正版 时间序列分形方法在大气环境中的应用 史凯,刘春琼 著 化学

第1章　绪论??????????????????????? 1



　1.1 大气污染概述???????????????????????????? 1



　1.2 复杂性科学????????????????????????????? 2



　　1.2.1　什么是复杂性??????????????????????????? 2



　　1.2.2　复杂系统????????????????????????????? 3



　1.3 复杂性理论框架下的大气污染研究?????????????????? 4



　　1.3.1　大气污染的复杂性特征??????????????????????? 4



　　1.3.2　大气污染复杂巨系统???????????????????????? 5



　　1.3.3　大气污染复杂系统的研究途径???????????????????? 6







第2章　分形理论概述??????????????????????? 8



　2.1 分形概念的提出?????????????????????????? 8



　　2.1.1　海岸线的长度问题????????????????????????? 8



　　2.1.2　Koch曲线????????????????????????????
11



　　2.1.3　其他重要的分形结构??????????????????????? 12



　　2.1.4　分形的定义??????????????????????????? 17



　2.2 分形维数????????????????????????????? 17



　　2.2.1　Hausdorff维数?????????????????????????? 17



　　2.2.2　规则分形的分维计算??????? ????????????????19



　　2.2.3　计盒维数???????????????????????????? 20



　2.3 多重分形的概念?????????????????????????? 22







第3章　时间序列的分形方法??????????????????????? 26



　3.1 时间序列与Hurst效应?????????????????????? 26



　　3.1.1　时间序列???????????????????????????? 26



　? 3.1.2　Hurst效应???????????????????????????? 27



　3.2 R/S分析与长期持续性?????????????????????? 27



　3.3 功率谱与1/f噪声????????????????????????? 29



　3.4 计盒维数????????????????????????????? 30



　3.5 多重分形计盒维数????????????????????????? 31



　3.6 消除趋势波动分析（DFA）方法?????????????????? 33



　3.7 多重分形消除趋势波动分析（MFDFA）方法???????????? 34



　3.8 去趋势互相关分析（DCCA）方法????????????????? 36



　3.9 多重分形去趋势互相关分析（MFDCCA）方法??????????? 37



　3.10 去趋势耦合相关分析（CDFA）方法??????????????? 39







第4章　城市大气环境的非线性特征与非平稳性??????????????? 42



　4.1 数据说明????????????????????????????? 42



　4.2 数据的非线性特征分析?????????????????????? 47



　　4.2.1　研究数据???????????????????????????? 47



　　4.2.2　正态性检验??????????????????????????? 49



　　4.2.3　统计量检验??????????????????????????? 50



　　4.2.4　非平稳性检验?????????????????????????? 52







第5章　城市大气污染演化的长期持续特征????????????????? ??54



　5.1 城市空气质量状况的分形结构分析????????????????? 54



　　5.1.1　研究数据与方法????????????????????????? 54



　　5.1.2　研究结果与讨论????????????????????????? 55



　　5.1.3　研究结论???????????????????????????? 59



　5.2 城市空气质量状况的长期持续性分析???????????????? 59



　　5.2.1　研究数据和方法??????????????? ??????????60



　　5.2.2　研究结果和讨论????????????????????????? 60



　　5.2.3　研究结论???????????????????????????? 68



　5.3 重度灰霾期间PM10演化的分形特征及DFA 分析?????????? 69



　　5.3.1　研究数据与方法????????????????????????? 70



　? 5.3.2　研究结果与讨论????????????????????????? 70



　　5.3.3　研究结论???? ????????????????????????77



　5.4 重度灰霾期间NO2演化长期持续性特征的空间稳定性???????? 77



　　5.4.1　研究数据和方法????????????????????????? 78



　　5.4.2　研究结果与讨论????????????????????????? 79



　　5.4.3　研究结论???????????????????????????? 81



　5.5 灰霾消散前后PM2.5 演化长期持续性特征的时间稳定性??????? 82



　　5.5.1　研究数据和方法????????????????????????? 82



　　5.5.2　研究结果与讨论????????????????????????? 84



　　5.5.3　研究结论???????????????????????????? 88







第6章　DCCA方法在大气环境中的应用?????????????????? 89



　6.1 夏季阴雨天和晴天O3与NO2相互作用的时间尺度差异性分析???? 89



　　6.1.1　研究数据与方法????????????????????????? 90



　　6.1.2　研究结果与讨论????????????????????????? 91



　　6.1.3　研究结论???????????????????????????? 96



　6.2 夏季和冬季近地层O3与NO2的长期互相关作用差异性分析????? 97



　　6.2.1　研究数据和方法????????????????????????? 97



　　6.2.2　研究结果与讨论????????????????????????? 98



　　6.2.3　研究结论?????????????????? ??????????101



　6.3 基于DCCA方法的成都市市区与周边城镇大气污染长程相关性分析???????????????????????????????
102



　　6.3.1　研究数据和方法????????????????????????? 102



　　6.3.2　研究结果与讨论????????????????????????? 103



　　6.3.3　研究结论???????????????????????????? 107



　6.4 大气环境中PM10对大气辐射环境的影响?????? ???????107



　　6.4.1　研究数据和方法????????????????????????? 108



　　6.4.2　研究结果与讨论????????????????????????? 109



　　6.4.3　研究结论???????????????????????????? 112



　6.5 大气中长期二英浓度变化与温度、降水和PM10的相关性????? 112



　　6.5.1　研究数据和方法????????????????????????? 113



　　6.5.2　研究结果与讨论?? ???????????????????????114



　　6.5.3　研究结论???????????????????????????? 116



　6.6 城市尺度上交通拥堵与大气NO2污染的关系研究????????? 116



　? 6.6.1　研究数据与方法????????????????????????? 117



　　6.6.2　研究结果与讨论????????????????????????? 120



　　6.6.3　研究结论???????????????????????????? 123







第7章　城市大气污染演化的多重分形特征????????????????? 125



　7.1 城市空气质量变化的多重分形分析????????????????? 125



　　7.1.1　研究数据和方法????????????????????????? 125



　　7.1.2　研究结果与讨论????????????????????????? 126



　　7.1.3　研究结论???????????????????????????? 132



　7.2 灰霾消散前后PM10浓度大幅波动的多重分形分析??? ??????132



　　7.2.1　研究数据与方法????????????????????????? 133



　　7.2.2　研究结果与讨论????????????????????????? 134



　　7.2.3　研究结论???????????????????????????? 138



　7.3 城市大气污染物时间演变分形动力学??????????????? 138



　　7.3.1　研究数据和方法????????????????????????? 139



　　7.3.2　研究结果与讨论??? ??????????????????????140



　7.4 近地层O3和NO、NO2相互作用的多重分形分析???????? 152



　　7.4.1　研究数据和方法????????????????????????? 153



　　7.4.2　研究结果与讨论????????????????????????? 153



　　7.4.3　研究结论???????????????????????????? 157



　7.5 O3与前体物耦合作用的CDFA分析??????????????? 158



　　7.5.1　研究数据和方法????????????????????????? 159



　　7.5.2　研究结果与讨论????????????????????????? 161



　　7.5.3　研究结论???????????????????????????? 165







参考文献??????????????????????? 167







后记??????????????????????? 175

史凯，吉首大学生物资源与环境科学学院，1980年1月生，环境科学专业，博士，教授，硕士生导师。2008年7月毕业于四川大学环境科学专业，获博士学位。2008年7月起至今，在湖南省吉首大学生物资源与环境科学学院任教。2011年起担任生态旅游湖南省重点实验室副主任职务工作。研究方向为大气污染的演化机制与预测。先后主持了2项国家自然科学基金项目，以及湖南省自然科学基金项目、湖南省教育厅科研项目、湖南省科技计划项目等十余项国家 级、省厅级科学研究项目。在《Atmospheric Environment》、《Journal of Asian Earth Sciences》、《China. Science China Earth Sciences》、《Nonlinear Analysis: Real World Applications》、《Fractals》、《Water Science and Technology》、《Aerosol and Air Quality Research》、《环境科学学报》、《中国环境科学》等靠前和靠前期刊上发表学术论文四十余篇，其中二十余篇为SCI收录，并获得多项国家发明。

中国城市大气污染近年来明显加重,已受到学术界以及媒体、公众的广泛关注。大气污染的时空演变也表现出复杂的非线性特征。本书主要介绍了分形理论概述、时间序列的分形方法、城市大气环境的非线性特征与非平稳性、城市大气污染演化的长期持续特征、DCCA 方法在大气环境中的应用、城市大气污染演化的多重分形特征等内容。

本书充分体现了非线性科学与大气污染研究的交叉融合,具有突出的学术和科学价值。全书结构严谨,数据翔实,从复杂性科学的角度为研究城市严重空气污染形成及演化动态提供新的研究思路和研究方法。

本书不仅可供环境科学与工程、空气污染防治等环保领域内的科研人员、技术人员和管理人员阅读,还可供高等学校环境科学与工程、化学、化工和能源等相关专业的师生参阅。

 

本书是大气污染治理与防治的实用技术参考书籍。

本书围绕城市大气污染时空演化的复杂性问题进行系统分析与探索，基于复杂系统理论和时间序列分形方法，对典型城市大气污染的非线性演化特征进行实证研究；对城市大气污染的非线性研究进行了全面总结，系统阐明了城市大气演化过程中的长期持续特征，并探讨这一重要非线性特征在城市空气质量预测、大气污染防治等方面的意义。