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数字地球---地球系统与数字地球
苗东升教授(1990)指出:协同论是有关多组分系统如何通过系统的协同行动而导致有序演化的自组织理论。例如,一个区域系统中,地质、地貌、气候、水文及生物是如何协同作用的;对于区域系统的整个功能来说,又是如何具有非线性特征的。 按协同论的观点,组成系统的各要素之间、主系统与各子系统之间,既有相互联系、相互依存的一面,又有相互排斥、相互制约的一面。协同论主要研究各子系统之间、各组成要素之间是如何协调发挥作用的。系统的正效果,是由于相互依存、相互联系为优势作用的结果;而系统的负效果,是以相互排斥为优势作用的结果。 √ 地球系统协同的特征 非线性特征:所有地球系统功能都具有非线性特征。 依赖于外部控制参量:地球系统是开放的、远离平衡状态的大系统,它们与环境有物质、能量和信息的交换,演化行为受外部条件的影响和支配。 涨落现象特征:地球系统发生演化的动因不可能完全预测,往往是随机变化的,因此导致涨落现象发生。 地球系统是非均匀介质的,受扩散或波传导等因素的影响。 地球系统的非线性现象是普遍存在的。如各级河流的级别与数量,宽度、比降之间呈明显的非线性关系,水量也呈非线性关系。 协同论在地球系统中应用 设计生态群体网络,如生态群体模型和人口动力模型等。 社会现象模型,如市场经济模型、城市发展模型和现代物流模型。 土地利用规划和地理过程模拟等。 它把渐变型与突变型的产生原因有机地归纳到一个统一的基础之上,并且可以相当精确的方式表达该理论基础,从而使自然界中两类时间过程类型,从互相对立到互相包容,从互相争论到互相补充,使人们在更高一级的层次上认识了自然过程的本质。 突变理论给自然界的突变现象提供了解决方法。 英国数学家奇曼教授称突变理论是“数学界的一项智力革命——微积分后最重要的发现”。 生物种群的突变 地震与火山爆发的突变过程 地貌的突变过程 社会过程发生突变 应用遗传变异原理培育新品种 袁隆平与杂交水稻 混沌的提出与基本概念 首先由美国气象学家E..N..Loren于1963年提出。他发现在一非线性动态系统的相空间中,在一定的参数范围内,轨迹线在一个范围内作无规则现象运动中, 存在着一定的规律性。 Haken(1984)指出:混沌性为来源于决定性方程的无规则运动。 混沌就是动力系统的不规则的、非周期的、异常复杂的运动形式;但它并不是完全无规则的,表面上看起来杂乱无章,实际上有规律可循。 什么是混沌? 它的原意是指无序和混乱的状态(混沌译自英文Chaos)。这些表面上看起来无规律、不可预测的现象,实际上有它自己的规律。 混沌学的任务:就是寻求混沌现象的规律,加以处理和应用。 混沌的定义:指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动,一个确定性理论描述的系统,其行为却表现为不确定性一不可重复、不可预测,这就是混沌现象。进一步研究表明,混沌是非线性动力系统的固有特性,是非线性系统普遍存在的现象。 混沌的特征 1)对初始条件的 敏感依赖性。 混沌研究的基本内容 (1)从系统的紊乱事物中寻求规律性; (2)偶然性、随机性蕴育于必然性之中,从偶然的随机的事态中通过统计方法寻找无序中的有序性; (3)判别系统中的动力随机性与内在随机性行为; (4)研究混沌现象对初值的敏感依赖性:从两个非常接近的初值出发的两条轨迹线,在经过一段时间演化后可变得相距甚远,表现出轨迹线对初值的极端敏感性。 混沌研究的基本方法 混沌理论的特点是把决定论和概率论,两者相统一起来解决复杂问题的方法论。在混沌中寻找有序的、规律性的方法是: 第一,将“紊乱”、“无序”、“无规则”现象划分为层次;找到层次后自按层次寻找规律; 第二,将“紊乱”、“无序”现象进行统计,即采用概率方法找出混沌中的规律。 蝴蝶效应 1979年12月,洛伦兹在美国科学促进会的讲演中提出:一只蝴蝶在巴西扇动翅膀,有可能会在美国的德克萨斯引起一场龙卷风。此后,所谓“蝴蝶效应”之说不胫而走,名声远扬。 “蝴蝶效应”之所以令人着迷、令人激动、发人深省,不但在于其大胆的想象力和迷人的美学色彩,更在于其深刻的科学内涵和内在的哲学魅力。 从科学的角度来看,“蝴蝶效应”反映了混沌运动的一个重要特征:系统的长期行为对初始条件的敏感依赖性。 一则西方寓言: 丢失一个钉子,坏了一只蹄铁; 坏了一只蹄铁,折了一匹战马; 折了一匹战马,伤了一位骑士; 伤了一位骑士,输了一场战斗; 输了一场战斗,亡了一个帝国。 闪电的混沌现象 流体中的混沌现象—— 复杂性(Complexity)的基本概念 目前,关于复杂性的概念尚没有统一的说法。在美国国会图书馆1975年至1999年2月15日的入藏书目中,标题含复杂性(Complexity)一词的就有489种。其中涉及算法复杂
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