数字地球---地球系统与数字地球

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1、●地球系统的信息模型●地球系统的系统模型●地球系统的非线性●地球系统的复杂性第二章地球系统与数字地球√√12.3地球系统的非线性非线性特征的基本概念非线性特征的协同理论非线性特征的突变理论非线性特征与混沌现象2◆系统论创始人L.V.Bertalanffy指出：当子系统构成大系统时，大系统的功能大于各子系统功能的简单相加。◆“整体功能大于各部分功能之和”，即“1+1≠2”，称为非线性定律。◆地球是一个开放的巨系统。只要属于“系统”，它的功能都具有非线性特征。◆地球系统的非线性特征很明显的,也是普遍存在的现象。（1）基本概念3◆

2、协同论是由德国理论物学家Haken于1977年创建的。◆它的研究对象为复杂的巨系统，如天体系统、地球系统和社会系统等。◆协同论（Synergetics）是研究不同事物共同特征及其协同机理的新兴综合性学科，它着重探讨各种系统从无序到有序转变的规律和特征。（2）地球系统与协同论4◆哈肯在《AdvancedSynergetics》中定义为：协同学是处理由大量性质不同的子系统（如电子、原子、分子、细胞、神经元、器官乃至人类）所构成的各种系统，研究这些子系统是通过怎样的合作从而在宏观尺度上产生空间、时间或功能结构的。因此，协同论是研究

3、系统从原始的无序状况发展成为有序状态或从一种有序结构转变为另一种有序结构。（2）地球系统与协同论5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。6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

4、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。7√地球系统与协同论自组织就是系统本身所具有的，从不平衡状态发展到平衡状态的能力。序参量是表征系统宏观有序度和系统宏观模式的参量，它不是系统中某个占据支配地位的子系统，而是为描述系统整体行为引入的宏观参量。序参量之间的协同合作与竞争导致宏观系统从无序到有序的转变，它决定着系统的自组织行为。支配原理（SlavePrinciple）即快变量服从慢变量，序参量支配着子系统的行为和变化。8√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

5、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。9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

6、理过程模拟等。10◆1972年法国数学家雷内·托姆在《结构稳定性和形态发生学》中阐明了突变理论(CatastropheTheory)，标志着突变理论的诞生。◆突变论是研究系统的状态，随外界控制参数连续变化而发生的不连续变化理论。◆该理论认为在条件转折点附件，控制参数的任意一个微小变化都会引起系统发生突变。（３）地球系统与突变论11突变理论主要以拓扑学为工具，以结构稳定性理论为基础，提出了一条新的判别突变、飞跃的原则：在严格控制条件下，如果质变中经历的中间过渡态是稳定的，那么它就是一个渐变过程。突变理论用数学工具描述系统状态的

7、飞跃，给出系统处于稳定态的参数区域，参数变化时，系统状态也随着变化，当参数通过某些特定位置时，状态就会发生突变。突变论的研究内容12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”。突变论的主要意义13生物种群的突变地震与火山爆发的突变过

8、程地貌的突变过程社会过程发生突变地球系统的突变现象14杂交应用遗传变异原理培育新品种高产倒伏小麦低产抗倒伏小麦高产抗倒伏小麦15袁隆平与杂交水稻2001年国家科学技术奖16◆地球系统的混沌现象是普遍存在的。◆混沌理论和方法可以解决复杂的巨系统。◆混沌的发现，同相对论和量子论一样，是　对牛顿