典型城市近地面O3浓度演化的自组织动力机制
城市近地面O3污染问题一直以来都受到人们的广泛关注，也是困扰世界各国的重要环境问题之一。尤其是高浓度O3对人体与生物的生存有着不同程度的影响，也一直是公众以及国内外学者关注的焦点。对近地面O3演化的特征以及演化的规律和内在的动力学机制的研究，将有助于制定更科学更合理的环境保护措施与预测预报方法，从而将城市近地面O3对生态环境的影响降至最低。 影响近地面O3污染状况的因素不仅仅只是污染源的分布和排放情况，还有许多的复杂影响因素，如特殊气象条件、O3的转化与迁移、下垫面复杂的特征等等，这些影响因素并不是相互独立无关的，它们之间而是会在各种时间尺度内产生复杂的非线性相互作用，从而使得城市近地面O3的时间演化过程表现出复杂的非线性特征。针对近地面 O3演化的诸多复杂性，本文先对近地面 O3浓度随时间变化特征以及非线性特征进行了详细的分析；然后引入去趋势互相关分析法(DCCA)对近地面不同季节和不同天气下的 O3与 NO2相关性的时间尺度特征进行了详细分析，深入研究了近地面 O3复杂的动力学机制和时间演变过程；再以自组织临界(SOC)理论为基础，根据沙堆模型设计米堆实验，以米堆实验中米粒的崩塌类比近地面O3演化的污染事件，阐明近地面O3演化的自组织临界(SOC)行为，以此揭示近地面O3长期演化的复杂性动力机制。基于成都市特殊的气候特征和地理位置，本研究将以成都市区2013年10月1日至2014年12月31日的O3浓度时间序列为研究对象。 本文的工作主要包括以下几个方面： 1．对2013年10月1日至2014年12月31日成都市区近地面O3浓度日变化特征、月变化特征、季节变化特征、工作日与周末特征进行统计分析。分析结果表明，成都市区近地面O3浓度在一天中15时至17时达到最高浓度，到凌晨左右O3浓度则降至最低浓度；O3月均值浓度冬半年明显低于夏半年，其中一年中最高O3月均值浓度在5月份，最低出现在12月份；O3浓度季节变化中夏季＞春季＞秋季＞冬季；O3浓度工作日略低于周末，呈现出周期性变化。同时计算了O3浓度序列的相关统计参量，结果表明其浓度序列并不是经典的、具有特征尺度的正态分布，反而具有尖峰胖尾的特征。这表明，O3演化过程很可能受到非线性作用的影响。 2．利用去趋势互相关分析法(DCCA)对成都市区近地面NO2与O3不同季节和不同天气下的相关性进行分析。分析结果表明，成都市近地面O3与NO2小时平均浓度的相关性在一定时间尺度上具有长期持续性特征。并对成都市夏季与冬季以及夏季阴雨天与夏季晴天近地面O3与NO2相关性进行了对比分析，探讨了导致此种差异的原因。结果表明不同气象条件下，成都市O3与NO2相互作用的时间尺度存在显著差异，其差异可能与当地夏季与冬季以及夏季晴天与阴雨天的太阳光辐射、日照数、气温等气象因子以及成都市独特的盆地气候特点有关。进一步应用Shapiro-Wilk检验对不同条件下的DCCA指数d值进行分布检验，检验结果显示成都市区6个监测站点DCCA指数均服从正态分布，可以看作来自同一分布数据，具有一致性的特征。 3．利用去趋势分析法(DCCA)对成都市区6个监测站的O3日平均浓度与影响其长期持续性特征的气象因子之间进行相关性分析，分析结果表明，O3小时平均浓度与温度、风速的均展现出明显的线性关系，具有很强的长期持续性特征。 4．研究成都市区近地面6个监测站点O3小时平均浓度序列的时空演化规律，研究结果表明，成都市区不同监测站点不同季节，近地面O3小时平均浓度波动在统计上均服从典型的负幂律分布，发现其类似于人们在研究地震序列过程中发现的 Gutenberg-Richter幂率关系，说明严重的污染事件与小污染事件的过程均可归因于同一种动力学机制。用米堆模型米堆崩塌过程类比于近地面O3演化过程中污染事件的发生，发现近地面 O3演化存在自组织临界性。对成都市区近地面 O3演化的自组织临界研究发现，成都市区近地面 O3的时间演变受到污染物自身 SOC的动力学机制控制。这一动力学机制必然会致使成都市近地面O3演化到达一个临界状态，当该系统处在临界状态时，任何微小的扰动都有可能触发连锁反应并形成非常严重的污染事件。成都市近地面O3小的污染源(O3前体物污染源)，诸如居民家庭生活、焚烧垃圾、小型工厂、车辆行驶等所排放的较少的污染气体有可能通过SOC行为形成的光化学烟雾污染事件。因此，我们在治理近地面O3污染的整治对象不仅仅只是针对重点污染源，也应当对小污染源加以整治。大城市比小城市更容易出现光化学烟雾污染，这是近地面O3自组织临界性的必然结果。加强生态文明建设加强绿化工程将有助于减少和抑制严重污染的发生。 研究结果有助于进一步加深对城市近地面O3污染演化复杂规律的认识，为研究近地面城市长期的O3污染形成及演化动态提供新的研究思路和研究方法。同时有助于建立更准确地更科学地近地面 O3浓度预测模型，为今后进一步制定 O3污染综合治理及防治措施提供科学依据。
去趋势互相关分析法;沙堆模型;自组织临界性;浓度演化;近地面臭氧污染;综合治理;动力机制
吉首大学
硕士
生态学
史凯
2015
中文
X515
81
2016-05-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）