大氣酸沉降復雜性研究.pdf

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

2、中自由H+、NO3-與SO42-離子沉降序列的復雜度均處于白噪聲信號與混沌信號復雜度之間,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+沉降序列的復雜度隨年均H+沉降量增加而增加,二者呈對數線性關系；酸沉降量越大的地區(qū),其酸沉降序列的復雜度越大,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;現行環(huán)境統計中按降水量加權平均計算降水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系;建立的數學模型均反映了以上冪律關系。
　　 (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性,且標度行為在1個月-5年的時間區(qū)間內均成立:NO3-和SO42-沉降量的變化趨勢基本與H+一致,表明導致酸沉降的相關因子可能遵從相同的演化規(guī)則;酸沉降的長程相關性可能與長期氣象過程及大氣自組織臨界性有關。
　　 (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、程中的長程相關性和冪律分布共同作用的結果;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)大氣酸沉降系統具有混沌系統的基本特征,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,其沉降量序列的關聯維數隨鑲入維數的變化曲線越來越接近于隨機白噪聲,即飽和關聯維數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;并且飽和關聯維數與沉降量年均值呈對數線性關系,與pH年均值呈線性關系。
　　 (6)認為自組織臨界性是酸沉降形成與演化內在機制之一,其冪律分布、長程相關性、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形式;標度指數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值特征,并反映了大氣環(huán)境特征對酸沉降復雜性特征的影響。
　　 (7)以酸沉降形成的主要物理、化學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);該模型基本重現了大氣酸沉降復雜性的主要特征,特別是從機理上解釋并重現了大氣污染對大氣酸沉降復雜性的影響;此外,ACA模型的基本思路與方法可能對于構建多組分、多變量復雜系統的元胞自動機具有