时间序列分形方法在大气环境中的应用

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