第三章-地球系统的系统模型

第三章数字地球基础之地球系统的系统模型“地球系统科学”作为一门科学或科学的分支，有自己的理论体系。地球系统科学是地球科学与系统科学之间的边缘科学或交叉科学，当然地球系统科学的理论也应是地球科学理论与系统科学理论的综合。目的:认识地球3.1地球系统模型3.1.1地球系统的基本概念(1)系统的定义钱学森指出：所谓系统是指由两个以上、相互联系、相互制约的部分组成的具有特定功能的整体。综上所述，从小到分子或细胞，大到宇宙，从个人到整个人类社会，都可以看作为一个系统。用数学语言来说，系统S就是元素(子系统)A及其关系B的总和，可表示为：S={A，B}3.1.1地球系统的基本概念与地球系统相关的概念，早在2000多年就提出来了，如老子就提出了“天人合一”概念，实际上就是今天的“人地系统”。“天”就是自然环境，包括资源在内，就是指地球“人”就是指人类社会“合一”就是组成了一个相互联系、相互制约的整体“天人合一”就是指地球系统3.1.1地球系统的基本概念(2)地球系统的定义：地球系统是指某一个特定时间、特定空间的，由两个以上或无数个相互区别、又相互联系、相互制约、相互作用和相互调节功能或行为的，并与外界环境相互作用的地球要素组成的整体。地球要素是指气候、水文、生物、土壤、地质、地形及人类社会等。外界环境，是指对整个地球系统而言的太阳及宇宙钱学森认为：地球系统是一个开放的、复杂的巨系统。地球系统是由无数个，甚至是无穷多的要素所组成，这些要素相互联系、相互制约、相互作用，有的强、有的弱，是动态的、错综复杂的，而且与地球系统以外的太阳密切相关，甚至受到宇宙影响的巨系统。(3)地球系统的实例：生态系统(包括草原生态系统、森林生态系统、湖泊生态系统、沼泽生态系统、沙漠生态系统、城市生态系统，等等)地貌系统(如：河流地貌系统、坡地地貌系统、冰川地貌系统、冻土地貌系统、喀斯特地貌系统、沙漠地貌系统，等等)区域系统、城市系统等等(4)地球系统的性质与特征：组成各地球系统的要素之间，具有相互联系、相互制约的性质，因此系统的各要素或各部分之间具有相关性与整体性的特征以及有序性与层次性的结构特征；地球系统还具有时间和空间两大特征，因此它具有动态性和区域性的特征、共性和个性的特征等。3.1.2地球系统的功能与结构模型地球系统的功能主要原理有：“整体功能大于各部分功能之和”原理“地球系统具行自动调节与自组织功能”原理“系统功能取决于系统结构”与“系统优化结构”原理“地球系统的自相似性”原理上述地球系统功能的原理是由物质流、能量流和信息流三者决定的。3.1.2地球系统的功能与结构模型地球系统研究的核心是：“系统的优化结构”与“优化配置”问题。地球系统模型：地球系统模型是对真实地球系统的抽象和简化。地球系统建模的内容：包括系统空间行为模型、系统时空耦合模型、系统过程的节律模型及各种生产应用模型等。地球系统熵：地球系统熵(Entropy)是地理系统状态的定量描述。地球系统的调控：地球系统调控的目的是使系统能够持续发展。3.1.3地球系统分析方法论原则L.V.Bertalan提出了对任何系统进行分析时，要素有三个观点：第一，系统观点第二，动态观点第三，层次观点，才能顺利地解决任何复杂问题曲东升(1990)将其总结为整体性原则、有序相关原则、动态性原则、目标优化原则和可行性原则地球系统的网络分析：“网络是某些系统最形象、最简单的表达形式”。3.2地球系统的自组织、自相似与自相关模型3.2.1地球系统的自组织模型与Gaia假说1．地球系统的自组织模型自组织(self-organization)是指系统在无外界强迫(制)条件下的，系统自发形成的有序行为。这一词来源于热力学中的热交流的“自我变化”。有组织是指系统在外界的强迫下形成的有序行为，而自组织是指自身进行调节功能的行为。如:森林系统是一个典型的自组织系统当它遭到人为或自然的破坏之后，它能自行恢复；但这种自行恢复，不是复原，而是有变化、有发展，可以往好的方向发展，也可以往坏的方向发展，完全受环境和自身的结构而定，所以是时间不可逆的，是不确定性的。自组织就是通过事物本身的调节，产生自发的有序化的过程，或由有序程度差向程度好的过程。3.2.1地球系统的自组织模型与Gaia假说2．地球系统的GaiaHypothesisGaia是希腊神话中的大地女神，是由英国地球物理学家Lovelock和美国生态学家L．Margulis借用来代表地球系统的《自组织理论》的假说。假说认为地球系统是由大气圈、水圈、生物圈和固体圈构成的复杂实体，是一个具有自动调功能的自组织系统。这个自组织系统的关键是生物圈。生物调节着地球系统内的能量流、物质流，调控着大洋的温度、盐度、酸度及元素的地球化学循环，这种机制称为Gaia假说。3.2.1地球系统的自组织模型与Gaia假说例1：森林遭毁坏后的自动恢复过程，动物种群的消、长周期过程，都是生物自组织功能的表现。森林越长越密，阻碍了新的树苗生长，结果使森林退化衰落；当树的密度减少到一定程度时，新的树苗又能生长了，森林将恢复原气。这就是自组织功能。3.2.1地球系统的自组织模型与Gaia假说例2：某种野生动物繁殖越来越多，食物就越来越少动物因吃不饱而死亡，于是动物数量就开始减少当减少到可以供养新生的动物时，动物的数量也将会恢复原状这也是自组织功能的结果3.2.1地球系统的自组织模型与Gaia假说无机物质也有自组织过程，如化学反应、晶体的生成过程等都是自组织过程，地貌的发育与演化过程也是自组织过程。自组织过程是地球过程的普遍现象，也是主要过程之一。3.2.2分形与自相似分形分维是描述复杂图形的数学，即分形分维几何学，由B.B.Mandelbrot于1982年创建。分形分维几何学可描述自然界中的分形特征。自然和社会中的复杂的几何形态，具有相似性的特征，在统计意义上总体形态的每一部分可以被看作是整体标度减少的映射，标度指级别，或观测数目。不论形态是如何复杂，它们在统计上的相似性或概率上的相似性是普遍存在的。局部形状与整体形状的相似性，以及局部的局部形状与整体形状的相似性，是自然界和社会中的普遍存在的现象。B.B.Mandelbrot认为，自然和社会中的复杂的几何形态，可以用幂函数D，即分形数来表达：D=Log[N(r)]/Logr式中，D-分形维数，r-形状的变量，[N(r)]-标度，指级别或观测数目。分维数是对分形复杂性程度的度量。分维数的基本概念包括：在欧氏几何中，点是0维，线是1维，面是2维，体是3维，推而广之，时空是4维，高维抽象空间可以为5维，6维及任意n维(n为整数)，这种整数维的图形，经过拓扑变换，即拉长，压缩或扭曲，仍然是不变的，称为拓扑维数。自然界存在各种尺度的分形形体，大到宇宙，小到一个树的图形，这与数学上分形有两点差别：1.自然界的分形，不是按一定规则构造出来的一种有规则的分形，而是一种具有自相似性的随机对象，是无规则分形2.自然分形的自相似性层次是有限的，分形只存在被限制的范围内，不存在无限的自相似层次，如一条河流的分支，一株树的分支，都不是无限的3.2.3地球系统对象的自相关性“自相关”(Self-relation)是地球系统的又一基本特征在一个区域内，所有的组成要素之间都存在着自相关或自适应(Self-adapt)的特征如地质、地貌、气候、水文、土壤、植被、动物、微生物、土地利用，甚至社会经济活动之间均存在着“自相关”或“自适应”的特征。这是长期以来这些要素之间或地球系统对象之间相互作用、相互改造、相互适应，取得的“和谐”、”协调”结果。如果某一要素，如植物、动物、或微生物；或土地利用方式，与地质、地形(地貌)、气候等基础要素“不相关”或“不适应”的话，该要素或对象就将脱离该系统，或在系统中被淘汰。外来的动植物进入系统时，它要进行“自相关”、“自适应”的过程，通常称为“驯化”过程。3.3地球系统的空间结构与空间功能模型3.3.1地球系统的空间结构地球空间结构(Geo-spatialstructure)指在一特定的空间范围或区域内，自然和社会各要素，包括资源、环境、经济和社会诸要素的组合关系或耦合关系。同一空间范围内的资源配套关系(如阳光、土壤与水资源的配套等)、环境的配套(如深水港、地形等)和社会经济的配套(如人口素质与基础设施等)关系。3.3.1地理系统的空间结构1）地理系统空间结构理论／生产力布局与地域生产综合体理论①资源与环境的耦合(空间结构化原理之一)资源耦合环境耦合资源与环境耦合②资源、环境与社会、经济条件的耦合(空间结构化原理之二)2）空间过程理论物质流、能量流与信息流在空间的扩散方式，有：(1)按方式分：集中与分散方式孤立与嵌入方式邻近效应与辐射方式(2)按性质分：物质过程：资源、环境要素的移动过程(物质流)粒子-能量过程：太阳的电磁波能量、重力、磁力、电力场等(能量流）人类社会行为过程：引起的物质流、能量流和信息流人类的经济过程3.3.2地理系统的空间功能地理空间功能或地理空间结构功能(Geo-spatialstructurefunction)，指区域或系统所具有的经济和社会发展潜力的大小，或可持续发展能力的大小，或潜力的大小。具有最优化结构的地区或系统，一定具有最强的地理空间功能，具有最强的经济和社会发展的潜力，或可持续发展的能力最强。例如，长江三角洲、珠江三角洲地区具有最佳的地理空间，因此具有最强的地理空间结构功能。江汉平原和黄淮海平原具有中等的地理空间功能，西藏阿里地区及新疆塔里木盆地具有较差的地理空间功能。(1)地理空间功能分工理论：发挥区域优势理论，包括资源优典、环境优势、社会优势、经济优势，因地制宜地发展理论发挥区域综合优势理论，地域生产综合体类型及其优化结构等(2)地理空间协同理论：不同功能区之间的互补关系理论不同功能区的融合理论(3)地理空间功能评估区域自然资源、环境与生产力发展条件综合评估区域经济结构与产业间联系发展机制评估区域开发中的地区生产综合体的形成与发展评估区域空间聚集(人口、产业等)过程及合理规模评计估不同类型空间的发展战略(4)地理空间发展原理最小的投入，最大的产出，最小的破坏原则，节省资源/能源和资金及劳动力，减少废气、废水、废物的排放量，而且要高产出、高效益，主要是有高的科技贡献率。效果检验标准：经济效益、资源与环境效益、社会效益包括科教效益等。(5)地理空间发展模式的选择：分析该空间的资源、环境、社会、经济的优缺点，并提出措施在分析上述四大要素状况的基础上，对空间生产力布局的结构、功能特征进行论证对区域可持续发展模式进行论证3.3.3地球系统的区位理论区位理论(LocationTheory)是:探讨地理空间对各种经济活动分布的影响和研究生产力空间组织的一种学说。它是经济地理学、空间经济学和地球系统科学相结合理论。区位理论有三条基本法则：第一距离衰减法则第二空间相互作用原理第三中心地学说区位理论按其研究对象，可以划分为:农业区位论、工业区位论、运输区位论、市场区位论等。资源的空间分布及其价格，生产成本及运输成本，市场需求(价格)等决定农业、工业、运输及市场的区位，具有明显的空间和系统的概念。如E．M．胡佛的运输区位理论，他以追求最低成本为目标，将区位费用因子分为运输和生产费用两部分，认为运输距离、方向、运输量及其他运输条件的变化，往往直接引起工业布局发生变化。所谓区位理论就是追求能达到最大效益的区位。空间因素，尤其是空间结构具有很大的作用。“蜂窝状”是理想的市场区位结构。3.4地球系统的人口承载力与可持续发展理论3．4．1人—地系统理论1.环境决定论2.人定胜天论3.人与环境协调理论3．4．2关于地球系统的人口承载力问题1.关于承载力的计算问题2.资源承载力(极限)3.环境的承载力4.关于“增长的极限”与“无极限的增长”之争5.人口增长