大氣酸沉降復(fù)雜性研究.pdf

1、本文將大氣酸沉降現(xiàn)象理解為開放、耗散的大氣巨系統(tǒng)在人為污染脅迫下的復(fù)雜行為,以理論分析、實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析和計算機模擬相結(jié)合,研究了大氣酸沉降復(fù)雜性的表現(xiàn)形式及其數(shù)值特征與大氣污染的關(guān)系；探討了復(fù)雜性數(shù)值特征與現(xiàn)行常規(guī)統(tǒng)計參數(shù)的聯(lián)系,從而建立了復(fù)雜性特征與統(tǒng)計特征之間的定量關(guān)系；并基于自組織臨界性理論研究了大氣酸沉降復(fù)雜性產(chǎn)生的機理,建立了具有簡明物理意義并能反映酸沉降復(fù)雜性特征的元胞自動機模型。其主要結(jié)果如下:
　　 (1)降水

2、中自由H+、NO3-與SO42-離子沉降序列的復(fù)雜度均處于白噪聲信號與混沌信號復(fù)雜度之間,且更接近于混沌信號,說明酸沉降序列中同時存在確定性與隨機性；與NO3-與SO42-離子相比,H+離子沉降序列的確定性較高;H+沉降序列的復(fù)雜度隨年均H+沉降量增加而增加,二者呈對數(shù)線性關(guān)系；酸沉降量越大的地區(qū),其酸沉降序列的復(fù)雜度越大,越接近于隨機行為;酸沉降量越小的地區(qū),其酸沉降序列的復(fù)雜度越小,越接近于混沌行為。
　　 (2)H+、NO

3、3-及SO42-離子濃度或沉降量的概率分布呈“雙冪律”分布,具有標度不變性;現(xiàn)行環(huán)境統(tǒng)計中按降水量加權(quán)平均計算降水pH值的方法,掩蓋了這一事實并低估了降水酸度,認為用臨界pH值來描述區(qū)域降水酸度特性更為合理;此外,酸雨或非酸雨持續(xù)時間、H+沉降量的標準差σ與平均值Xm、連續(xù)的降水事件之間酸沉降的變化率、降水量對降水酸度及沉降量的影響均呈冪律關(guān)系;建立的數(shù)學(xué)模型均反映了以上冪律關(guān)系。
　　 (3)H+沉降量序列波動類似于1/fβ噪

4、聲的自仿射分形過程,具有自相似性和長程相關(guān)性,且標度行為在1個月-5年的時間區(qū)間內(nèi)均成立:NO3-和SO42-沉降量的變化趨勢基本與H+一致,表明導(dǎo)致酸沉降的相關(guān)因子可能遵從相同的演化規(guī)則;酸沉降的長程相關(guān)性可能與長期氣象過程及大氣自組織臨界性有關(guān)。
　　 (4)酸沉降量序列具有多重分形特征,由不同局域條件或由漲落引起的參量波動導(dǎo)致酸沉降標度行為的變化,其非勻稱性和各向異性需要采用多重分形描述;酸沉降多重分形特性是由酸沉降演變過

5、程中的長程相關(guān)性和冪律分布共同作用的結(jié)果;其多重分形譜f(α)-α曲線跨度具有隨平均pH值的增加而增加、隨平均沉降量增大而減小的趨勢;年均pH值越小的地區(qū),其酸沉降序列的f(α)-α曲線跨度越小,越接近于隨機行為。
　　 (5)大氣酸沉降系統(tǒng)具有混沌系統(tǒng)的基本特征,多種方法均證實并相互印證了大氣酸沉降的混沌現(xiàn)象;酸沉降時間序列的變化同時具有確定性和隨機性,且自由H+沉降量的確定性遠大于NO3-和SO42-沉降量的確定性;隨自由H

6、+沉降量年均值的增加,其沉降量序列的關(guān)聯(lián)維數(shù)隨鑲?cè)刖S數(shù)的變化曲線越來越接近于隨機白噪聲,即飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)隨沉降量年均值的增加而增加,或隨pH年均值的降低而增加,其隨機性增加,而確定性減小;并且飽和關(guān)聯(lián)維數(shù)與沉降量年均值呈對數(shù)線性關(guān)系,與pH年均值呈線性關(guān)系。
　　 (6)認為自組織臨界性是酸沉降形成與演化內(nèi)在機制之一,其冪律分布、長程相關(guān)性、分形與多重分形以及混沌等特性,都是自組織臨界性的具體外在表現(xiàn)形式;標度指數(shù)α、β、γ及臨界

7、尺度Xc、nc刻劃了酸沉降自組織過程的宏觀數(shù)值特征,并反映了大氣環(huán)境特征對酸沉降復(fù)雜性特征的影響。
　　 (7)以酸沉降形成的主要物理、化學(xué)機制作為局部相互作用規(guī)則,建立了具有簡明物理意義并能反映其復(fù)雜性特征的大氣酸沉降元胞自動機模型(ACA);該模型基本重現(xiàn)了大氣酸沉降復(fù)雜性的主要特征,特別是從機理上解釋并重現(xiàn)了大氣污染對大氣酸沉降復(fù)雜性的影響;此外,ACA模型的基本思路與方法可能對于構(gòu)建多組分、多變量復(fù)雜系統(tǒng)的元胞自動機具有