基于DCCA方法的成都市市区与周边城镇大气污染长程相关性分析_史凯

基于 Ｄ Ｃ Ｃ Ａ 方法的成都市市区与周边 城镇大气污染长程相关性分析
２ ２ ， ， 史 凯１， 刘春琼１， 吴生虎２
（ ） 吉首大学生态旅游湖南省重点实验室 ， 湖南 吉首 ４ 吉首大学生物资源与环境科学学院 ， 湖南 吉首 ４ １． １ ６ ０ ０ ０； ２． １ ６ ０ ０ ０ ） 摘 要 ：利用 ２ 数据， 采 ０ ０ ８ 年 １ 月 ～２ ０ １ ２年１ ２ 月期间成都市市区与其周边 １ ４ 个城镇的逐日空气污染指数 （ Ａ Ｐ Ｉ 研究区域城市间大气污染的相关 性 及 其 随 时 间 演 变 规 律 。 结 果 表 明 ： 成都市 用去趋势互相关分析法 （ Ｄ Ｃ Ｃ Ａ 分析 ） 并 且 在 不 同 的 月 份， 相 关 性 会 随 之 发 生 变 化。这 种 区与其周边城镇大气污染的空气污染存在一定程 度 的 相 关 性 ， 相关性具有长期持续特征 ， 具体表现为在一定的时间尺度上成都市区与其周边城镇 大 气 污 染 的 相 关 性 随 时 间 的 变 即不随时间呈现指数快速衰减 ， 而是以幂律 形 式 随 时 间 缓 慢 衰 减 。 进 一 步 ， 结合 化并不遵循经典的马尔可夫过程 ， 探讨了 Ｄ 在特定地理环境和 不同月份间区域大气平均流场的分布特征 ， Ｃ Ｃ Ａ 分析结果的科学性。研 究 结 果 说 明， 气象条件控制下 ， 成都市及其周边城市之间已经存在 明 显 的 相 互 输 送 和 耦 合 作 用 ， 成都地区大气污染已由局地性 污染转变为区域性大气污染 。 城市间污染物输送的长 期 相 关 影 响 机 制 极 有 可 能 在 特 定 月 份 加 重 成 都 市 区 的 空 气 污染状况 ， 这在成都市区及其周边城镇的规划建设中必须加以特别重视 。 关键词 ：去趋势互相关分析法 ；相关性 ；长期持续作用 ；成都市 （ ） 中图分类号 ： Ｘ ５ １ １ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ４ ８ ２ ２ ７ ２ ０ １ ４ １ １ １ ６ ３ ３ ０ ８ － － － ： ／ Ｄ Ｏ Ｉ １ ０． １ １ ８ ７ ０ ｃ ｌ ｚ ｈ ２ ０ １ ４ １ １ ０ ２ １ ｊ ｙ ｙ ｙ ｊ
［ ６］ Ｗ ａ ｎ ｇ 等 研究了成都平 原 大 气 能 见 度 的 长 期 变 化 趋势 ， 发 现 其 与 大 气 ＰＭ２． ５的区域性污染演化紧密 ７］ 相关 ； 胥芸博等 ［ 应用 Ｇ Ｉ Ｓ和地统计学研究了成都
。 区域城市群中 大 气 污 染 物 的 跨 界 输 送 已 成
［ ３］
为政府和相关学者关注的一个焦点
１ 研究数据
本文的 研 究 数 据 为 ２ ０ ０ ８ 年 １ 月 ～２ ０ １ ２年１ ２ 月成都市市区与 龙 泉 驿 区 、 新 都 区、 温 江 区、 青白江 区、 双流 县 、 郫 县、 都 江 堰 市、 崇 州 市、 金 堂 县、 新津 县、 彭州市 、 邛 崃 市、 大 邑 县、 浦江县等成都周边１ ４ ） 个城镇的逐日空气污染指数 （ 数 据。各 城 镇 的 Ａ Ｐ Ｉ 相关数据来自四川省 Ａ Ｐ Ｉ数据分别组成 时 间 序 列 ， 环境监测总站网站 。 数据 显 示 ， 各城镇逐日 Ａ Ｐ Ｉ数
４］ ， 。随 不下 ， 全年霾日天 数 超 过 １ 列 全 国 第 六［ ５ ０ｄ
平原 ５ 个城市大气 污 染 的 空 间 分 布 特 征 ， 发现各城 市之间大气污染 物 存 在 一 定 的 相 关 性 。 然 而 ， 相对 于京津冀 、 长江三角 洲 和 珠 江 三 角 洲 等 地 的 区 域 城 市群而言 ， 以成都为 中 心 的 成 都 平 原 地 区 城 市 间 大 气污染物相互影响的系统研究仍然非常缺乏 。 科学 准 确 的 分 析 成 都 市 区 及 周 边 城 镇 大 气 污 染的相关性， 可为定量判断“ 成都地区大气污染是 否已由局地性 污 染 转 变 为 区 域 性 大 气 污 染” 提供 科学评 价 依 据， 相 关 研 究 具 有 重 要 的 实 际 意 义。 目前， 一些 传 统 统 计 学 的 方 法， 如Ｐ ｅ ａ ｒ ｓ ｏ ｎ相 关 系 数、 逐步聚类分析、 空间自相关等方法被用于分析
等： 基于 Ｄ １ 期 史 凯 ， Ｃ Ｃ Ａ 方法的成都市市区与周边城镇大气污染长程相关性分析 第１ 为这一段数据的局部趋势 。 所有最小平方直线组合
１ ６ ３ ４
长江流域资源与环境
第２ ３卷
统计学 方 法 仅 仅 适 用 于 具 有 平 稳 特 征 的 研 究 数 据
［ １ １］
据的首要污染 物 基 本 上 均 以 ＰＭ１ ０为 主。故 本 文 中 Ａ Ｐ Ｉ能够反映 本 研 究 区 域 内 ＰＭ１ ０污 染 现 状。 研 究 区域详见图 １。
我国部分地区 随着经济和城 市 化 的 高 速 发 展 ， 大气污染已经由局 地 性 污 染 向 区 域 性 污 染 转 变 ， 这 以 京 津 冀、 长江三角洲和珠江三角洲为典型代 表
［ １， ２］
５］ 建立了四川省 部分学者关注到这一问题 。 何敏等 ［
大气固定污染源排 放 清 单 ， 结果表明四川省大气污 染排放 量 较 高 的 区 域 主 要 集 中 在 成 都 平 原 等 地 ；
； 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ ３ １ ２ １ １ ２ ０ １ ４ ０ ７ ０ ９ － － － －
） ； ） ； 基金项目 ： 国家自然科学基金项目 （ 湖南省自然科 学 基 金 青 年 人 才 培 养 联 合 基 金 项 目 （ 湖南省教育厅科 ４ １ ４ ６ ５ ０ １ ０， ４ １ １ ０ ５ １ １ ８ １ ３ Ｊ Ｊ Ｂ ０ １ ２ ） ； ） 生态旅游湖南省重点实验室开放项目 （ 学研究青年项目 （ １ ３ Ｂ ０ ８ ９ Ｊ Ｄ Ｓ Ｔ Ｌ Ｙ １ ４ ０ ８ ， ： 作者简介 ： 史 凯（ 男， 副教授 ， 博士 ， 主要研究方向为环境系统的非线性和复杂性 ． １ ９ ８ ０～ ） Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｅ ｉ ｎ ｂ ｏ ｌ ｕ ｒ ｅ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ＠１ ｐ
ｋ ｋ
－ － ｘｋ ＝ （ ｘ ｙｋ ＝ ∑ （ ｙ ｉ －ｘ）， ｉ －ｙ），
发现该方法较传统的统计相关分析方法更能准确地
［１］ 应用 Ｄ 检验其 复 杂 的 相 关 性 ； Ｖ ａ ｓ ｓ ｏ ｌ ｅ等 ２ Ｃ Ｃ Ａ方
研究 法研究了大气温度 和 相 对 湿 度 之 间 的 相 关 性 ， 表明 Ｄ Ｃ Ｃ Ａ 标度 指 数 可 以 成 为 表 征 非 平 稳 序 列 间 相关性大小的定量参数 。 目前尚没有将该方法应用 于环境领域的相 关 报 道 。 如 前 所 述 ， 大气污染演化 具有非平稳特征 ， 因此笔者 认 为 引 入 Ｄ Ｃ Ｃ Ａ 这一新 颖的研究方法 ， 可能 有 助 于 科 学 分 析 不 同 城 市 之 间 大气污染的相关性 。 本研 究 旨 在 利 用 Ｄ Ｃ Ｃ Ａ 分析方法揭示成都市 区与其周边城镇大气污染的相关性及其随时间演变 为科学判断 “ 成都地区大气污染是否已由局地 规律 ， 性污染转变为区域性大气污染 ” 提供科学评价依据 。
２ 研究方法
去趋势互相 关 分 析 法 （ Ｄ ｅ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ Ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ － － ， 简称 Ｄ 于２ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ Ｃ Ｃ Ａ） ０ ０ ８ 年由 Ｐ ｏ ｄ ｏ ｂ ｎ ｉ ｋ ｙ 等首次提出 。 该方法主要用于分析两个非平稳时间 序列之间的相关性 。 该方法是一种基于去趋势协方 差的分析方法 ， 它可以系统地滤去各阶趋势成分 ， 消 除原始序列中非平 稳 性 的 影 响 ， 可以检测含有噪声 因此非常 且叠加有多项式趋 势 信 号 的 长 程 相 关 性 ， 适合于具有 非 平 稳 特 性 的 Ａ Ｐ Ｉ时 间 序 列 中 相 关 性 的检验 。 具体算法如下 ： ， 对于所需研究 的 时 间 序 列 ｛ ｘ ｉ ＝１， ２， ． ． ． Ｎ｝ ｉ， …， 和｛ 其 中 Ｎ 是 序 列 的 长 度， 首 ｉ＝１， ２， Ｎ ｝， ｙ ｉ， 先对原始序列中的数据进行积分 ， 积分方法如下 ：
第２ ３卷第１ １期 年 ２ ０ １ ４ １ １月
长江流域资源与环境 Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｙ ａ ｎ ｔ ｚ ｅ Ｂ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ３Ｎ ｏ ． １ １ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ ４
［ ２ ０］ 诸多领 域 得 到 应 用 。 例 如 ， 利用 Ｄ Ｌ ｉ ｎ Ｃ Ｃ Ａ ｇ等 方法分析了 Ｂ ｒ ｅ ｎ ｔ和 ＷＴ Ｉ原油期货价格的相关性 ，
图 １ 本研究涉及的成都市区及其周边城镇位置图 Ｆ ｉ ． １ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｄ ｕ Ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｄ Ｉ ｔ ｓ Ｓ ｕ ｒ ｒ ｏ ｕ ｎ ｄ ｉ ｎ Ｔ ｏ ｗ ｎ ｓ ｇ ｇ ｙ ｇ
１ ２， １ ３］ 。这种长程相关性表 空间的 大 气 污 染 物 变 化 ［
大气污染物浓度 时 空 演 化 将 具 体 表 现 出 混 沌 特 明， 征、 标度不变性 、 长 期 持 续 性、 多重分形性等非线性
１ ２～１ ８］ 。因此应用传统统计学方 结构和非平 稳 特 性 ［
法研究具有非平稳特性的大气污染的相关性问题是 不妥当的 。
ｉ＝１
ｉ＝１
， （ ｋ ＝１， ２， ． ． ． Ｎ） － 其中 ， ｘ 为原始序 列 的 平 均 值 。 目 前 没 有 相 关 研究明确说明能应 用 Ｄ Ｃ Ｃ Ａ 方 法 的 最 小 Ｎ 值。 但 是， 作为一 种 去 趋 势 统 计 分 析 方 法 ， 时间序列长度 要求 Ｎ 的大小应具有统计 分 析 的 意 义 。 一 般 而 言 ， 。 Ｎ 值越大越好 其次分别将 这 两 组 积 分 信 号 ｛ ｘｋ ｝和 ｛ ｙｋ ｝等 间隔地分成长度为ｎ 的 数 据 段 。 在 每 一 小 段 里 ， 利 用最小二乘法进行直线拟合 ， 得到最小平方直线 ， 作
［９］ 首次提出一种去趋势互 ２ ０ ０ ８年 Ｐ ｏ ｄ ｏ ｂ ｎ ｉ ｋ等 １ 相关分 析 法 （ Ｄ ｅ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ Ｃ ｒ ｏ ｓ ｓ －Ｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ａ ｎ ａ ｌ － ｙ
， 。该方法针对两组非平稳时间序 简称 Ｄ ｓ ｉ ｓ Ｃ Ｃ Ａ） 列， 可以有效避免由 于 数 据 非 平 稳 性 所 导 致 的 序 列 之间的伪相关现象 ， 成为定量分析两组非平稳时间 序列相关性的最科学有效的方法 。 目前该方法已在
。
四川盆地由于受到独特的地理位置和气象条件 的影响 ， 其严重空气污染的发生有其特殊性 ， 主要表 盆地内近地层区域静风频率较高 ， 大气输送条 现为 ： 件较弱 ， 大气污染物不易扩散 ； 大气污染物主要来源 灰霾天气往往形成于气流停滞区域 。 于局地污染源 ； 以成都市为 例 ， 其多年平均静风频率高达４ 边 ２％ ， 界层大气结构相对 稳 定 ， 且成都市又是典型的煤烟 型大气污染城市 ， 这使得大气中 ＰＭ１ ０ 浓度长期居高
７～１ ０］ 。 然 而， 区域城 市 间 大 气 污 染 的 相 关 性［ 上述
着成渝城市群的快 速 发 展 ， 大气污染物的排放也会 随之加剧 。 目前 ， 在特定地理环境和气象条件控制 下， 成都市及其周边 城 市 之 间 是 否 已 经 存 在 明 显 的 相互输送和耦合 作 用 ， 这 是 值 得 关 注 的 问 题。已 有
。当研究数 据 具 有Байду номын сангаас非 平 稳 特 性 时， 相关方法
所得到的结论将不可信。不少学 者 基 于 复 杂 系 统 非线性理 论 和 方 法， 已经发现近地面大气污染物 浓度 的 波 动 不 是 完 全 随 机 的 ， 而是在一定时空尺度 内存在长程相关性 ， 即过去某一时间和空间的大气 污染物变化可能会持续影响现在和未来某一时间和