灾害系统中结构与功能之间的内在联系，本文主要内容关键词为：灾害论文,内在联系论文,结构论文,功能论文,系统论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
1 灾害系统的结构与功能
灾害系统大致有三大类：自然灾害、人为灾害、自然与人为交叉造成的灾害。如地质、地貌、气象、生物及天文一类灾害属自然灾害；生态、工程、社会生活系人为灾害；而水土流失、土地沙漠化、旱、火、洪涝等灾害的形成既有自然因素又有人为因素，呈相互交叉关系。
结构一般指元素组成及其在时空上相互联系与作用方式，也可分成组分结构与时空结构。灾害系统的功能一般是指把环境对灾害系统的影响和作用称为灾害系统的输入，输入的强弱直接决定灾害的形成、发展和后果。当然，灾害系统对输入的响应能力也是很重要的。它的特征有多干扰、多变量、多参数以及主动性、分散性、非线性、不确定性、动态性、协同性。不承认、不认识、不注意研究这种性质，必将为今后预报各类灾害埋下灾难。更远的例子不说，1976年河南驻马店大水灾的发生就在于对其非线性和协同性没有认识。
值得指出的是，由于人类活动的干扰，灾害种类已不断增加，且强度增大。下面以最近几年来才引起人们特别关注的“温室效应”和“臭气层”来分析。
云、水蒸气、二氧化碳所吸收的辐射产生了温室效应，即大气变暖。地球变暖本来就是一个自然过程，只因为有此过程地球上才有生命。那么为什么“温室效应”反被当作一个问题来看待呢？因为不断增强的变暖具有许多潜在的损害性效应，同时也有一些有益的影响。上升的原因在于能捕捉释放出的长波辐射的微量气体的浓度在不断增加。包围着地球的大气层由水蒸气、二氧化碳、甲烷、氮氧化物、某些氯氟烃类以及臭氧组成。这些气体混合物来自自然事件和人类因素，即由人类活动引起的。甲烷是由海洋中有机物质稀释的自然过程以及食草动物产生的。氮氧化物是土壤及水体中微生物的作用产生的。这两种气体也来自人类活动；种稻及养牛增加甲烷的排放量；施用氮肥及燃料燃烧过程产生氮氧化物。
想要确定上述这些气体对“温室效应”的相对贡献是很复杂的。二氧化碳为温室气体总的热效应贡献大约为66%、甲烷大约为16%，氯氟烃类(CFC[,s])浓度虽小，但它的辐射效应数千倍于二氧化碳。它们长期存在于大气中并破坏平流层的臭氧，进而强化温室效应，而它们的排放增长率却又非常大。已经排入的CFC[,s]能释放出损害臭氧层的氯的“温室效应”一个基本特性是不确定性。全球变暖何时出现及其变暖程度如何取决于损害性变暖的水平、微量气体的未来排放量以及气候对微量气体浓度变化的敏感性等。
气候变化有可能带来的气象灾害事件，如干旱、暴风雨及洪水的发生，不仅可能频繁，而且每次灾害事件的严重性可能加剧。由于发展中国家的经济对自然资源的依赖性更强，受影响较大的又是粮食作物，而财力状况差无力解决必要的预防支付费用，因此影响更大。
当然，国际上已采取了一定的对策，也还可采取一系列综合措施，其中节能对降低“温室效应”的潜力最大。目前，国际讨论的重点是试图将2000年或2005年的排放量稳定在1990年的水平上，但仍会使变暖水平大大高于0.1℃，甚至会接近0.25℃。另外，也需要看到，各种措施和目标并不是很容易实施的。因为，一小部分国家可能从气候变化中获益或损失很少。于是还要采取其他各种措施，以保证相关协议和措施的执行。
第二个问题是臭氧层问题。70年代中期研究者发现CFC[,s]正在耗损着臭氧层。80年代中期南极上空的臭氧层已经严重破坏，并形成了空洞。它不仅造成全球变暖，而且紫外线辐射增加会导致皮肤癌患者增多、人体免疫系统机能可能下降、植物生长迟缓等。
保护臭气层的国际行动开始于1985年，1989年生效的《蒙特利尔议定书》是一个实质性协议，此后又进行修订，试图有效地停止各种消耗臭氧层的CFC[,s]的生产。我国很多电冰箱厂生产无氟冰箱就是一个很好的、很值得称赞的行动。
南极洲是被作为最后的原生地来描述的，其资源在许多方面都是很独特的。野生生物资源分布广泛，数量很大，并蕴藏着有潜在开采价值的矿产。南极洲的问题展示了开发与保护的典型状况，它是一个很脆弱的生态系统，然而目前人类在那里的活动是有限的但也造成了环境损害。南极的前途是不确定的。南极代表着一个正在进行的地质或生物过程以及人类与自然环境的相互作用。它已成为包括含独特的自然环境、自然景观、地质构造的有特殊价值的世界遗迹地。
人口的增加，人类活动干扰的增大必然影响自然生态环境的变迁过程，自然资源的大量浪费，必然使灾害加重，甚至导致多种灾害的共生。
2 科学的发展面临着灾害挑战
自然界的现象千变万化，科学的任务是要从这些现象中总结出规律来，利用这些规律来预见事物未来的变化。灾害的挑战总是导致科学的进步，又往往是边缘学科的新的生长点所在。灾害科学研究中的互补性原理就是指不确定性原理和相对性原理。非线性科学重要内容之一是研究不确定性。
自然规律都有朝定量化方向发展的需要，只有找到定量化的规律我们才会有精确的认识和有力的工具。一方面，许多现象可以用线性的代数方程和线性的微分方程表达。另一方面，自然界和人类社会众多纷繁复杂的事物，其变化不表现为线性函数关系。由于这类现象中普遍存在着复杂的相互作用，如当水的层流遇到摩擦时，动量交换、能量交换和粒子交换关系就变得复杂了，而摩擦又不能由常量表示，摩擦的重要程度取决于层流的速率，速率本身又取决于摩擦。这种反馈作用的相互缠绕的可变性造成了难以计算的非线性，但却创造了在线性系统中绝不出现的丰富多彩的性态。流体动力学中反流体的速度、压力、密度和粘度连结在一起后，这种关系的性质是非常难于刻画的。
就地震而言，大量震例观测资料表明，在地震酝育前期，地壳应变能积累－释放曲线是线性的，而到酝震后期，则表现出偏离线性趋势的非线性变化。伴随这种非稳态非线性变化是出现各种复杂的“前兆”。这些前兆形态各异，重复性差。
地震前兆的复杂性是地震酝育的非线性行为在时间和空间域上的表现。非线性科学不是非线性数学、非线性物理等分支学科的总和，它具有超越不同学科领域局限性的共同性质，是以探索复杂性为目标的新学科。分叉和混沌决不只是一堆有趣的数学现象，混沌向我们揭示出一个形态和结构的崭新世界。
由于非线性行为对初条件的敏感性，致使不同的初条件下，同一物理量的时空演化状态有很大的差异。“前兆”观测点变化的不同步性、不重复是必然的。但从整体上看，小震和形变场随压力的增加而存在的从无序→有序，从简单→复杂，由“白脸”→“花脸”的变化则是确定的，可重复的。但这种重复不是微观细结构意义上的重复，而是客观图像复杂性增加。并且，这种异常或变化是有普遍意义的。
我国地震界在“八五”期间应用非线性科学方法进行了应用基础研究。主要有三方面内容：地震发生的非线性动力学过程和地震失稳条件的模拟；实测地震数据反演地震孕育和演化过程；非线性动力学模型的基础算法。从研究水平看，整体上已达到国际先进水平。在处理上要注意地震是不均匀的复杂过程，不论在空间上还是时间事件的发生都是不均匀的。地震系统内部多种组分相互作用，同地质结构之间的复杂相互作用使地震成为不均匀的无规则方式发生的动力学过程。然而，由于其本质上是一种动力学过程，那就必然包含确定论的成分。通过具有较高权威性检索知，国际地震学界在地震非线性研究上的几个主要方向，如分形、混沌、细胞自动机等致力于运用非线性方法和指标探索地震预兆，而这些研究已经证明这一结论。我们认为能从复杂性问题中分离出确定性动力学运动表明，这类问题原本是可以预测的而又以不可以预测方式演变的有限的一类现象。现在用非线性动力学研究地震的意义就在于消除运动过程中的噪声，从复杂现象中分离出确定性非线性动力学运动。已有成果表明，在强烈地震发生前，地震活动多重分形发生明显的变化。表现在f(a)-a曲线上奇异性强度调节因子a取值变宽，f(a)-a曲线左端点或右端点下降。又如李雅普诺夫指数LE以非稳定态走向临界失稳的过程中发生剧烈增大或减少的变化，震后系统又回到稳定状态。
当然，存在的问题和困难仍然很多，不仅在地震预报实用化上存在很多有待解决的问题，而且在异常与复杂性变化的物理联系上尚不清晰，刻画复杂性变化的指标、判据上有待深化，这里不可能一一列举。但可以明确指出，自80年代末以来，国家自然科学基金会把非线性科学研究列为“八五”攻关项目，国家自然科学基金会和国家地震局地震基金会特别重视对地震非线性的研究，他们先后资助了数十项这方面的课题。同时，国家地震局和地震科学基金会又多次举办地震非线性方面的研讨班和学术会议，组织出版了好几本地震非线性方面的论文集和译著，中国地震物理学会连续几年的年会也将非线性列为专题。而在“九五”期间，这方面研究仍有很多重头戏。
3 有关新科学发展的思考
本世纪70年代，混沌理论的兴起导致一系列在“混乱”现象背后的惊人发现，特别是在有序和无序、稳定和不稳定、简单与复杂、局部与整体、决定论与非决定论等辩证转化的条件和机制方面给人以新的启迪。
现在我们已处在本世纪之末，越来越多的人思考着，那许许多多塑造着自然之形的基本过程本来是不可逆的和带有随机和内在随机的，而那些描述基本相互作用的决定性和可逆性的定律不可能告诉人们自然界的全部真情。只要我们放眼一看，就会发现演变、多样化和不稳定性，而在几十年前谁会把宇宙作为一个整体来讨论其演化？谁又会相信在远离平衡的情况下，使用人类学的语汇来说，分子之间是可以互通信息的？这些出乎预料的发现也对我们所持的关于“硬”科学和“软”科学关系的观念有着强烈的影响，并把过去动力学简单性能与生命演化或人类社会历史所发现的复杂性之间的悬殊差距日益缩小了。尤其是非平衡态物理学首先出乎意料地发现了物质在远离平衡条件下新的基本性质。第二方面是动力体系的现代理论，在这其中最核心的发现是不稳定性的普遍性，或者说是初条件的微小变化将起到惊人的放大作用。
这些新的方法导致了对我们生活的环境的更好理解。在这个环境中人们发现了意外的规律性，也发现了同样使人想象不到的大幅度涨落。比如，本来估计我们所处的气候条件是稳定和均匀的，可是，与这种预期相反，在与太阳演化过程的特征时间相比短得多的期间内气候已发生了我们在第一部分中所述的剧烈的波动涨落。我们从研究非线性动力系统中的复杂现象展现的光辉前景来看，科学在为了解我们整个环境所作的努力中一定会发挥日益增长的重要作用。
混沌的奇特之处在于，它把表现的无序与内在的决定论机制巧妙地融为一体。1963年著名的气象学家罗仑兹首先发现，仅仅三个因素的简单决定性系统就会产生随机行为，这种随机性不是起因于任何外界因素，而是从决定论系统内部产生的，被称为内在随机性。它说明决定性和随机性之间存在着由此及彼的桥梁。混沌现象还为我们提供了涨落在临界点处所起的作用，通过伸缩和折叠的操作，混沌吸引子可把微小的涨落迅速提高到宏观尺度上表现出来，经过一段短时间后，初始测量所包含的不确定性就扩展到整个吸引子上。由此可认识到，混沌意味着我们的预测能力受到某种新的根本限制。然而，由于混沌是由某些本身丝毫不是随机因素的固定的规则所产生，因而许多随机现象实际上比过去所想象的更容易预测。混沌中同样存在着明确的秩序，它的随机性具有某种精巧的几何形式，使万事万物的“无规则性”以出人意料的规则性呈现在我们面前，即“自相似性”，它的行为特征可用分数维表示。自相似性又是和标度不变性相联系的。所谓标度不变性就是把标尺作适当收缩后，吸引子的细节部分和整体具有同样的结构。费根鲍姆还得到本世纪的重大发现之一：对截然不同的一维单峰映象进行迭代，在迭代过程转向混沌时，它们竟然遵循着同样的规律，它们受同一个数字支配，这个数就是δ＝4.669201609……。从更一般的意义上看，迭代、映像、复制、重演、繁殖都是一个意思，即按照同样的模板制造出一个新的，但与原来相似的个体。它的发生机制告诉我们，导致变异的原因原是来自系统内部，每一次复制是严格的，但它的积累都会意外地产生变异，最终还会失去原有的特征，产生新的特征。
混沌理论是非线性科学中一个成员，非线性系统一般无解析解，完全不能像线性系统那样，可以把系统分割开来，又重新拼凑起来并不使其性质发生改变。但是，非线性系统绝对不能简单迭加，且同时这也带来了在线性系统中从未见到过的丰富多彩的行为，因为每个差异的增长是指数型的，它使不确定性发生剧烈的增长。
非线性导致混沌无疑是个重要的科学发现。同样，非线性亦可导致自组织现象，且解决的难题为之更多。非线性系统之所以不能像线性系统那样被分割，之所以不满足简单的迭加原理，是因为系统各部分之间相互作用关系对系统宏观行为的作用更值得充分强调。系统当从外部得到的能量和物质浓度达到临界值时，各部分之间在相互作用下参加到协同的集体运动中，有序代替了无序，从混沌中产生了某种稳定的结构，这些组成部分从原先自在的物体变成了某个自组织系统中的要素。
自古以来，人类对自然界的看法就带有多重性、暂时性和复杂性的特征，不过那时是笼统的不清晰的。现在在人类认识通过不断的反复和更新认识已经达到一种新的认识，即以互补的简单性和复杂性，必然性和偶然性的观点来看待自然界和人类社会。当然，非线性科学的丰富启示还有待进一步探讨，混沌理论还在发展，人类的认识必将开拓出一个更加广阔的科学空间。