（环境工程专业论文）大气酸沉降复杂性研究.pdf

博f ：学位论文 摘要 本文将大气酸沉降现象理解为开放、耗散的大气巨系统在人为污染胁迫下的 复杂行为，以理论分析、实际监测数据分析和计算机模拟相结合，研究了大气酸 沉降复杂性的表现形式及其数值特征与大气污染的关系；探讨了复杂性数值特征 与现行常规统计参数的联系，从而建立了复杂性特征与统计特征之间的定量关系； 并基于自组织临界性理论研究了大气酸沉降复杂性产生的机理，建立了具有简明 物理意义并能反映酸沉降复杂性特征的元胞自动机模型。其主要结果如下： ( 1 ) 降水中自由h + 、n 0 3 一与s 0 4 玉离子沉降序列的复杂度均处于白噪声信号 与混沌信号复杂度之间，且更接近于混沌信号，说明酸沉降序列中同时存在确定 性与随机性；与n 0 3 一与s 0 4 2 离子相比，h + 离子沉降序列的确定性较高；h + 沉降 序列的复杂度随年均h + 沉降量增加而增加，二者呈对数线性关系；酸沉降量越大 的地区，其酸沉降序列的复杂度越大，越接近于随机行为；酸沉降量越小的地区， 其酸沉降序列的复杂度越小，越接近于混沌行为。 ( 2 ) h + 、n 0 3 一及s 0 4 2 离子浓度或沉降量的概率分布呈“双幂律”分布，具有标 度不变性；现行环境统计中按降水量加权平均计算降水p h 值的方法，掩盖了这 一事实并低估了降水酸度，认为用临界p h 值来描述区域降水酸度特性更为合理； 此外，酸雨或非酸雨持续时间、h + 沉降量的标准差盯与平均值、连续的降水事 件之间酸沉降的变化率、降水量对降水酸度及沉降量的影响均呈幂律关系；建立 的数学模型均反映了以上幂律关系。 ( 3 ) h + 沉降量序列波动类似于l 矿噪声的自仿射分形过程，具有自相似性和长 程相关性，且标度行为在1 个月一5 年的时间区间内均成立：n 0 3 一和s 0 4 2 _ 沉降 量的变化趋势基本与h + 一致，表明导致酸沉降的相关因子可能遵从相同的演化规 则；酸沉降的长程相关性可能与长期气象过程及大气自组织临界性有关。 ( 4 ) 酸沉降量序列具有多重分形特征，由不同局域条件或由涨落引起的参量波 动导致酸沉降标度行为的变化，其非匀称性和各向异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变过程中的长程相关性和幂律分布共同作用的 结果；其多重分形谱苁a ) a 曲线跨度具有随平均p h 值的增加而增加、随平均沉降 量增大而减小的趋势；年均p h 值越小的地区，其酸沉降序列的尺a ) a 曲线跨度越 小，越接近于随机行为。 ( 5 ) 大气酸沉降系统具有混沌系统的基本特征，多种方法均证实并相互印证了 大气酸沉降的混沌现象；酸沉降时间序列的变化同时具有确定性和随机性，且自 由h + 沉降量的确定性远大于n 0 3 一和s 0 4 2 一沉降量的确定性；随自由h + 沉降量年 1 1 大气酸沉降复杂性研究 均值的增加，其沉降量序列的关联维数随镶入维数的变化曲线越来越接近于随机 白噪声，即饱和关联维数随沉降量年均值的增加而增加，或随p h 年均值的降低 而增加，其随机性增加，而确定性减小；并且饱和关联维数与沉降量年均值呈对 数线性关系，与p h 年均值呈线性关系。 ( 6 ) 认为自组织临界性是酸沉降形成与演化内在机制之一，其幂律分布、长程 相关性、分形与多重分形以及混沌等特性，都是自组织临界性的具体外在表现形 式；标度指数a 、声，) ，及临界尺度墨、甩。刻划了酸沉降自组织过程的宏观数值特 征，并反映了大气环境特征对酸沉降复杂性特征的影响。 ( 7 ) 以酸沉降形成的主要物理、化学机制作为局部相互作用规则，建立了具有 简明物理意义并能反映其复杂性特征的大气酸沉降元胞自动机模型( a c a ) ；该模 型基本重现了大气酸沉降复杂性的主要特征，特别是从机理上解释并重现了大气 污染对大气酸沉降复杂性的影响；此外，a c a 模型的基本思路与方法可能对于构 建多组分、多变量复杂系统的元胞自动机具有一定参考意义。 关键词：酸沉降；复杂性；分形：混沌；自组织临界性；元胞自动机 博l 学位论文 a b s t r a c t c o n s i d e r e da st h er e s u l to ft h ec o m p l e xb e h a v i o ro ft h eo p e na n dd i s s i p a t i v e a t m o s p h e r es y s t e m su n d e rp o ”u t i o np r e s s u r e ，t h ec o m p l e x i t yo fa t m o s p h e ca c i d d e p o s i t i o nw a sr e s e a r c h e di nt h ep r e s e n td i s s e r t a t i o n ，w i t hc o m b i n e dm e t h o d so f t h e o r e t i ca n a l y s i s ，a c t u a ld a t a 锄a l y s i s 如dc o m p u t a t i o n a ls i m u l a t i o n t h er e s e a r c h c o n t e n ti n v 0 1 v e dt h ec o m p l e xb e h a v i o r sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e 附e e i lt h e i r 舢m 舐c a l c o m p l e x i t yc h a r a c t e r i s t i c sa n da i rp o l l u t i o n ，t h ee v o l u t i o nm e c h 蛐i s ma n dt h ec e l l u l a r a u t o m a t am o d e ls i m u l a t i n gt h ec o m p i e x i t y t h em a i nr e s u l t sa r es h o w na sf o l l o w s ： ( 1 ) n ec o m p l e x i t yd e g r e e so fh + ，n 0 3 一a n ds 0 4 2 。d 印o s i t i o ns 鲥e sa r er a n g c d b e t w e e nt h a to fw h i t en o i s ea n dc h a o t i c s i g n a l ，a n di sm o r ec l o s et ot h a to fc h a o t i c s i g n a l ，i n d i c a t i n gt h a tt h e r ee x i s tc o n c u r r e n t i yc e n a i n t ya n dr a n d o m n e s si nt h ea c i d d e p o s i t i o nt i m es e r i e s h 十s 甜e se x h i b i t sm o r ed e t e n n i n i s t i ct h 觚n 0 3 一锄ds 0 4 2 s 嘶e s w i t ht h e i rc o m p l e x i t yd e g r e e si n c r e a s i n gl i n e a r l ya st h el o g 撕t h m so fa n n u a lm e 觚 a c i d d e p o s i t i o n si n c r e a s i n g r h eh i g h e rt h ea c i d d 叩o s i t i o ni s ，t h eh i g h e rt h e c o m p l e x i t yd e 伊e eo ft h es e e si s ，w i t hi t se v o l u t i o nb e h a v i o rm o r es i m i l a rt or a n d o m p r o c e s s a n dt h e1 0 w e rt h ea c i dd 印o s i t i o ni s ，t h el o w e rt h ec o m p l e x i t yd e 玎e eo ft h e s 州e si s ，w i t hi t se v o l u t i o nb e h a v i o rm o r es i m i l a rt oc h a o t i cp r o c e s s ( 2 ) t l l ep r o b a b i l i t yd e n s i t yo fc o n c e n t r a t i o n 觚dd 印o s i t i o no fh + 、n 0 3 a n d s 0 4 厶e x h i b i t sd o u b l ep o w e r - l a ww i t hs c a l ei n v a r i a n c ep r o p e r t y ；w h i c hw a si g n o r e db y t h ec u r r e n tm e t h o df o rp hc a l c u i a t i o ni ne n v i r o n m e n t a ls t a t i s t i c sb yw e i g h t i n gt h ep h v a 】u e sw i t hr a i n f a l l i t st h u sb e l i e v e dm o r er e a s o n a b l et ot a k et h ec r o s s o v e r p h ，w h i c h r e p r e s e n t st h em o s t l yo c c u 盯e dp hi nr a i n ，a st h er 印r e s e n t a t i v ep hv a 】u ef o ra 西v c n d i s t c t i t sa l s of o u n dt h a tt h ep r o b a b i l i t i e so fd u r a t i o n o fa c i d n o n a c i dr a i n t h e s t a n d a r dd e v i a t i o na 1 1 dm e a nv a l u e0 fh + d 印o s i t i o n ，t h ev 撕a t i o nr a t eo fs u c c e s s i v e a c i dd e p o s i t i o n ，a n dt h ei n n u e n c eo fr a i n f a l lo nr a i na c i d i t y ，o b e yp o w e 卜l a w ，a n da m a t h e m a t i cm o d e lw a sb u i l tu pt os i m u l a t et h e s ep o w e 卜l a w p r o p e n i 船 ( 3 ) h + d 印o s i t i o ns 嘶e si ss i m i l a rt o 1 矿n o i s eo fs e i f a 伍n e 仃a c t a lw i t h s e l f s i m i l a r i t ya n dl o n g r a n g ed 印e n d e n c e ，a l l dt h e s c a l i n gb e h a v i o ro fl o n g r a l l g e d e p e n d e n c es t a n d si n1m o n t ht o5y e a r s n 0 3 一a n ds 0 4 2 一d 印o s i t i o nd i s p l a ys i m i l a r b e h a v i o ra st h a to fh 十d 印o s i t i o n ，i n d i c a t i n gt h a tt h er e l e v a n tf a c t o r si n v o l v i n gi na c i d d e p o s i t i o nm i 曲to b e yt h es a m ee v o l u t i o nr u l e sa st h a to fh + d 印o s i t i o n ，r 1 e i o n g r a n g ed e p e n d e n c eo fa c i dd e p o s i t i o nm i g h tb er e l a t e dt ot h el o n g r a n g ec l i m a t i c i v 大气酸沉降复杂十牛研究 p r o c e s sa n ds e l f 二o r g a n i z e dc 订t i c a l i t yo fa t m o s p h e r e ( 4 ) a c i dd e p o s i t i o nt i m es e r i e sb e h a v et ob em u l t i 行a c t a l ，w h i c hi st h er e s u l to f c o m b i n e de f | f e c to fb o t b1 0 n g r a 力g ep e r s i s t e n c ea n dp o w e r - l a wi n v o l v e di nt h es “e s ， a n dt h ew i d t ho fs i n g u l a rs p e c t l l l m 以a ) 一ai n c r e a s ea sm e a np hv a l u ei n c r e a s i n g t h e h i 曲e rt h e a c i dd 印o s i t i o n ，t h ew i d e rt h es i n g u l a rs p e c t r u m 苁口) 一ac u e ，w i t hi t s e v o l u t i o nb e h a v i o rc l o s e rt or a l l d o mp r o c e s s ( 5 ) a c i dd e p o s i t i o ns y s t e mw a sp r o v e dt oh a v et l l eb a s i cp m p e n i e so fc h a o t i c s y s t e mb ye m p l o y i n gm u l t i p l em e t h o d s t h ec o r r e l a t i o nd i m e n s i o no fa c i d ( 1 印o s i t i o n s 撕e si n c r e a s e sl i n e a r l ya sm e a np hv a l u ei n c r e a s i n g ，a 1 1 dt h eh + d 印o s i t i o ne x h i b i t s m u c hm o r ed e t e 册i n i s t i ct h a nn 0 3 一a n ds 0 4 2 一d e p o s i t i o n ( 6 ) s e l f - o r g a n i z e d 嘶t i c a l i t yw a sb e l i e v e da so n eo ft h em a i nm e c h a n i s m s i n d u c i n ga c i dd e p o s i t i o na n di t se v o l u t i o n ，a n dt h ep o w e r - 1 a 、kl o n g r a n gp e r s i s t e n c e a n dt h ef j r a c t a l m u l t i 疗a c t a l p r o p e n i e sa r et h ee x t r i n s i cm a n i f e s t so fs e l f - o r g a n i z e d c r i t i c a l i t yo fa t m o s p h e r es y s t 啪t h es c a l i n ge x p o n e n t sa 、) ，孤dc r i t i c a ls c a l ej 匕、 刀fd 印i c tt h em a c r on u m 硎c a lp r o p e n i 嚣o fs e l f o 唱锄i z e d 州t i c a lb e h a v i o ro fa c i d d 印o s i t i o n ，a n dr e n e c tt h ei m p a c to fa t m o s p h 砸ce n v i r 0 舳e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so nt h e c o m p l e xp r o p e r t i e so fa c i dd e p o s i t i o n ( 7 ) w i t ht h em a i np h y s i c a l 锄dc h 锄i c a lp r o c e s s e st a k e na st h el o c a lr e c i p r o c i t y r u l e s ，ac e l l u l a ra u t o m a t am o d e l ( a c a ) w a sb u i l tu pt os i m u l a t et h ec o m p l e xb e h a v i o r s o fa c i dd e p o s i t i o n ，a n dt h em a i nc o m p l e xp r o p e r t i e so fa c i dd 印o s i t i o n 、 r e r er e c u r r e d b yt h em o d e l t 1 1 eb a s i cm e t h o ds e t t i n gu pt h ea c am o d e lm i g h tb eo fg e n e r a lv a l u et o b u i l du pc e l l u l a ra u t o m a t am o d e if o rc o m p l e xs y s t e mw i t hm u l t i p l ec o m p o n e n t sa n d v a a b l e s k e yw o r d s ：a c i dd 印o s i t i o n ；c o m p l e x i t y ；f r a c t a l ；c h a o s ；s e l o 略a n i z e dc r i t i c a l i 谚； c e l l u l a ra u t o m a t a v 博i ：学位论义 插图索引 图2 1两符号与四符号粗粒化原理示意图2 l 图2 2四种不同随机程度的信号2 3 图2 3 测站a z 0 3h + 沉降序列及其4 符号粗粒化2 4 图2 4h + 沉降序列l 锄p e l z i v 复杂度随年均沉降量和年均p h 的变化2 5 图2 5h + 沉降序列近似熵随年均沉降量和年均p h 的变化2 6 图2 6n 0 3 一及s 0 4 2 _ 沉降序列l 锄p e l z i v 复杂度随年均沉降量的变化2 6 图2 7 测站a z 0 3h + 沉降序列的复杂度及年均沉降量的变化2 7 图2 8 测站i a 0 8 h + 沉降序列的复杂度及年均沉降量的变化2 8 图3 1测站a z 0 3h + 、n 0 3 一、s 0 4 2 。离子沉降及降水p h 值序列的正态分布检验3 3 图3 2 测站f l 4 1 瑚c 序列的双幂律标度行为3 4 图3 3四个典型测站( a r 2 7 ，m 1 2 6 ，m t 9 7 ，t x l o ) h i c 序列的双幂律标度行为3 6 图3 4 三个测站降水p h 值概率密度图3 6 图3 5测站f l 4 1w h d 序列的双幂律标度行为3 7 图3 6四个典型测站( a i 迎7 ，m 1 2 6 ，m t 9 7 ，t x l o ) w h d 序列的双幂律标度行为3 8 图3 7测站t x l 0 的w h d 概率分布的标度行为3 9 图3 8 平均沉降量不同的3 个测站( c 0 0 8 ，m 1 9 9 ，p a 7 2 ) w h d 概率密度分布3 9 图3 9 所有1 8 4 测站w h d 分布的幂律指数( ) ，l 和) ，2 ) 与w h d 平均沉降量关 豸；图4 0 图3 1 0 所有各测站w h d 的标准差矿随测站平均w h d 的变化4 l 图3 1 l 测站c 0 1 5 ( 产1 1 7 7 ) 酸雨持续时问d 口及非酸雨持续时间仇概率分布l o g 1 0 9 图4 2 图3 1 2 所有1 8 4 个测站酸雨非酸阿平均持续时间( d 。所和晚小) 及其幂律分布指数 与p h 平均值厶的关系4 3 图3 1 3 测站f l 4 ln 0 3 一浓度及沉降量的双幂律分布4 3 图3 1 4 测站f l 4 1s 0 4 2 。浓度及沉降量的双幂律分布4 4 图3 1 5 所有测站临界p h 值p 。及临界沉降量五与其相应平均p h 值p j l i m 和平均 沉降量在双对数坐标上的散点图4 5 图3 1 6 所有测站临界p h 值及临界沉降量出现概率与加权平均p h 值的散点图4 5 图3 1 7 测站w y 9 9w h d 变化率r 的概率密度尸( j r ) 4 6 图3 1 8w h d 变化率尺的条件概率密度l o g ( 以如) ) 随心的变化4 7 图3 1 9n 0 3 一沉降量的变化率尺的概率密度p ( 尺) 4 7 x 人气陵沉降复杂性研究 图3 2 0 图3 2 l 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 4 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图4 图5 图5 图5 图5 图5 图5 图5 图5 图5 图5o 图5 1 l 图5 1 2 图5 1 3 s 0 4 2 一沉降量的变化率r 的概率密度p ( 尺) 4 8 降水量与相应p h 值的散点图4 9 p h 值的标准差o p 甙抑随降水量的对数l o g 的变化4 9 降水量x 下降水p h 的平均值昂，俩随l o g 的变化5 0 l8 4 个测站平均h 十沉降量l o g 陋册) 随l o g 的变化5 l 19 8 m 2 0 0 1 年测站w y 9 9 的、h d ( m o 撕o e kk m 2 ) 时间序列及其功率谱( p s d ) 5 7 测站w y 9 9 的w h d 序列( 口) r s 分析及其与b r o w n 运动( o ) 和白噪声( ) 的比较5 8 全部1 8 4 个站w h d 序列刚s 分析5 9 l9 8 0 2 0 0 1 年测站、y 9 9 的w h d 序列x ( t ) 的累积偏差y ( t ，t ) 随时问的变化6 0 测站w y 9 9 的w h d 序列d f a 1 分析6 1 所有测站w h d 和w h d p 序列d f a 1 分析仅值的分布6 2 所有测站w h d w h d p 序列的均值与d f a 1 的仅值的关系6 3 测站a k 0 3n 0 3 。和s 0 4 。沉降序列的功率谱( p s d ) 与d f a 分析结果6 4 19 8 0 2 0 0 1 年测站a z 0 3 的w h d ，n 0 3 一和s 0 4 2 一沉降序列6 5 测站a z 0 3w h d 序列的p f d 和d f a g 分析结果6 6 四个测站( c 0 0 2 ，f l ll ，g a 4 1 ，m a 0 8 ) w h d 序列的尺，l 卜，l 图6 7 四个测站( c 0 0 2 ，f l ll ，g a 4 1 ，m a 0 8 ) n 0 3 。序列的只刀卜以图。6 8 四个测站( c 0 0 2 ，f l l1 ，g a 4 1 ，m a 0 8 ) s 0 4 2 。序列的只刀) 刀图6 9 测站w y 9 9 的w h d 序列与生成序列d f a 分析结果的比较7 0 测站w y 9 9 的、槲d 序列1 9 8 0 1 9 9 4 年及1 9 9 5 2 0 0 1 年子序列的d f a 分析7 l 测站a r 2 7 自由氢离子沉降量w h d 的m f d f a 分析8 1 测站a r 2 7n 0 3 一离子沉降量的m f d f a 分析一8 2 测站a r 2 7s 0 4 2 _ 离子沉降量的m f d f a 分析8 3 四个测站( c 0 0 2 ，f l l l ，g a 4 1 ，m a 0 8 ) w h d 的多重分形谱8 3 测站a r 2 7w h d 时间序列尼阶m f d f a 分析( a ) 麒g ) - g ；( b ) 贝n ) 一a 8 5 测站a r 2 7n 0 3 一时间序列七阶m f d f a 分析( a ) 娥g ) 一g ；( b ) 贝a ) 一a 8 5 测站a r 2 7s 0 4 2 一时间序列七阶m f d f a 分析( a 湖g ) g ；( b ) 以a ) 一a 8 5 18 4 个测站w h d 时间序列的尺n ) a 跨度与其平均p h 值的散点图8 6 三个测站w h d 时间序列的，【a ) 一仅图8 6 三组具有不同平均p h 值的测站w h d 时间序列的平均尺n ) 仅图8 7 测站a r 2 7 自由氢离子沉降量w h d 随机排列后的m f d f a 分析8 8 测站a r 2 7w h d 时间序列随机排列后j | 阶m f - d f a 分析( a ) 俄g ) g ；( b ) 贝a ) 一n 8 8 测站a r 2 7w h d 时间序列及其打乱序列的奇异谱的比较8 9 x i o l ，厶 3 4 5 9 1 l 1 1 1 1 1 2 3 4 5 博i j 学位论文 图5 1 4 测站a r 2 7n 0 3 一时间序列及其打乱序列的奇异谱的比较8 9 图5 1 5 测站a r 2 7s 0 4 时间序列及其打乱序列的奇异谱的比较9 0 图6 1测站c 0 0 0w h d 时问序列互信息量随时滞的变化1 0 0 图6 2测站c 0 0 0w h d 时间序列的e l 和晚随维数的变化1 0 1 图6 3测站c 0 0 0w h d 时间序列的l o g ( 0 - l o g ( ，) 曲线随镶入维数的变化1 0 1 图6 4 测站c o o ow h d 序列关联维数随镶入维数的变化及其与白噪声的比较1 0 2 图6 5四个测站w h d 序列关联维数随镶入维数的变化及其与白噪声的比较1 0 2 图6 6所有测站w h d 序列饱和关联维数与w h d 年均值和p h 年均值的散点图1 0 3 图6 7 所有测站n 0 3 一序列饱和关联维数与n 0 3 一年均值和p h 年均值的散点图1 0 3 图6 8所有测站s 0 4 2 一序列饱和关联维数与s 0 4 2 一年均值和p h 年均值的散点图10 4 图6 9 所有测站w h d 序列易的标准差与w h d 年均值的散点图一1 0 4 图6 1 0 测站c 0 0 0w h d 时间序列的重现图1 0 5 图6 1 1 测站c o o on 0 3 一时间序列的重现图1 0 5 图6 1 2 测站c 0 0 0s 0 4 2 _ 时间序列的重现图1 0 6 图7 1a s m 模型的构形随时间的演化图1 l1 图7 2a c a 模型生成的降水量、污染物沉降量和干旱时间序列1 1 8 图7 3a c a 模型生成的污染物沉降量序列的双幂律标度行为1 1 9 图7 4a c a 模型生成的降水量序列的累积概率分布1 2 0 图7 5a c a 模型生成的干旱时间序列的累积概率分布1 2 0 图7 6a c a 模型生成的污染物沉降量序列d f a 分析结果1 2 0 图7 7a c a 模型生成的污染物沉降量序列多重分形谱1 2 1 图7 8a c a 模型生成的污染物沉降量序列的e 1 和晓随维数的变化1 2 1 图7 9a c a 模型污染物沉降量序列关联维数随镶入维数的变化及其与白噪声的比铰1 2 2 图7 10a c a 模型污染物沉降量序列近似熵随污染物增加概率和平均沉降量的变化12 3 图7 1 1a c a 模型污染物沉降量序列l 釉p e l 复杂性随污染物增加概率和平均沉降量 的变化l2 3 图7 1 2a c a 模型污染物沉降量序列关联维挖随污染物增加概率和平均沉降量的 变化1 2 4 x i i 人气睃沉降复杂性研究 附表索引 表2 1两种复杂性测度方法对已知信号序列的计算结果2 2 表2 2 酸沉降序列复杂度统计结果2 4 表3 11 8 4 个测站酸沉降序列的偏度与峰度统计3 2 表4 1所有1 8 4 个测站w h d w h d p 序列的d f a 1 分析a 值的平均值6 2 表5 1测站a r 2 7 酸沉降时间序列的广义h u r s t 指数坝q ) 8 4 表6 1测站c o o o 酸沉降时间序列的定量重现图分析结果1 0 6 博l ：学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 非线性、非平稳、非确定性和复杂性是自然界的基本属性。复杂的自然界一 方面具有高度的组织性，即使在非常复杂的情况下也遵从某些非常简单的法则； 另方面又具有高度的不确定性，即使在现在状态已确知的情况下其下一个时段 的状态仍是不确定的，或者说在非常简单的情况下也能产生非常复杂的结构【l 羽。 随着社会的发展和科学技术的进步，人们发现，自然和社会系统中众多的现象均 表现出高度的复杂性。山峦起伏、云彩变幻、河流纵横、气候变化、地震形成、 堆体崩塌、森林火灾、大气降水、心脏博动、种群演化、病虫传播、碱基序列、 城市扩张、股市波动、企业增长，众多看起来如此互不相关的事物在复杂性 属性上均表现出惊人的相似性【m 5 。 如此众多复杂问题的挑战，促使科学家们思考这样一些问题：如何描述和测 度这些复杂现象? 其背后是否隐藏着某种普遍的机制，使得看起来如此互不相关 的事物表现出相似性【2 2 彩】? 是否存在某种普遍的理论能够帮助我们理解如此千差 万别的复杂现象? 2 0 世纪3 0 年代系统论的兴起，使人们逐渐认识到系统的整体大于其组成部 分之和，系统具有层次结构和功能结构，系统处于不断的发展与变化之中，系统 与其环境进行着物质、能量和信息的交换【6 引。2 0 世纪6 0 年代，建立在一般系统 论、信息论和控制论基础上的现代系统科学迅速发展。2 0 世纪7 0 年代以来，相 变论、协同论、突变论、混沌论、耗散结构论、超循环论等新科学理论相继诞生， 以混沌、分形、自组织为核心的非线性科学迅速兴起。进入8 0 年代，现代系统科 学和非线性科学以及计算机人工智能、人工生命、模糊理论等相互渗透、相互融 合，产生了以复杂系统为研究对象的、具有高度综合性和交叉性的新兴科学一复 杂性科学，并成为科学界引人瞩目的前沿领域【6 母4 卜5 0 1 。 复杂性科学以各种各样的复杂现象或复杂系统为研究对象，试图从中寻找一 般性规律，几乎涉及到自然科学和社会科学的各个领域，因而具有高度的综合性 与边缘性【2 8 】。随着复杂性科学的发展，特别是有关分形( 仔a c t a l ) 、混沌( c h a o s ) 、自 组织l 临界性( s e l f - o r g a n i z e dc r i t i c a l i t y ，s o c ) 元胞自动机( c e l l u l a ra u t o m a t a ，c a ) 等理 论与方法的发展，复杂性科学正在深刻地改变着人类关于自然与社会的传统观念 与认识；其中所涉及的对确定性与随机性、有序与无序、偶然与必然、量变与质 变、整体与局部等概念和范畴及其相互关系的重新认识，正在深刻地影响着人类 的思维方式【4 4 1 。近年来，复杂性理论与方法已广泛应用于自然科学和社会科学各 个领域，使得人们可以透过貌似无序、混乱、不规则状态来揭示隐藏在事物背后 的本质和规律，为研究事物复杂性、不规则性和演化性等内在规律性提供了全新 的思路【1 引。 大气酸沉降是全球范围内人类社会普遍面临的重大环境问题之一，因其对生 态环境及社会经济的可持续发展构成严重威胁而受到普遍关注【5 卜珊】。我国南方已 成为继欧美后的第三大酸雨沉降区，其危害范围与程度还在不断扩大【6 弘7 4 j 。酸沉 降具有危害性大、影响范围广、持续时间长、可远距离传输等特点，关于其成因、 预测与控制的研究对于实现可持续发展具有重大的科学和实践意义。 大气酸沉降是一种复杂的大气过程，其时空变化表现为强烈的非线性特征 【5 1 斟】。有关酸沉降的研究，通常注重于其形成机理、分布、模式、控制及预测等 方面，但酸沉降是一种涉及诸多自然及人为因素的复杂现象，人们对其发生、发 展与演化的规律性仍不十分清楚【5 i 8 0 】。与很多自然现象一样，降水酸度不仅受自 然界自身运动和变化规律的制约，而且深受人类活动的影响。从大尺度大气过程 来看，酸沉降变化受全球气候变化及大气环流的影响；从中尺度大气过程来看， 酸沉降与致酸气体的排放、气象条件、大气中某些物质的浓度以及导致环境质量 变化的其它诸多因素有关。就某一特定区域而言，酸沉降的形成既受区域污染物 排放量总量、区域气候特征、区域地理及土壤条件等具有确定性的因素的影响， 同时又深受污染物大气传输与沉降、气象因素的随机变化以及污染物排放的随机 变化等具有高度随机性的因素的制约。因此在统计意义上，同一地区酸沉降变化 既具有确定性又具有随机性。一方面，酸沉降年际及月际变化有较相似的机制， 通常夏秋季降水p h 较低而冬春季降水p h 较高【4 7 ，4 8 ，6 2 1 ，表现为明显的周期变化； 另一方面，即使确知现在的降水酸度及其周期变化趋势的情况下，下一时段的降 水酸度仍是不确定的。因此酸沉降同时表现出强烈的非确定性、非平稳性和不规 则性【5 2 6 1 1 。 多年来，环境学界基于大气化学、大气物理等方法提出了众多理论和模型用 以研究、模拟和预测酸沉降形成与演化动态【8 0 搠1 。但这些模型大多是基于线性、 确定性的模型，在研究具有高度非线性、非平稳、非确定性和复杂性的酸沉降时 深受传统的确定性思维定式的影响。这些模型试图通过尽可能多地研究每一种化 学成分的性质以及成分之间的化学反应机制和物理传输机制而实施酸沉降动态模 拟与预测，其所涉及的大气化学成分( 物种) 多达数十种，涉及的化学反应方程数百 个【8 2 母5 1 。尽管这些模型所基于的理论及其功能有较大差异，但所暗含的基本假设 都是：只要知道了所有影响因子及其作用机制，就可以对酸沉降作出确定性的预 测。因此，所涉及的物种众多、方程繁杂，相应的监测分析、数据计算、参数估 计等工作量巨大【8 5 8 9 1 。然而这些理论仍然难以解释酸沉降的这样一种现象，即当 博l j 学位论文 s 0 2 和n o 。等致酸前体物质的人为排放量大大减少之后，尽管干沉降量相应地大 为减少，但对生态系统影响最大的湿沉降的减少量并不明显【5 卜5 3 l 。并且在科研和 环保实践中，要穷尽酸沉降所有可能的影响因素及其作用机制实际上是不可能的， 也是没有必要的。 大气环境系统是典型的复杂巨系统【9 】，其组成单元数目庞大，单元之间存在 强烈的非线性相互作用；大气系统中反馈与调节的方式多样且不断变化，系统组 份与相关过程也表现出高度的时空异质性。从复杂性理论来看，酸沉降是开放、 耗散的大气巨系统在人为污染作用下的复杂现象，其形成与演化所表现的是宏观、 整体的行为；关于对其构成影响的所有单个因素及其作用机制的充分认识，并不 一定能有效地把握其整体的格局与过程；且干沉降与湿沉降在行为方式上的差异， 可以从复杂系统理论中找到理想答案，即湿沉降可以理解为与沙堆崩塌、地震、 森林火灾等相类似的具有自组织临界性( s o c ) 的离散“事件，【1 1 。1 2 ，1 7 2 0 ，4 8 铷】。因此， 从复杂系统角度探讨酸沉降现象，有可能加深对酸沉降机制、格局与过程的认识。 据此，本文将复杂性科学的理论与方法引入酸沉降研究，从理论分析、实测数据 分析与计算机模拟三个方面着手研究酸沉降的复杂性及其形成机制，试图建立具 有简明物理意义并能反映酸沉降复杂性特征的酸沉降模型，并寻求其特征参数与 环境质量的关系，从而为区域酸沉降的成因、预测与控制研究提供新的思路。 1 2 复杂性理论概述 1 2 1 复杂性与复杂系统 日常语境下，我们说某一事物是简单的还是复杂的，诚如评价某人的高矮胖 瘦一样，基本上是基于自身的经验、常识或社会一般评判标准作出的判断。然而， 科学意义上的“复杂”和“复杂性”究竟是什么? 对于这一问题的回答，恰如可以基 于常识对某一事物作出“简单”或是“复杂”的大致评价，但在被追问到为什么会作 出这种判断时，往往会产生“此中有真意，欲辩已忘言”的窘迫。 然而，科学研究的魅力往往正是在于对熟视无睹的事物投以新的一瞥，从杂 乱无章的现象中厘清规则与秩序。当学者们分别从各自的视角来审视不同的复杂 性事物的时候，总是能够从中得出他们自己对这些事物的认识，因而产生了众多 的关于“复杂性”的理解或定义。目前关于复杂性的定义至少有数十种之多，其中 涉及算法复杂性、计算复杂性、生物复杂性、生态复杂性、演化复杂性、发育复 杂性、语法复杂性、经济复杂性、社会复杂性等领域【5 10 1 。但由于复杂性研究领 域的广泛性以及复杂性本身的抽象性，却很难找到一个能够表征所有复杂性事物 普遍特征的的确切定义。尽管如此，我们却可以避开定义的“雷区”，从复杂事物 所共同具有的基本特征入手来描述或规定复杂性和复杂系统的范畴与属性。 大气酸沉降复杂性研究 复杂性科学中的“复杂性”( c o m p l e x i t y ) 一词专指复杂系统中的复杂性。 大英 百科全书中描述了“复杂性”属性的八种特征：不可预测性；连通性；非 集中控制性：不可分割性；奇异性；不稳定性；不可计算性；涌现性。 美国学者n i c h ol a sr e s c h e r 则把复杂性分为两类，一类是本体论意义的复杂性， 包括成分复杂性( 构成、分类) 、结构复杂性( 组织、分层) 、功能复杂性( 操作、普 遍) 等；另一类是认识论意义上的复杂性，主要指形式复杂性，并可分为描述、生 成和计算复杂性等【4 3 舶j 。 一般认为，复杂性具有以下基本特征【7 9 ，4 3 4 6 】：复杂性与非线性有密切关系， 强调复杂性的本质就是非线性；复杂性与整体性有密切关系，整体不可以分析 地还原为部分；复杂性意味着多样性和结构变异性；复杂性意味着组织、相 关性和时空不对称性；复杂性与简单性相互联系，复杂现象的背后往往存在简 单的规律，而简单的规律也能产生非常复杂的现象。 根据系统的简单或复杂属性，可把系统分为简单系统和复杂系统。复杂系统 则是由大量相互作用的不同单元组成的自适应系统，而复杂性就是复杂系统的行 为、组织特性【i o 】。通常认为，复杂系统具有4 个基本特征：组成单元数量庞大； 单元之间存在大量联系：具有自组织性；具有动力学特性【7 9 4 3 铷】