COVID-19期间区域大气高污染发生的非线性动力机制

• 作者: 吴波 刘春琼 张娇 李彦辉 陈郁兵 文烨 鲍冰逸 杜娟 史凯
• 来源期刊: 中国环境科学
• 关键词: 日变化规律 长期持续性 多重分形 幂律统计 自组织临界 PM2.5 O3
• 年，卷（期）: 2021,（5）
• 所属期刊栏目: 大气污染与控制|Air Pollution Control
• 页码范围: 2028-2039
• 页数: 12页
• 分类号: X513
• 语种: 中文
• DOI: 10.3969/j.issn.1000-6923.2021.05.005

摘要

以长株潭城市群3个城市(长沙、株洲和湘潭)疫情期间(2020年1月24日～2020年5月31日)大气PM2.5和O3小时平均浓度时间序列数据为研究对象,对污染物日变化规律、长期持续性、多重分形性及自组织演化动力学特性进行研究.以期阐释疫情期间高污染事件发生及演化的内在动力机制.首先,对3个城市PM2.5和O3质量浓度的日变化规律进行分析,发现O3呈现出昼高夜低的单峰型,而PM2.5日变化规律表现出昼低夜高单峰型,与非疫情期间的特征有所差异.进一步,应用消除趋势波动分析法(DFA)、多重分形消除趋势波动分析法(MFDFA)和概率统计分析,研究了大气复合系统中PM2.5和O3质量浓度序列的长期持续性和多重分形结构.结果 发现3个城市PM2.5和O3浓度序列均具有显著的长期持续性特征和较强的多重分形结构,同时,应用去趋势互相关分析法(DCCA)方法和多重分形去趋势互相关分析法(MFDCCA)对PM2.5和O3两者之间的互相关性进行了分析,发现PM2.5-O3之间的互相关也存在显著的长期持续性特征以及在不同时间尺度存在多重分形特征.进一步将疫情期间得到的非线性分析结果与2018年和2019年同期非疫情期间的结果进行了对比分析.最后,基于自组织临界理论(SOC)探讨了大气PM2.5和O3浓度时空演化的内在动力规律,并结合典型区域气象特征,阐明了SOC内禀动力机制可能是COVID-19疫情期间大气高污染形成的主导机制之一.疫情期间大气PM2.5和O3浓度并非分别独自演化而是依然保持复杂的相互作用.静稳气象条件下,大气复合污染内部的非线性耦合作用可能达到动力学临界状态,将导致长株潭城市群在疫情期间仍有发生大气高污染的风险.