大气污染物迁移的协同系统分析.pdf

维普资讯 武 汉 大 学 学 报 ~OURNAL OF W UHAN UNIVE．RSITY (自然科学版 ) rNaturalScience Edition) 1992年第 1期 NO．1 1992 大气污染物迁移的协同系统分析 陈焕章 周焕文 (武汉大学环境科学系) 、 ■■ 本文探讨利用协同系统分析方法，从理论上 阐述大气污染物迁移的统计力学基础， 包括如何确定大气污染物迁移的速度场，浓度场 以及湍流 脉动速度 ，并使之与大气污染监梗I紧 密联系起来 ， 而实现大气污染模拟。 关蕾坷 协同学，大气污染模拟，统计力学 I l 动力学系统的局限性 大气污染系统是 由大量粒子 (包括原子、离子、分子和各种颗粒物 )构成的。在本世纪 6O年代，人们 一直力图采用牛顿经典力学系统，描述这些质点运动的确定性轨道 。这种轨道 既没有熵，也无时间之矢。即一’旦知道系统的初始状态，就可以确切地永远它预言在未来对 闻中的运动演化情况，Laplace格言 “万物的灵魂”就表征着这种观念。那}}垂，描述大气污 染物运动的著名的高斯扩散公式，通过在大草地进行试验，通过分折到的大量大气污染物迁 移扩散监测数据，发现只要能较好地给定大气污染系统的输入参数，用该公式预报在点源附 近几公里 以内的污染物浓度估值，效果还是比较好的。但是，对用于非悬浮化学稳定物质的 面源，特别是后来成为大气污染模拟焦点的城市污染，需要模拟出许多不同污染源引起、空 气污染范围达到 100km左右的污染物 (如光化学污染物 )浓度水平， 这类问题的复杂性使 高斯扩散羽模式无能为力。 本世纪70年代 中期，著名比利时科学家伊 ·普里戈盒提出的远离平衡态的耗散结构，以 及后来德国理论物理学家哈肯提出的协同学 自组织理论，为研究大气污染系统提 出了新方 向。 他们认为，以前的那种 以稳定轨道为特征的经典动力学系统理论，是一种纯粹的机械论 【l】· 事实上，大气污染系统是以相当不稳定的方式运动的，在一般情况下并无截然分开的界限， 而是一种混合状态，甚至在某点上的过渡状态都很模糊，根本无法确定其初始状态，因而这 种系统轨道及其参数 (如位置、速度等 )是无法观测出来，无法绝对精确给定的，这就使依 赖确定边界条件和初始条件的动力学独立性遭到动摇和破坏，反映了动力学的局限性o 2 协同学理论的应用 协 同学理论最适用于研究由大量子系统构成的大气污染系统，研究这些子系统通过怎样 收稿 日期 l1991—06—05 83 维普资讯 的合作协同作用，r生在宏观尺度上卒间稻时间的演变过程 例如，大气湍 现象 ，协同 学 为， 宏观 层次 j二看是无规 的或者是 混沌 的，但从微跏层次上看，Jlilj是亿万大 分子 相干行为形成的一种多维空间和 }间的效应 ．是～种高度 组织的过程。太 系统状态 由层 漉到湍流的变化，是 由于层流中部分大 分 热运动能量耗散或传递而形成的自组织过程。 由此 见，为了描述大 污染系统在空间位置 和给定对刻 t的状态，必须恰当地选取状态 变情 g( )： q( ，)=[吼 (，t)， (． f)，…， (鹄 f)] (1) 而选取状态变量则有 观层次、 中观层次和宏观层次之分…。 微观层次就是研究 用各个原 子 分子或其它粒子的位置、速度及其相互作用描述大气污染系统，中观层次则是 罔由许多 原子或 舒子 的集岔 (这个集合 原子 的间距大得多，但 比正在演化的宏观模式小 )衷描述系 统， 这对状态变量 g。就是每个小子集质点的密度或其平均速度} 宏观层次则是研究由空间 和时间函数 q(