摘要
近年来，以细颗粒物(PM2.5)和臭氧(O3)为特征的区域大气复合污染态势日趋严峻，对人们的生活及身心健康产生了极大的影响。京津冀是我国的经济政治文化中心，京津冀大气污染传输通道城市(“2+26”城市)间PM2.5和O3污染相互输送关系显著，呈现明显的复杂网络结构形态。因此，研究该区域内城市间PM2.5和O3复杂相关关系对整个区域大气复合污染的联防联控具有重要科学意义。本研究首先基于多重分形方法揭示PM2.5和O3之间的复杂相关关系，构建新的多重分形参数指标以评估城市PM2.5和O3协同控制能力。进一步分析城市之间PM2.5和O3互相关关系，并在此基础上，构建新的大气复合污染相关网络模型探究不同时间尺度下区域内PM2.5和O3互相关关系和输送模式。以期为京津冀区域大气复合污染物的治理提供有效地理论依据。 （1）基于多重分形去趋势互相关分析(MFDCCA)方法深入探究了PM2.5和O3之间多时间尺度下的复杂相关关系，构建了一个新的多重分形参量指标?用以定量评估中国4大城市群的中心城市(北京、上海、广州和成都)PM2.5和O3协同控制能力。结合固定时序窗口滑移方法，对各城市的?值进行高时间尺度分辨分析，以确定?值时间演变特征。然后研究了4个城市?值的月变化模式，结果表明，夏季期间城市PM2.5和O3协同控制能力最强，进一步讨论了?值和气象条件的关系。最后通过Mann-Kendall检验方法研究了城市?值长期演变趋势。结果表明2017年后北京?值呈现上升趋势。相比于广州、上海和成都，北京PM2.5和O3协同控制能力最弱。这是北京大气污染治理、气象条件以及区域输送共同作用的结果。 （2）基于2017年1月1日至2020年12月31日期间“2+26”城市PM2.5和O3小时平均浓度数据，运用多元去趋势互相关分析（MV-DCCA）方法揭示了城市之间PM2.5和O3互相关关系及其多时间尺度变化特征。结果表明：不同时间尺度下城市之间PM2.5和O3均存在显著的互相关关系，并且这种互相关关系具有长期持续性特征。这意味着过去某一时段内某一城市PM2.5和O3污染排放会对未来一定时间尺度内另一城市PM2.5和O3污染产生长远的影响。进一步讨论了城市间距离及大气污染输送时间尺度与城市之间PM2.5和O3互相关系数?MV-DCCA的关系。然后根据自组织临界(SOC)理论，将PM2.5和O3浓度演化与沙堆崩塌进行类比，阐明了各年城市之间PM2.5和O3多时间尺度互相关关系相似变化模式的内在动力学机制。此外，结合不同季节气象条件探讨了MV-DCCA分析结果的科学性。结果表明：夏季24小时时间尺度下城市之间PM2.5和O3的互相关性更强，冬季城市之间PM2.5和O3的互相关性随着时间尺度的增加而增强，这在“2+26”城市的大气复合污染防治工作中必须加以重视。 （3）根据城市之间PM2.5和O3互相关系数ρMV-DCCA值作为网络是否连边的判断标准，以“2+26”城市为网络节点，构建新的大气复合污染相关网络模型。以期探究大气复合污染相关网络的多时间尺度特征，揭示区域内城市间大气复合污染物的输送模式。结果表明：“2+26”城市之间PM2.5和O3污染的相关关系错综复杂，不存在“孤立”城市节点。不同时间尺度下区域大气复合污染相关网络均存在小世界效应。随着时间尺度的增加，网络的小世界效应会显著增强，大气复合污染相关网络联系更加紧密，区域PM2.5和O3污染输送关系更为复杂。在此基础上，基于节点的网络特征评估了节点的重要性。进一步讨论了区域大气复合污染相关网络的年变化特征，疫情期间区域大气复合污染相关网络多时间尺度变化特征基本反映了大气复合污染输送的客观规律。此外，对比分析了夏冬季节区域大气复合污染相关网络多时间尺度变化特征，结果表明：在8小时和24小时时间尺度下，夏季区域内城市间PM2.5和O3输送关系更复杂。168小时时间尺度下，夏冬季节网络特征差异减少，冬季区域内城市间PM2.5和O3输送关系更复杂。 本研究基于区域内城市间大气复合污染物PM2.5和O3的非线性互相关关系，与复杂网络方法进行有机融合，构建的大气复合污染相关网络模型能有效的反映“2+26”城市大气复合污染输送模式多时间尺度特征。这也为区域大气复合污染输送研究提供了一种新的思路。
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