1.3.3　大氣污染復雜系統的研究途徑

研究中國重點城市嚴重空氣污染的發生及時空演變的復雜性機制，進而對嚴重空氣污染的發生進行更科學準確的預測、預警及風險評價，是當前十分重要和緊迫的研究課題，具有重要學術價值和實際意義。其中，建立更科學合理的理論和方法來研究復雜大氣系統中重污染的發生機制及其演化動態，是該領域主要研究方向之一。

隨著計算機技術的發展，數值模擬已成為研究大氣污染問題的重要手段。長期以來，為了描述空氣污染的發生及其演化動態，人們往往從微觀細節的角度出發，盡可能多地研究每一種污染物的性質及其相互之間的化學反應機制和物理傳輸機制，建立空氣污染動態的精確數學模型，利用計算機技術求解，從而達到空氣污染動態模擬的目的。學者們基于大氣物理、大氣化學、氣象學等方法提出了眾多理論和模型用以研究、模擬和預測大氣顆粒物的時空演化。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、對流、湍流、輸運、冷凝、蒸發、凝聚、成核、沉降和多相化學反應等，物理意義明確，可以準確刻畫短期空氣污染系統動態過程，有的方法已經在實際空氣污染預測中得到了應用，取得了較好的研究成果^{［11～14］}。

然而，這些模式所涉及的計算參數眾多、方程繁雜、參數估計工作巨大。同時，由于大氣環境的復雜性，模型中許多過程并不明晰，比如大氣化學中化學成分組成、反應速率、反應條件等存在較多不確定性因素。因此人們對大氣污染物時間演化的動力過程并沒有得到滿意的認識^{［11～14］}。盡管各模型基于的理論和功能有較大差異，基于確定性還原論思維的顆粒物污染模式實際上均暗含了這樣一種基本假設：只要知道了所有影響因子及其相互作用機制，就可以對大氣顆粒物的時空演化做出確定性的預測。然而，實際上，大氣環境系統是典型的復雜巨系統，其組成單元數目龐大，單元之間存在強烈的反饋與調節的非線性相互作用。對于這樣的復雜系統，要窮盡涉及大氣污染的所有影響因素及其作用機制顯然是不可能的，也沒有必要。

從復雜性理論來看，大氣污染時間演化過程是開放、耗散的大氣巨系統在人為污染作用下的復雜現象，其形成與演化既受到微觀的物理化學等機制的作用，同時也表現為宏觀、整體性系統動力學的結果。由于大氣系統固有的混沌特性，使得人類迄今掌握的數學方法均無法對城市空氣污染長期動態行為進行精確建模，空氣污染模式也不可能在城市空氣污染防治措施所要求的任意時間段內精確求解來全面描述其復雜動態特性。因此，需要另辟蹊徑發展新的研究思路。基于復雜性科學的理論和方法，從宏觀、整體上認識城市空氣污染系統的演化過程，已成為城市大氣環境基礎研究的一個熱點。本書試圖在復雜性科學的分形理論的概念框架下研究大氣污染演化特征。