本均小于80%，天气条件静稳，利于雾霾天气的形成。同时，结合后向轨迹模式模拟不同高度层的气团路径，分析表明，外来的大气污染物源自西北方向，经过远距离跨区域的输送到达上海地区。最后，利用MODIS AOD数据从空间尺度探究了气溶胶的分布特征，研究表明，上海地区重污染期间，长三角各城市均出现了不同程度的污染，揭示了此次污染为区域性污染。
综上可得出，本文结合多源数据探讨了上海地区的重雾霾事件，各个数据具有可获取性、真实性和可靠性。各个数据从不同角度揭示的现象之间相互影响，且得出的结论之间联系紧密。结合多源数据的研究方法在上海地区具有适用性，适用于上海地区的区位特征。
本文的研究处于理论研究阶段，未来需结合重雾霾过程的物理和化学机制，将本文的研究结果应用到实际雾霾治理的工作中，从而开展城市雾霾预警预报，更好地服务社会。
参考文献（References）:
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