三维空气污染物系统的多元多重分形分析

运用最新提出的多元多重分形去趋势波动分析法(MV-MFDFA)研究北京和上海两地的三维空气污染物(PM_(2.5)、PM_(10)、NO_2)浓度指数系统的非线性波动特征及动态复杂性。实证结果表明,两地污染物系统及其分量序列均存在长程相关性和时变的多重分形特征,相比较而言,北京污染物系统序列的多重分形强度更大,而上海污染物系统的长程相关性更强。此外,两地污染物系统在不同时间标度下呈现出不同的多重分形特征。最后,研究了两地污染物系统序列具有多重分形性的原因,指出胖尾概率分布和长程相关性是导致序列多重分形性的共同原因,且胖尾概率分布的贡献更大。     

上海市四季PM2.5时间序列的多重分形特征

为了解PM2.5浓度随时间演变的动力学特征,采用多重消除趋势波动分析法(MFDFA),对上海市春夏秋冬四季的PM2.5日浓度数据时间序列进行了分析,结果表明:上海市四季的PM2.5日时间序列在整个时间尺度上均表现出正长程相关性,且存在多重分形特征,且夏季多重分性特征最强,冬季最弱;上海市四季的PM2.5时间序列的多重分形特征均是波动的胖尾分布和自身的长程相关性共同作用的结果:对于春夏两季,序列本身的长程相关性对多重分形特征的影响比较大;对于秋冬两季,波动的胖尾分布对多重分形特征的贡献比较大。MF-DFA可以有效地分析PM2.5时间序列的标度不变性和多重分形特征,对于描述时间序列的动力学演变特征具有非常重要的意义,是一种有效的大气污染物时间序列的非线性研究方法。     

黄河径流序列标度不变性分析及趋势预测研究

长期以来，影响黄河干流梯级电站可持续发展的因素，除了关键技术因素、经济因素和环境因素，还有对未来径流趋势的认知不足。可见研究黄河干流径流变化趋势，对于黄河干流梯级电站可持续发展具有重要的现实意义。论文利用非趋势的波动分析法，对黄河干流贵德、头道拐和花园口3个水文站径流的标度不变性和未来变化趋势进行了分析和预测。结果显示，3个水文站的径流量将会减少，这将对黄河干流梯级电站可持续发展不利。     

泾河流域枯水复杂性研究

枯水复杂性作为枯水的重要特征,在枯水研究中具有重要的意义。论文以泾河流域张家山水文站1933—2010年的月径流序列为研究对象,基于距平法和均值标准差法对比确定月枯水序列,基于近似熵（ApEn）分析枯水的复杂性。结果表明：1）年径流在0.01水平下呈现极显著的递减趋势,流域1997年以来发生枯水的频率越来越大。张家山水文站月枯水量上界为 9 369.67×10⁴ m³,1、2和12月径流量小于月枯水量上界的月份比例远大于其他月份的比例,故以这3个月的月枯水组成枯水序列;2）枯水序列的ApEn值为1.059 1,与同期整个月径流序列的ApEn值（1.059 7）接近,说明发生于1、2和12月的15个非枯水月份径流对枯水序列的复杂度影响不大;3）月枯水复杂度在0.05水平下呈现显著的波动递增趋势,与月枯水径流呈显著的负相关关系,但与月降水量不显著相关,表明降水不是枯水径流系统的主要输入,降水量的变化对枯水复杂度的变化不起关键作用,而径流惯性可能是引起枯水复杂度变化的重要因素。     

典型灰霾期间城市大气PM_(2.5)演化的标度行为实证研究

针对成都市2014年1月22-31日的持续重度灰霾过程,运用频度统计分析、功率谱分析和去趋势波动分析方法,对成都市6个国控环境空气质量监测子站(草堂寺、金泉两河、梁家巷、人民公园、三瓦窑、灵岩寺)大气PM_(2.5)小时平均浓度时间序列的标度行为(标度律)进行实证研究。结果显示,此次灰霾期间高浓度PM_(2.5)的波动行为呈现明显的日周期循环规律,这与人类的生产生活具有密切关系。宏观上看,PM_(2.5)浓度波动在统计上服从典型的负幂律分布规律,具有标度不变分形特征。同时,利用功率谱及去趋势波动分析发现,各监测子站PM_(2.5)时间演化的DFA指数均在1左右,PM_(2.5)演化呈现1/f噪声性质,表明灰霾期间高浓度PM_(2.5)的动态演化过程表现出长程关联特性(或长期持续性),其波动关联特性在研究时段内呈现幂律分布的标度律。实证研究表明,此次灰霾期间成都市大气PM_(2.5)时间演化呈现出自组织临界性(SOC)基本特征,高浓度PM_(2.5)时间演化过程涌现出的长期持续性标度律很可能是由城市灰霾污染的SOC行为导致。该研究对深入认识灰霾天气大气PM_(2.5)非线性演化的内在动力学机制具有一定启示意义。     

霍林河中游径流量序列的多时间尺度特征及其效应分析

霍林河是松嫩平原西部地区科尔沁、向海和查干湖湿地的重要补给水源。通过对其中游白云胡硕水文测站46a的年径流量序列的多时间尺度分析,探讨霍林河径流演变的近似周期性,识别霍林河径流变化对其下游洪泛湿地水源补给的规律,以及这种规律控制下的洪泛湿地环境演变。小波分析表明,霍林河白云胡硕水文站年径流序列主要存在3个尺度的周期变化,不同时间尺度下周期信号的强弱在时频域中的分布具有较强的局部特征,以大于30a尺度的年代际周期变化起主导作用,该尺度下,霍林河径流演变呈现出丰、枯、丰的交替振荡,下游洪泛湿地景观演变相应表现出阶段性特征,1990年代以前尤为突出。能量相对较弱的中、小时间尺度径流量周期性变化,与强烈的人类干扰活动相比,对下游洪泛湿地环境演变的作用效果不明显,突出表现在1990年代以后。     

黄河北干流径流变化规律及其与气候的关系研究

为了明确黄河北干流的径流变化规律以及和季风的关系,研究将黄河北干流划分为3个河段(上游:河口-吴堡、中游:吴堡-龙门,下游:龙门-潼关),并将时间尺度分为小尺度(<10 a)、中尺度(10～20 a)和大(≥20 a)尺度,应用该区域1919～2006年4个水文站的年天然径流数据、亚洲季风指数和踞风指数,采用线性回归和...     

气候变化对阿克苏河流域径流过程的影响

结合阿克苏河源流山区两气象站以及出山口两水文站近50 a的气象、 水文实测资料,运用非参数Mann-Kendall单调趋势检验、 突变检验、 方差分析外推、 R/S分析及周期性叠加趋势模型等方法,分析了阿克苏河源流区气候及径流变化的趋势和周期,并予以预测,探讨了气候变化对径流的影响量。结果表明:阿克苏河源流区气温、 降水量及径流量皆呈显著增加趋势,且分别在1989、 1985和1993年发生了显著的增多跃变;气候因子与径流量的Hurst指数均大于0.5,表明其未来仍将保持增加趋势,在2010-2016年径流量的相对最大值和最小值将分别为91.822×10⁸ m³(2014年)和83.43×10⁸ m³(2011年);阿克苏河径流量在整个时间序列存在25 a的准周期,但在突变前以17 a周期为主;气候变化使得阿克苏河源流在1994-2007年增加了224.97×10⁸ m³的来水量,年增加量的最大、 最小值分别出现在2003年和2004年。     

南漪湖上覆水溶解性有机质的光谱特征

为考察南漪湖上覆水中溶解性有机质(DOM)的光谱特征与来源,采用紫外-可见光吸收光谱(UV-Vis)与三维荧光光谱(EEMs)为工具,并结合平行因子分析(PARAFAC)、荧光区域积分分析(FRI)、相关性分析、主成分分析与聚类分析对DOM进行定性与定量分析.结果显示,UV-Vis参数a(440)、E₂/E₃、E₃/E₄、S_R表明DOM具有腐殖化特征与自生源特征,且E₂/E₃、E₃/E₄与a(440)呈显著正相关关系(P<0.01,P<0.05),S_R与a(440)无显著相关关系(P>0.05),说明腐殖酸浓度越高则DOM相对分子量越大,但无法依据腐殖酸浓度大小判断DOM来源.根据a(440)计算获得溶解性有机碳(DOC)平均浓度为26.79mg/L,且该湖泊出口附近DOC浓度为10.15mg/L.荧光指数(β:α、FI、BIX、HIX、Fn (280)、Fn (355))显示该湖泊DOM具有腐殖化程度较低及强自生源特征,类蛋白组分(Fn (280))相对浓度的空间分布上由西向东逐渐增大,而腐殖酸类组分(Fn (355))相对浓度峰值出现在入湖口与出湖口.通过PARAFAC解析出3种组分,分别为类富里酸(C1)、类色氨酸(C2)和类腐殖酸(C3),且C1、C2、C3含量分别占总组分强度21.96%、13.36%、84.21%.FRI法分析显示类蛋白物质所占比例之和(区域I+II)为49.65%,该结果说明水体已受到了人为因素影响.通过相关性分析结果显示,C1、C3与β:α、BIX呈显著负相关系(P<0.001),C2与β:α、BIX、Fn (355)呈正相关系(P<0.001).通过主成分分析与聚类分析,南漪湖上覆水中DOM在16个位点间呈现不同特征,但整体上水体中DOM来源受内源输入影响较为显著,应加强该湖泊内源释放污染物控制与管理.     

新疆玛纳斯河径流过程的非线性特征

结合玛纳斯河肯斯瓦特水文站1954-2007年的逐月径流及流域内气候资料,利用小波多尺度分析、混沌理论与周期性叠加趋势模型研究了玛纳斯河径流的非线性特征及影响因素。结论如下:①玛纳斯河径流变化的周期分别在15、18和22 a,并在18 a处最为显著;②玛纳斯河径流变化呈现复杂的非线性特征,其关联维为3.317 8,是非整数,这意味着其径流变化具有分形和混沌特性;③根据周期性叠加趋势模型,2007年后的7 a内玛纳斯河径流仍将保持上升趋势;④玛纳斯河径流与NAO关系密切,在夏季表现为负相关且相关性最强,其次在冬季为较强的正相关,在全年关联性最差,并且两者存在多尺度的复杂相关性;⑤NAO通过气流循环影响该流域的气候变化进而作用于径流。     

基于化学组分参数化的大气气溶胶吸湿性特征

为了探讨大气气溶胶的吸湿性特征,基于观测气溶胶化学组分,计算了吸湿性参数κ.首先,通过PCA分析法,得到了对吸湿性参数κ贡献率较大的化学因子;其次,基于K?hler公式与ZSR混合理论,对各化学组分加权得到各时刻对应的吸湿性参数κchemical;最后,基于κ-K?hler理论,讨论κchemical与其相关性,并通过...     

基于Copula函数的泾河流域水沙关系演变特征分析

为了掌握泾河流域水沙演变规律,基于张家山水文站1956-2010 年径流与输沙量数据,采用滑动平均法分析流域水沙变化,提出应用滑动相关系数法诊断水沙关系变异,与双累积曲线法相互验证,选取皮尔逊III 型分布拟合变异前后水沙分布,基于Copula 函数建立水沙联合分布,对比分析泾河流域水沙变化特征,研究不同时段水沙丰枯遭遇情况.结果表明:① 水沙关系于20 世纪80 年代发生变异;② 以1982 年为分割点,相比于1956-1982 年,1983-2010 年水沙均值减小,设计频率P≤90%时水沙值均减小,P >90%时,径流减小,输沙量增加;③ 两阶段水沙丰枯同步频率大于丰枯异步频率,“水丰沙枯或水枯沙丰”遭遇组合概率最小,变异后时段(1983-2010 年)各种遭遇组合频率分布更为均匀,水沙丰枯异步频率变大.     

石笋灰度和同位素对末次冰期气候事件的响应

对石笋多指标的研究有利于全面理解季风气候事件的变化特征和机制。以湖北永兴洞YX55石笋为研究对象,通过高精度U/Th定年和多指标分析重建了65~35 ka B.P.石笋灰度和稳定同位素的变化序列。在65~40 ka B.P.时段,石笋灰度、δ¹³C与δ¹⁸O都呈现出数个千年至亚千年尺度的变化,但δ¹³C变化幅度比δ¹⁸O小得多。这说明灰度和δ¹³C这类代表局域气候的指标,都响应于δ¹⁸O指示的Heinrich（H）事件和Dansgaard-Oeschger（DO）旋回,但响应的程度各不相同。H4期间,石笋δ¹³C和灰度呈现不一致变化：δ¹³C不像在其他H事件一样小幅振荡,而是大幅正偏（相当于其他H事件2~3倍）;灰度则显示出和DO旋回一致的特征。这种δ¹³C/灰度与δ¹⁸O异常响应关系可能的机制是：H4期间季风强度急剧减弱,使得洞穴上覆土壤覆盖率大幅降低,从而削弱或阻止了土壤—岩溶系统的过滤能力,使石笋中杂质含量异常增加。     

不同污染条件下南京春季CCN活化特征分析

在2018年3~4月对南京北郊地区的气溶胶开展了云凝结核（CCN）特征的外场观测,并结合气象数据、PM_2.5浓度和化学组分信息以及光学特性等数据,对观测期间的污染天和清洁天进行了对比,分析了典型污染过程和新粒子生成天的CCN特征.结果表明,本次观测中气溶胶CCN活性总体较高,各过饱和度（SS）下的平均吸湿性参数（κ）为0.30,在最低过饱和度下（SS=0.17%）κ最低,且最大活化率（B）仅为0.72,表明气溶胶中有较多不易活化的物质.污染天κ高于清洁天,但活化率更低且外混程度更高,主要是受交通和工业排放的吸湿性较差的粒子影响,而颗粒物在夜间可迅速老化,使其吸湿性提升,CCN数浓度增加.新粒子生成天的κ受到粒子成核的影响有明显日变化,对总气溶胶数浓度（N_CN）和CCN数浓度（N_CCN）也有显著贡献.     

电催化氧化有机污染物的电极性能评估策略

本研究采用电化学测试和亚甲基蓝（MB）模拟废水处理两种手段评估了填充床电极反应器电催化氧化有机污染物的电极性能.循环伏安（CV）和电化学阻抗谱（EIS）拟合结果表明,填充床体系的电极面积是PbO₂/Ti阳极面积的1.54倍（即床层拓展系数l为0.54）,PbO₂/Ti阳极（γ）和活性炭复极化粒子电极（β）用于MB氧化的有效电流占比分别为0.63、0.34;采用废水处理结果拟合所得的λ和γ+β为0.54和0.99,所得数值与前者相符,两种方式得以相互验证.对体系能耗和电流效率的回归分析及F检验结果证明了所构建评估策略的准确性,可为填充床体系电极性能评估提供理论与方法支撑.     

不同组织碳、氮元素含量和同位素分馏特征研究—以抚仙湖草鱼、鱇浪白鱼为例

结合抚仙湖浮游植物、水生植物等样品,对野生植食性草鱼(Ctenopharyngodon idellus)31个组织和野生肉食性鱇浪白鱼(Anabarilius grahami)17个组织样品碳、氮元素含量和稳定同位素比值(δ13C、δ15N)进行了对比分析.结果显示,鱼类不同组织的碳稳定同位素分馏效应显著,草鱼不同组织...     

不同经营方式毛竹林氮流失年动态规律

为研究自然降雨条件下不同经营方式毛竹林径流养分流失的年动态变化规律及其差异,以浙江省杭州市临安区青山毛竹园为试验区,在粗放经营和集约经营区域,设置独立观察站。每次连续降雨后采集沉砂池水样,测定总氮（TN）、总磷（TP）、硝态氮（NO₃^--N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、磷酸根离子（PO₄^3-）含量,同时在动态观测期中采集坡面土壤样品,测定pH、有机质及有效N、P含量。结果表明：（1）集约经营和粗放经营毛竹林年单位产流量分别为8086.52 m³/hm²、4850.95 m³/hm²。（2）毛竹林径流水氮流失以硝态氮为主。（3）毛竹林集约经营增加了氮磷流失风险,集约经营和粗放经营毛竹林TN年单位流失量分别为45.26 kg/hm²、25.05 kg/hm²,TP年单位流失量分别为0.31 kg/hm²、0.21 kg/hm²,与粗放经营相比,集约经营氮磷流失分别增加了80.68%、47.62%。（4）毛竹林径流水中TN浓度与土壤碱解氮含量成极显著负相关,径流水中TP浓度与土壤有效磷成极显著正相关。