前言

近年來(lái)我國(guó)區(qū)域空氣污染明顯加劇，重度灰霾事件頻繁發(fā)生。城市大氣污染問(wèn)題已廣泛引起科學(xué)界、政府部門(mén)和社會(huì)公眾的高度關(guān)注，成為熱門(mén)話題。在學(xué)術(shù)界，關(guān)于我國(guó)城市大氣污染的研究?jī)?nèi)容，已從早期的定義、識(shí)別方法、濃度特征等，發(fā)展到單顆粒物理化學(xué)特性、光學(xué)性質(zhì)、遙感研究、有機(jī)氣溶膠毒理學(xué)，以及監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)預(yù)警等多學(xué)科、多方向的交叉領(lǐng)域。這些研究不僅提高了我們對(duì)嚴(yán)重大氣污染發(fā)生機(jī)制的認(rèn)識(shí)，還為大氣污染科學(xué)防治指引了方向。近年來(lái)我國(guó)在治理大氣污染方面投入巨大，也獲得了顯著成績(jī)，但各大城市嚴(yán)重大氣污染事件仍反復(fù)出現(xiàn)，這也表明大氣污染的發(fā)生機(jī)制仍是現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)之一。2017年3月，李克強(qiáng)總理就批示設(shè)立專項(xiàng)資金，集中攻關(guān)霧霾形成機(jī)理與治理。這指示我們，需要新的科學(xué)思維和視角來(lái)研究大氣污染的發(fā)生及演化。

在前期研究中，人們已注意到，空氣污染演化過(guò)程同時(shí)也是一個(gè)動(dòng)力過(guò)程，即使我們?nèi)庋劭吹降氖撬{(lán)天，但實(shí)際上各種導(dǎo)致大氣污染發(fā)生的氣體污染物都已存在并時(shí)刻發(fā)生著各種反應(yīng)或相互作用，醞釀著下一波嚴(yán)重污染事件。研究中國(guó)重點(diǎn)城市嚴(yán)重空氣污染的發(fā)生及時(shí)空演變的復(fù)雜性機(jī)制，進(jìn)而對(duì)嚴(yán)重空氣污染的發(fā)生進(jìn)行更科學(xué)準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)、預(yù)警及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，是當(dāng)前十分重要和緊迫的研究課題，具有重要學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。其中，建立更科學(xué)合理的理論和方法來(lái)研究復(fù)雜大氣系統(tǒng)中重污染的發(fā)生及其演化動(dòng)態(tài)，是該領(lǐng)域主要研究方向之一。然而，目前對(duì)于城市大氣污染動(dòng)力學(xué)演化機(jī)制方面的研究仍顯不足，主要困難在于影響大氣污染演化的諸多因素非常復(fù)雜多變且具有一定的不確定性，這給大氣污染的預(yù)測(cè)，尤其是不利天氣下高濃度污染的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)帶來(lái)很大的困難。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已成為研究大氣污染問(wèn)題的重要手段。多年來(lái)，學(xué)者們基于大氣物理、大氣化學(xué)、氣象學(xué)等方法提出了眾多理論和模型用以研究、模擬和預(yù)測(cè)大氣污染物的時(shí)空演化。這些模型中盡可能詳盡地包含了各種大氣污染物之間的相互作用以及污染物與氣象因素之間的相互作用，如排放、對(duì)流、湍流、輸運(yùn)、冷凝、蒸發(fā)、凝聚、成核、沉降和多相化學(xué)反應(yīng)等，物理意義明確，取得了實(shí)質(zhì)的進(jìn)展，但這些模式所涉及的計(jì)算參數(shù)眾多、方程繁雜、參數(shù)估計(jì)工作巨大。同時(shí)，由于大氣環(huán)境的復(fù)雜性，模型中許多過(guò)程并不明晰，比如大氣化學(xué)中化學(xué)成分組成、反應(yīng)速率、反應(yīng)條件等存在較多不確定性因素。因此人們對(duì)大氣污染物時(shí)間演化的動(dòng)力過(guò)程并沒(méi)有充分的認(rèn)識(shí)。盡管基于各模型的理論和功能有較大差異，基于確定性還原論思維的污染模式實(shí)際上均暗含了這樣一種基本假設(shè)：只要知道了所有影響因子及其相互作用機(jī)制，就可以對(duì)大氣顆粒物的時(shí)空演化做出確定性的預(yù)測(cè)。然而，大氣環(huán)境系統(tǒng)是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其組成單元數(shù)目龐大，單元之間存在強(qiáng)烈的反饋與調(diào)節(jié)的非線性相互作用。對(duì)于這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，要窮盡涉及大氣污染物的所有影響因素及其作用機(jī)制顯然是不可能的，也沒(méi)有必要。從復(fù)雜性理論來(lái)看，大氣污染時(shí)間演化過(guò)程是開(kāi)放、耗散的大氣巨系統(tǒng)在人為污染作用下的復(fù)雜現(xiàn)象，其形成與演化既受到微觀的物理、化學(xué)等機(jī)制的作用，同時(shí)也表現(xiàn)為宏觀、整體性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的結(jié)果。但目前很少基于整體論的視角來(lái)研究大氣污染物濃度長(zhǎng)期時(shí)間演化的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總體特征，更不清楚宏觀演化動(dòng)態(tài)是否存在著典型的非線性規(guī)律。基于復(fù)雜性科學(xué)的理論和方法，從宏觀、整體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度上來(lái)認(rèn)識(shí)大氣污染物濃度時(shí)間演化的復(fù)雜動(dòng)力特征，有助于從新的角度來(lái)加深對(duì)大氣污染的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而提出新的大氣污染預(yù)測(cè)方法。

非線性科學(xué)與方法本身也正是為解決自然界中廣泛存在的復(fù)雜性而逐步發(fā)展而來(lái)。作者在攻讀博士學(xué)位期間，在恩師艾南山教授指導(dǎo)下，嘗試研究大氣污染的非線性問(wèn)題。多年以來(lái)，作者一直從事大氣環(huán)境領(lǐng)域的研究，重點(diǎn)是將復(fù)雜性理論、分形方法、自組織臨界動(dòng)力學(xué)等非線性科學(xué)與方法引入大氣環(huán)境領(lǐng)域，系統(tǒng)闡明空氣污染演化的復(fù)雜非線性規(guī)律，在大氣污染擴(kuò)散累積宏觀動(dòng)力學(xué)、大氣質(zhì)量長(zhǎng)期演化的涌現(xiàn)效應(yīng)、大氣污染預(yù)測(cè)基礎(chǔ)等方面取得了大量有價(jià)值的研究成果，形成了較為完整的研究體系。本書(shū)中相當(dāng)篇幅的內(nèi)容反映了作者多年的研究成果，同時(shí)考慮到全書(shū)的系統(tǒng)性和完整性，收錄了部分基礎(chǔ)理論知識(shí)。

全書(shū)內(nèi)容共分為7章。第1章主要介紹當(dāng)前大氣環(huán)境研究中引入復(fù)雜性理論的必要性；第2章介紹分形理論的基本概念；第3章介紹各種時(shí)間序列分形方法的具體算法和原理；第4章統(tǒng)計(jì)說(shuō)明大氣環(huán)境相關(guān)數(shù)據(jù)的非線性和非平穩(wěn)性特征；第5章闡明大氣污染演化過(guò)程中涌現(xiàn)的長(zhǎng)期持續(xù)性效應(yīng)，說(shuō)明大氣污染長(zhǎng)期相關(guān)的內(nèi)涵；第6章介紹互相作用的長(zhǎng)期持續(xù)性效應(yīng)及其在大氣環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用；第7章介紹大氣環(huán)境的多重分形動(dòng)力學(xué)研究。

本書(shū)是作者多年研究成果的結(jié)晶。本書(shū)的出版得到了化學(xué)工業(yè)出版社和吉首大學(xué)的大力支持。書(shū)中也融入了作者在吉首大學(xué)指導(dǎo)的多位研究生（李思川、黃毅、吳生虎、謝志輝等）的部分科研成果，他們也參與了本書(shū)各章的文字錄入、校對(duì)等工作。在此一并表示感謝。

希望這本書(shū)對(duì)廣大研究大氣環(huán)境和復(fù)雜非線性理論的讀者有參考價(jià)值，通過(guò)各種實(shí)例的啟發(fā)，做出更好的創(chuàng)新性工作。

本書(shū)得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41465010、41603128）、湖南省教育廳科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（16A172）、湖南省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2017JJ2219）的資助。同時(shí)本書(shū)的出版也得到生態(tài)旅游湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和吉首大學(xué)生態(tài)學(xué)湖南省重點(diǎn)學(xué)科的大力資助，謹(jǐn)在此表達(dá)誠(chéng)摯的謝意。

由于作者水平有限，書(shū)中疏漏之處在所難免，敬請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

著　者

2018年6月