前言

近年來我國區域空氣污染明顯加劇，重度灰霾事件頻繁發生。城市大氣污染問題已廣泛引起科學界、政府部門和社會公眾的高度關注，成為熱門話題。在學術界，關于我國城市大氣污染的研究內容，已從早期的定義、識別方法、濃度特征等，發展到單顆粒物理化學特性、光學性質、遙感研究、有機氣溶膠毒理學，以及監測、預報預警等多學科、多方向的交叉領域。這些研究不僅提高了我們對嚴重大氣污染發生機制的認識，還為大氣污染科學防治指引了方向。近年來我國在治理大氣污染方面投入巨大，也獲得了顯著成績，但各大城市嚴重大氣污染事件仍反復出現，這也表明大氣污染的發生機制仍是現階段研究的重點之一。2017年3月，李克強總理就批示設立專項資金，集中攻關霧霾形成機理與治理。這指示我們，需要新的科學思維和視角來研究大氣污染的發生及演化。

在前期研究中，人們已注意到，空氣污染演化過程同時也是一個動力過程，即使我們肉眼看到的是藍天，但實際上各種導致大氣污染發生的氣體污染物都已存在并時刻發生著各種反應或相互作用，醞釀著下一波嚴重污染事件。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及其演化動態，是該領域主要研究方向之一。然而，目前對于城市大氣污染動力學演化機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雜多變且具有一定的不確定性，這給大氣污染的預測，尤其是不利天氣下高濃度污染的準確預測預報帶來很大的困難。

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。多年來，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、模擬和預測大氣污染物的時空演化。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，取得了實質的進展，但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充分的認識。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，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物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。但目前很少基于整體論的視角來研究大氣污染物濃度長期時間演化的系統動力學總體特征，更不清楚宏觀演化動態是否存在著典型的非線性規律。基于復雜性科學的理論和方法，從宏觀、整體系統動力學的角度上來認識大氣污染物濃度時間演化的復雜動力特征，有助于從新的角度來加深對大氣污染的認識，進而提出新的大氣污染預測方法。

非線性科學與方法本身也正是為解決自然界中廣泛存在的復雜性而逐步發展而來。作者在攻讀博士學位期間，在恩師艾南山教授指導下，嘗試研究大氣污染的非線性問題。多年以來，作者一直從事大氣環境領域的研究，重點是將復雜性理論、分形方法、自組織臨界動力學等非線性科學與方法引入大氣環境領域，系統闡明空氣污染演化的復雜非線性規律，在大氣污染擴散累積宏觀動力學、大氣質量長期演化的涌現效應、大氣污染預測基礎等方面取得了大量有價值的研究成果，形成了較為完整的研究體系。本書中相當篇幅的內容反映了作者多年的研究成果，同時考慮到全書的系統性和完整性，收錄了部分基礎理論知識。

全書內容共分為7章。第1章主要介紹當前大氣環境研究中引入復雜性理論的必要性；第2章介紹分形理論的基本概念；第3章介紹各種時間序列分形方法的具體算法和原理；第4章統計說明大氣環境相關數據的非線性和非平穩性特征；第5章闡明大氣污染演化過程中涌現的長期持續性效應，說明大氣污染長期相關的內涵；第6章介紹互相作用的長期持續性效應及其在大氣環境領域中的應用；第7章介紹大氣環境的多重分形動力學研究。

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

希望這本書對廣大研究大氣環境和復雜非線性理論的讀者有參考價值，通過各種實例的啟發，做出更好的創新性工作。

本書得到國家自然科學基金項目（41465010、41603128）、湖南省教育廳科學研究重點項目（16A172）、湖南省自然科學基金面上項目（2017JJ2219）的資助。同時本書的出版也得到生態旅游湖南省重點實驗室和吉首大學生態學湖南省重點學科的大力資助，謹在此表達誠摯的謝意。

由于作者水平有限，書中疏漏之處在所難免，敬請讀者批評指正。

著　者

2018年6月