近年来,我国大气颗粒物污染控制总体上取得了显著成效,但近地层臭氧（O₃）污染却日趋严重。近地层O₃主要是由污染源排入大气中氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOC）等在高温及光照条件下经过一系列光化学反应生成的二次污染物。近地层O₃生成与前体物之间呈现非线性响应关系,学者们通常将近地层O₃污染分为“NOx敏感区”、“VOC敏感区”和“混合敏感区”。O₃生成对其前体物的敏感性对于制定有效的O₃污染控制策略有着重要的指导性意义。由于O₃前体物排放源等资料不完善、对O₃生成机理认识的不充分,目前基于大气化学输送过程的数值模型对于近地层O₃的物敏感性模拟仍存在很大的困难和不确定性。为此,本研究试图基于复杂性科学的理论,运用非线性时间序列分析的分形方法,基于城市大气环境实测数据,从宏观的、整体论的视角为近地层O₃生成对其前体物的敏感性研究提供一种新的途径和方法。本文以我国台湾省为研究区域,分别针对台湾南部和北部典型区域不同环境功能区开展对比研究。由于台湾地区环境空气总VOC的主要监测指标为非甲烷总烃（NMHC）,因此本研究中的O₃前体物VOC主要针对NMHC。本文的研究内容主要包括:（1）首先,针对2014～2018年期间我国台湾南北区域的交通站点（鳯山和中壢）及一般站点（楠梓和中山）,利用功率谱分析法、去趋势波动分析法（DFA）和多重分形方法去验证O₃、NOx和NMHC时间序列的非线性分形特征和多重分形结构;（2）在此基础上,应用耦合去趋势波动分析法（CDFA）研究O₃及其前体物之间耦合相关性的多重分形特征;基于多重分形参数建立了一种新的非线性敏感性指标体系（CSD和R）来定量刻画近地层O₃生成与其前体物之间的非线性响应关系（O₃-NOx-NMHC敏感性）,并和传统的经验动力学（EKMA）方法进行了比较分析;然后,进一步对四个站点在2018年度O₃-NOx-NMHC敏感性的时间演变动力过程和日变化过程进行了深入研究和讨论。（3）针对2013～2018年期间台湾南部的橋頭和潮州站点,基于CDFA方法建立一种新指标（PDB）用于定量刻画前体物NMHC中异戊二烯对近地层O₃生成的贡献程度。在此基础上,进一步分析了不同NO₂/NO比率下O₃生成对异戊二烯的敏感性。（4）最后,针对台湾中西部的朴子站点,以O₃重要前体物质（苯和甲苯）为例,应用PDB指标定量刻画苯（甲苯）对近地层O₃生成的贡献程度。在此基础上,进一步对2007～2016年期间每年冬季PM_2.5浓度值与PDB值在白天和夜间的相关性分别进行了比较研究,以揭示大气中PM_2.5对苯系物光化学降解的影响。其主要研究结果如下:（1）基于功率谱分析和DFA分析,发现近地层O₃、NO_x和NMHC时间序列具有分形特征中的长期持续性,即其浓度波动在时间尺度上前后并不是独立的,存在一定的“记忆性”。而且,三个时间序列在时间演化中具有明显的多重分形结构特征,多重分形程度在夏季和冬季呈现出了南北区域的差异性。区域和季节的差异性表明O₃污染在内外因素的综合作用下,其浓度波动在演变过程中在不同时间尺度各层次的复杂性程度不同。（2）基于本文提出的非线性敏感性指标体系（CSD和R）研究O₃-NOx-NMHC敏感性的四季变化结果表明:鳯山、中壢在春、夏和秋季以及中山在春夏季的O₃-NOx-NMHC敏感性几乎均明显地属于“NMHC敏感”特性,到了冬季都处于“混合敏感区”;由于产业布局的差异,而楠梓站点近地层O₃生成在夏秋二季呈现明显的“NOx敏感”特性,而在春冬季节处于“混合敏感”区或弱“NMHC敏感”区。利用传统的经验动力学EKMA曲线法结果和CDFA方法结果比较发现:南北两个一般站点楠梓和中山,CDFA方法得到的近地层O₃敏感性结果和EKMA曲线所得的结果完全一致;而在南北两个交通站点,两种方法所获得结果的具有一定的差异性。相比于EKMA曲线法,CDFA方法用于研究近地层O₃生成对其前体物的敏感性特征所需要耗时更短、不确定性更小、区域普适性更强。（3）基于非线性敏感性指标体系研究O₃-NOx-NMHC敏感性在高精度时间尺度上的演变过程结果表明:我国台湾北部两个站点和南部两个站点具有显著的差异性。由于南北区域产业布局和气象因素的差异性较大,导致南部区域的两个站点近地层O₃生成对前体物的敏感性的转换过程比北方区域要复杂。另外,针对2018年夏季和冬季O₃-NOx-NMHC敏感性的日变化特征研究发现:鳯山、中山和楠梓在夏季和冬季近地层O₃对前体物敏感性的日变化呈现出完全不同的特征。尤其是中壢站点,近地层O₃对前体物的敏感性在时间点上存在从上午“NMHC敏感”到下午“NOx敏感”的转换,其他站点敏感性的日变化几乎没有转换的现象,这可能和当地区域当地污染源排放、气团老化的程度、大气垂直混合高度和水平输送等过程有关。（4）基于CDFA方法研究异戊二烯与近地层O₃生成之间的非线性相关关系,发现:在年际变化中,近几年橋頭站点O₃生成对异戊二烯的敏感度在春夏二季略有上升的趋势,趋势不是很明显;而潮州地区春、夏和秋节整体却呈现下降的趋势。通过对2013年～2018年每年夏季,大气中NO₂/NO的比率对近地层O₃生成与异戊二烯之间关系的影响研究发现,当大气中NO₂/NO<6时,异戊二烯对近地层O₃生成的贡献较大;当NO₂/NO>6时,异戊二烯对近地层O₃生成的贡献极小,即在此状况下,大气中异戊二烯浓度即使持续升高,近地层O₃生成对其敏感性几乎不变了。（5）基于CDFA方法研究大气中PM_2.5对苯系物光化学降解的影响,发现:台湾中西部的朴子站点在2007～2016年期间每年冬季,苯和甲苯的PDB值在白天均大于夜间,且甲苯在白天和夜间的差异性尤为显著。PM_2.5浓度值与PDB值在白天和夜间的相关性统计分析结果表明:白天,苯和甲苯的PDB值与PM_2.5浓度呈现正相关;而夜间,两者几乎不相关。这说明尽管PM_2.5的存在不可避免地会对太阳辐射产生散射和阻挡作用,从而一定程度地削弱大气光化学反应,但总体而言,PM_2.5的表面非均相反应会导致它促进苯和甲苯在近地层O₃光化学耦合体系中发生光解的作用更为主要。这是影响自然条件下近地层O₃生成的重要前体物（苯和甲苯）光化学行为的主导机制。研究结果表明时间序列分形方法不仅能够较为充分地揭示某个时间尺度范围内的近地层O₃对其前体物的敏感性特征,还能呈现出其在较高精度时间尺度上的演变动力过程和在小时间尺度内的转换过程。这对于理解O₃的生成过程与机理具有重要意义。相比于传统的方法,时间序列分形方法更加简单易行。随着我国大气环境观测技术的进步以及观测体系的不断完善,有关O₃及其前体物（特别是VOC组分）的观测资料将更加丰富和可靠,因此,本方法可望在我国未来的O₃污染防治工作中得到更广泛的应用。