送交者: sicheng 于 2005-5-25, 12:14:04:
转自大气所论坛
http://www.iap.ac.cn:800/cgi-bin/bbs3/topic.cgi?
forum=8&topic=36&replynum=0&show=
地球科学研究对象是个复杂巨系统
任振球
地球科学的研究对象——地球及其各圈层，都是典型的复杂系统。它们不仅存在着多因子、多系统错综复杂的相互作用，而且具有一些复杂的共同的基本特性：本质上的开放性和相对封闭性共存；稳定与不稳定、平衡与不平衡、连续与不连续、线性与非线性、渐变与突变(灾变)交替发生；多种时空尺度系统的嵌套式的层次性；内因和外因的交互、耦合作用以及共振作用等。地球科学面对这种如此庞杂、多态、多变的复杂巨系统必然带来研究问题的极端复杂性：一是涉及到众多学科的大交叉，如何从中找出客观存在的关键性基本规律就相当困难。既需要发展一系列的新兴交叉学科，更迫切需要首先从方法论上寻求出路，以免陷于“瞎子摸象”和滑入不确定性甚至不可知论的泥潭。二是过去由简单系统得到的一些定律、规则和方程，在解决此类复杂系统问题时已面临很大困难，甚至显得无能为力。迄今仍然作为许多学科基础理论体系的牛顿质点动力学存在着两个根本性弱点：(1)不能描写不连续观象。而地球系统存在着大量的不连续，并且地球系统的不连续往往具有本质性的特征。(2)方程中只剩下了力，没有了物本身的变化。而时空不均匀就可产生新的力。因此，对于作为复杂巨系统的地球系统来说，仅仅依靠建立在牛顿质点动力学基础上的理论体系，难以全面、客观、准确地进行描写，需要在牛顿质点动力学的基础上，发展一种能够真实描写复杂系统尤其是其非线性突变过程的新型理论体系。
关键在于整体观方法论的指导
笔者在不久前曾撰写过一篇短文，论证了发扬中国传统文化的精髓——整体观方法论与当代先进科技紧密结合，将对21世纪中国科技新崛起具有战略意义。指出：在上世纪末，有几位外国科学家在讨论21世纪世界科学中心将在哪里时，认为有可能转移到中国。其主要理由是：中国人有着特有的思维方式，注重整体性和随机性。笔者认为，整体观方法论是中国传统文化诸多精华中最重要的精髓，这正是西方科学文化所缺少的，而西方文化的精华在于现代化科学技术。如能将中西两种文化中此种各自的优势有机地融合起来，将为21世纪中国科学和世界科学的新跃进开辟广阔途径。
在中国古代经典中，有着大量的整体观的论述：“有天地，然后有万物。有万物，然后有男女”；“仰以观于天文，俯以察于地理，故知幽明之故”(《周易》)。“道生一，一生二，二生三，三生万物”；“人法地，地法天，天法道，道法自然”(《老子》)。“在天为气，在地成形，形气相感而化生万物矣”；“人以天地之气生，四时之法成”(《黄帝内经》)。“顺乎天而应乎人”，主张人与自然应是协调关系，天时、地利、人和是世间最重要最完美的境界和发展规律。中医注重从人体整体上防病治病。我国传统文化中这种从整体上观察问题、分析问题和解决问题的方法论，比之已成为当代科学技术发展总趋势的多学科交叉、综合研究具有更高的层次。它正是当代科学发展，尤其是地球科学这一复杂巨系统研究所迫切需要的。
迄今地球科学研究的主流，仍然习惯于分门别类和专门化的研究，并且仍然将地球视为封闭系统进行处理。这与当代科学技术发展的总趋势是相悖的，正在严重阻碍着地学中许多难点的突破和地球科学前沿的进步。即使是全球变化研究，虽由过去单一圈层研究变为四大圈相互作用和人类活动影响研究，近期又将全球环境问题归结为地球系统整体行为的结果。这是地球科学研究的重大进步。但是，由更大系统引起的全球系统整体性行为，比之由地球圈层相互作用引起的整体性行为，具有更高层次、更加本质性的联系。整体研究应当成为当今地球科学前沿的根本指导思想。
国内地球科学前沿某些整体研究的初步成效
近二、三十年来，国内开展的天地生综合研究，从整体观出发，已在全球变化和特大自然灾害预测等方面取得了明显的重要进展。
例如，关于当代全球气候变暖的成因。国内外主导科学家普遍认为是由于人为原因大量排放温室气体的结果。笔者认为，导致这种结论，不能不说与全球变化思想的发起者国际地质地球物理协会前主席G．Garland的论点有某种联系。他在1982年指出：“今天，我们对影响地球及其周围环境的物理过程之间的关系已经有了较完整的认识。但是，现在尚未揭开的许多奥秘都同这些物理过程与生物过程，包括人类本身的相互作用有关。”实际上，其中第一句话与实际情况不符，迄今人们对影响我们地球及其环境的自然因素还很不清楚。基于此种指导思想制订的国际地图生物圈计划等国际研究计划，存在着过分强调全球变化的人为因素而轻视自然因素尤其轻视天文因素的倾向。然而，国内的天地生综合研究，全面探讨了人为因素和自然因素对当代气候变暖的影响。如我们将当代全球气温变化，与大气二氧化碳浓度和各种天文、地球物理因素(包括太阳活动、巨行星地心会聚、地球自转和火山喷发)等各种参数变化，进行统一比较分析，从整体上讨论其间的相互作用。结果得到：当代全球气候变暖的原因，不仅是温室效应，天文因素(主要是太阳活动和巨行星地心会聚的力矩效应)也相当重要。表明当代气候变暖的人为原因和自然原因两者都不可偏废，但究竟以何者为主，目前尚难加以区别。
又如，关于气候变暖的后果。国内一些科学工作者进行的整体研究表明：气候变暖的后果并非都是坏事，而是有利有弊，对我国和许多发展中国家的好处还相当大。在历史上千年尺度的气候温暖时期，除少数灾种(如海平面升高)外，严重自然灾害相对较少较轻，干旱沙漠区大多雨水增加，世界沙漠分布缩小，生态改善，农业发展，世界古代文明处在兴盛时期。反之在千年尺度的气候变冷时期，严重低温冷害，严重干旱沙漠化，罕见特大洪水，大地震等特大自然灾害频繁发生，古代文明往往趋于衰落。例如在6000年前，当时的全球温度比现今约高2－3℃，与模式计算温室气体增加的预测到21世纪末将比目前高1—3．5℃大体相当。可是事实上，这个时期却是世界古代四大文明的诞生之时，现今的干旱沙漠区包括非洲撒哈拉地区、中东、印度河流域以及我国河套附近等地，当时均较湿润，生态环境较好，并没有沙漠存在。著名的前苏联古气侯学家布迪柯曾经说过：“气候变暖对中国来说是天堂”。可见，诸如全球变化此类地球科学前沿的复杂性研究，是否以整体现为指导，其效果大不一样，所得的结论相去甚远。
又如，突发性特大自然灾害的预测，包括大地震临震、特大暴雨、台风突变等预测，在现有的理论框架和常规方法的范围内，都是当前地球科学上公认的世界性科学难点。然而我们从整体观出发，集中研究了此类突发性特大自然灾害的触发因子，包括各种大气内部因子、各种地球物理因子和各种天文因子，经过筛选和对比分析，最后发现只有以月亮为主的奇异天文点发生时刻的引潮力共振方可触发。几乎所有的突发性特大自然灾害，都是在内部条件基本具备情况下遇到此种触发因子通过天地耦合而发生。将其用于临震预测和特大暴雨预测，成功率已分别达40％和70％；为三峡工程服务的致洪暴雨准确率达70．2％，比同期常规方法的34．6％提高了35个百分点。看来，我国古代天人合一、天地人之间在一定条件下有相互联系的观点是客观存在的。“既要低头往下看，又要抬头向上看”。整体研究应当成为当代地球科学前沿研究的一个战略方向。
复杂系统整体研究的要领
首先，许多传统科学思维方式需要改变。需要由过去侧重考虑均匀、连续、平均、平衡、滤波和线性问题的处理，在此基础上逐步转变为侧重考虑非均匀、不连续、非平均、非平衡、演变、突变、灾变、奇异结构和非线性的处理问题。
在成因研究时，必须全方位考虑各种可能的影响因子，通过比较和筛选，全力从中找出最为关键的因子。否则，容易犯“瞎子摸象”的错误，真理多跨出一步，就变成谬误。其实，单因子、单学科的研究结论对所研究的局部来说都是对的。
问题在于不能将局部当成整体，不可轻易地将它说成整体变化都由它引起。
在研究环境变化的后果时，同样必须将各种环境参数变化全部拿来比较分析，并讨论其间的连锁关系。否则容易限于片面、走向极端而误导他人。当前有关气候变暖后果的讨论，就存在某种片面性。
在提取信息时，注重从原始信息和全息中提取可用信息。如翁文波的可公度性和浮动频率，弥补了目前周期频谱分析的缺陷。
从残差中大做文章，如北京天文台张国栋等在时纬残差中发现了邻近地区强震的短期信息。陈益惠、杨少峰分别将重力仪和地磁仪加密到一秒钟观测一次后，都测到了可贵的临震信号。
整体结构分析，包括质量、能量、时间、空间的结构异常以及更大系统的结构异常。在复杂系统变异的对策上，包括防灾减灾以及宏观经济调控、中医防病治病等，均需进行整体分析和整体研究。
自然界复杂系统整体联系的若干规则
从地学等复杂性研究目前已有的成果来看，初步认为自然界复杂系统的整体联系的规则有：
1形象思维是反映整体联系的一种重要形式。汉字作为一种象形文字，人脑对汉字的反映是一种全息反映，人脑识别汉字的速度比识别其他文字的速度都要来得快。近代科学提出了“网络假设”，如卡普拉认为，新的世界观把宇宙看成是一个相互联系的事件的动态网络。它们相互之间联系的所有一致性确定了整个网络的结构。徐道一认为，大地震的发生，在空间和时间上都存在明显的有序图像的网络信息。
2自然界在不同时空层次之间，一个系统与其更大系统的关系，本质上属于子系统与母系统即局部和整体的关系。如群体与个体，全球系统与某一圈层，太阳系、地月系与地球系统，银河系与太阳系等，无一不是整体与局部的关系。明确这种关系对于认识地球和人类本身的本源和发展演变规律极为重要。否则，容易滑入“只见树木，不见森林”和不确定性甚至不可知论的泥潭。
3内外因耦合有可能是引起复杂系统重大变化、突变灾变的普遍性规律；天地耦合有可能成为地球科学难点突破的根本出路。历史全球变化和地质时期的全球变化，都与天地耦合有密切联系。如地质代的分界和地质纪的分界，分别与巨型和大型陨击事件有着相当好的对应关系。即使是当代全球变化，也不可忽视天地耦合的重要作用。特大暴雨是由于暴雨天气形势和引潮力共振减压相耦合的结果，两者均不可缺少；如果两者中缺少任一条件，均不会出现特大暴雨。
4自然界天地联系在特定时空尺度上有着相应的特定的参数联系；然而反映此种联系的天文物理参数往往量级较小，但它通过地球系统内部反馈放大而引起。例如冰期的形成，地球轨道参数变化引起高纬度太阳辐射减弱量较小，需要通过冰面反馈放大才行；地球自转减慢通过全球总角动量守恒条件下的角动量转换对大气、洋流的放大作用，方可导致厄尔尼诺的发生。
5自然界复杂系统还存在一种“严格准平衡态”和多级平衡的特殊平衡态，它是由两个或多个所组成。在此种条件下，推动物质运动的并非本身，而是其平衡后的微小偏差，从而为复杂系统的理论建设开辟了良好前景。
6非线性问题不宜首先作为数学问题，而应首先视为一个物理问题。对特定的非线性问题，应当首先全力找出其特定的物理原因或其它原因，然后用某种数学形式加以描写。据此我们已提出研制线性和非线性相统一的大气模式设想。
7宇宙中还有可能存在着一种最大最广泛的整体联系，即在宇观、宏观、微观之间存在各自物理量自乘近似相等的大统一，也就是说宇宙中存在着时间空间质量能量连乘等于常数的总守恒。可见在宇宙中，既有极其丰富多采的千变万化，又有在一定条件下存在着相当美妙的相互联系互相制约的规律。作为我们人类的家园——地球的演化，当然也不会例外。