陈效逑 - 自然地理学原理 - 第01章-2

（四）自组织性 系统从一种稳定状态自发地变成为另一 种稳定状态的过程。 演化阶段：原有稳定状态→涨落放大→ 系统自我调节能力遭到破坏→重新组织→ 新的稳定状态。
演化方向： 正向涨落（dSe <0，|dSe|>dSi，dS <0）导 致系统从较无序向较有序方向进化，如生物 进化； 负向涨落(dS >0)导致系统从较有序向较无 序方向退化，如土地荒漠化。
Q (U2 U1 ) W
2. 热力学第二定律：热量总是从高温物体传 到低温物体，不能作相反的传递而不引起其 他变化；功可以全部转化为热，但不可能从 单一热源吸收热量，全部用来做功而不产生 其他影响。在一切与热有联系的现象中，自 发地实现的过程都是不可逆的。 • 热力学熵：系统能量不可利用性的量度。
相互转化：稳态－涨落－突变－新稳态，如：冰期 －间冰期的交替；坡地形态变化；河流洪水泛滥等。 系统的反馈-响应机制： 系统的状态往往是在若干 种正反馈和负反馈支配下 变化和发展的，其变化方 向取决于哪种反馈占优势。
四、系统模型
（一）模型的定义 对现实世界的一种抽象的或理想化的描 述，系统的概念本身就是一种模型。 （二）模型的种类 1.实物模型：地形模型、城市规划模型。
25
线性系统
非线性系统
20
15 y 10 5 0 1 2 2 3 4 x 5 5 6 7 8
（二）层次性 系统有大有小，形成一种层次结构。大的 系统通常由小的子系统有机地结合而成，子系 统又由更小的二级子系统构成，依此类推。 层次的相对性：地球-地球表层-生物圈-人 类圈 层次的性质：较高层次系统之间的结合强度 较弱，但具有比低层次系统更为丰富的性质和 功能。
（三）负反馈 系统结果使原因在原来变化方向上得到抑 制，例如:野兔－狐狸种群变化过程；草原产 草量－放牧量的变化过程。 负反馈过程通常是一种自我调节的变化， 具有循环性，它使系统趋于稳定或动态平衡， 是产生系统自稳定的原因。
（四）正、负反馈的关系 相辅相成：正反馈过程中包含和孕育着负反馈过 程（物极必反），负反馈过程中也包含和孕育着正 反馈过程（树欲静而风不止）。 当气温发生大范围下降时，全球冰雪覆盖面积增 大，地表反射率增加，使地面吸收太阳辐射量减少， 气温进一步降低（正反馈）；又会使地表蒸发量减 少，大气中水汽含量减少，从而引起云量和降水量减 少，到达地面的太阳辐射量增加，温度升高（负反 馈）。
系统环境：上边界以外的大气上层和下边 界以外的固体地球部分。 地球表层系统的边界具有逐渐过渡的性 质，随着人类活动对地球表层的影响范围与 影响强度的增大，系统边界呈扩张的趋势。
五、地球表层系统
（一）定义 地球表层是由大气、水体、岩石、土壤、 生物、人类相互联系、相互制约所形成的开 放系统。 是地球上最有序的部分； 是人类活动影响最为剧烈的部分。
（二）边界 上边界：大气对流层的顶部，距地球固体 表面的距离在极地上空约8km，赤道上空约 18km，平均在10km左右。 下边界：岩石圈上部沉积岩层达到的深度， 距地球固体表面的距离约4-5km。
黄河流域降水量与天然径流量变化
（二）系统的类型 1.孤立系统：系统与环境之间既没有 物质交换又没有能量交换，如宇宙。 2.封闭系统：系统在物质交换方面是 封闭的，但在能量交换方面是开放的， 如地球。 3.开放系统：系统在物质和能量交换方 面都是开放的，如地球表层。
太阳能
地球表层 开放系统
水分、气体
450 降 雨 量 （ mm ） 400 350 300 250 200 150
700 600 500 400 300 200
汛期降雨量 汛期径流量
（4）状态：组分、属性和 关系所具有的量值。 （5）过程：系统状态变 化的历程。
100 50 0 1956 1966 1976 1986 1996 100 0 2006
地貌的层次
城市景观的层次
（三）自稳定性 系统的结构、功能、状态、行为的恒定 性，即系统具有一定的自我调节或抗干扰的 能力。一般来说，系统的组成和结构愈复 杂，自稳定性愈高。 开放的稳定：在与环境之间不断进行物 质、能量、信息交换的过程中才能保持。 动态的稳定：稳定不是静止，而是围绕 一个稳定状态的上下波动。
2.图解模型（概念模型）：框图、示意图、 地图、流程图等，如：大气环流模型，生态 系统能量流动和物质循环模型。
3.数学模型: 描述系统和要素之间相互关系的 数学表达式，一般由状态变量、函数式和参数 三部分组成。 机理模型：模型的参数是由建立模型所依据 的某种理论所确定的，具有物理学、化学、生 物学的意义。如描述黑体辐射能力的斯蒂芬玻耳兹曼定律：
3.组分、属性和关系 （1）组分：系统的组 成部分，如黄河由上、 中、下游及众多的支流 组成。 （2）属性：组分可以
河段 区间
被感知的性质，如黄河 中游的长度、面积、流 量、含沙量、水质等。
面积 (km2)
长度 (km)
支流数目 (条)
天然径流量 （亿m3）
上游 中游 下游 全河
河源~河口镇 河口镇~桃花峪 桃花峪~入海口 河源-入海口
二、系统的概念
（一）系统的定义 1.系统与环境 （1）系统:由相互关联和相互制约的若干组成 部分结合而成的、具有特定结构和功能的有机 整体，它具有模糊的或确切的边界。 （2）环境:系统边界以外的部分。 （3）二者的联系:物质、能量和信息的交换。
太阳系
土星 海王星 天王星 木星
火星 地球 金星 水星
能质和熵
能量类型 宏观物体的动能 引力势能 电势能 核反应热能 太阳光能 化学反应热能 沸水的热能 海水的热能 宇宙背景辐射的热能 每焦能量携带的熵值(J/K) 0 0 0 10－11 10－5 10－4 2.710-3 3.610-3 310-1
（3）开放系统：普里高津扩展熵函数
dS dSi dSe
428,235 343,751 22,726 794,712
3,471.6 1,206.4 785.6 5,463.6
43 30 3 76
331.7 201.1 2.0 534.8
（3）关系：不同组分或属
降 雨 量 （ mm）
700 600 500 400
1200 径 流 量 （ 10 8 m 3 ）
3. 宏观熵 （1）宏观熵的数学表述：对于无限小过程， 有
dQ dS T
可逆过程的熵变等于该过程的热温比（系 统从热源吸收的热量除以系统的绝对温度）， 不可逆过程的熵变大于该过程的热温比。一切 宏观过程都是不可逆过程。
（2）孤立系统：克劳修斯不等式
dQ 0 , dS 0
在孤立系统中进行的一切不可逆过程向着熵 增加的方向演化，直到熵函数达到最大为止， 平衡态对应着最大熵，如冰溶于水。即：不可 逆过程在能量利用上的后果总是使得一定的能 量从能做功的形式变为不能做功的形式，即导 致能量的 “退化”。
径 流 量 （ 10 8 m 3 ）
1000 800 600
性之间的作用,如中游水土 流失与下游泥沙沉积、流域 降水量和径流量的关系等。
300 200 100 0
年降雨量 年径流量
400 200 0
1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
水分、气体
大 气 圈
圈 水
生物圈
岩石圈 岩石 热 量 热 量
植物叶片开放系统
二氧化碳 二氧化碳
氧气
氧气
阳光
能量储存在糖和其 他碳水化合物之中
糖和其他碳水化合 物的分解（氧化）
水 矿物质，水和 其他营养物质
水分蒸腾
水 矿物质，水和 其他营养物质
水分蒸腾
热量散失
（三）系统的热力学性质 1.热力学第一定律：外界传给系统的热量 （Q），一部分用于改变系统的内能(U2－ U1)，另一部分用于系统对外作功(W)。即 能量的形式可以转换，但数值是守恒的， 能量不会凭空产生或消灭。
（3）开放系统 由于负熵流的输入量抵消系统内部的熵产 生量，且有负熵的盈余，使系统的总熵降 低，向着微观状态数减少的方向演化，即从 宏观热力学概率大的状态向宏观热力学概率 小的状态演化，意味着系统内部趋于整齐和 有序，如地球生物圈的演化。
二、系统的性质
（一）整体性 若干部分按照某种方式整合成为一个系 统，就会产生出整体具有而部分或部分总和 所没有的特性，称为整体涌现性。
E T
4
经验模型：模型参数的估计是基于观测或 实验数据，通常不具有物理学、化学、生物 学的意义。如早期的全球陆地初级生产力模 型,y为净初级生产力（g‧m-2‧a-1），x为年平 均气温（℃）。
3000 y 1 . 315 0 . 119 x 1 e
（三）数学模型的建立过程 1.概念模型的提出 2.模拟：适当简化 3.预测：外推应用 4.误差评估：可接受性
一、系统的概念 二、系统的性质 三、系统反馈 四、系统模型 五、地球表层系统
一、一般系统论(general system theory)
1.一般系统论的基本观点 （1）真实的世界就是整体 （2）世界的部分具有可以理解的秩序 （3）世界作为整体也具有可以理解的秩序 2.一般系统论的任务 （1）确立系统的一般原则 （2）概括系统的共性特征
系统的状态
稳定状态
稳定状态 不稳定状态
稳定状态
稳定状态
三、系统反馈
（一）反馈的概念 一个系统的输出反过来作用于输入，从而 对系统再输入产生影响的机制。 对于一个系统过程来说，指过程结果反过 来对该过程本身及其原因产生影响的机制。
（二）正反馈 系统结果使原因在原来变化方向上得到促 进，例如：陡坡开垦产生的越垦越穷，越穷 越垦现象；湖水污染-鱼类死亡-污染加剧；我 国GDP高增长-环境破坏加剧-GDP高增长。 正反馈过程一般是一种趋势性的变化，具 有方向性，它使系统趋于不稳定，产生偏离 平均状态的涨落，是导致系统自组织的原因。
对于系统某一宏观状态来讲，其微观状态 数(Ω) 越多，熵值(S)越高，越无序；否则， 微观状态数越少，熵值越低，越有序；若仅 包含一种微观态，熵值为零，则系统状态整 齐划一。
系统微观状态数目与熵值
左边 45 个粒子，右边 5个粒子，则
45 5 整个系统的微观态数＝ C 50 C 50
（2）孤立系统 自发倾向总是向着微观态数目增加的方向 演化，即从宏观热力学概率小的状态向大的 状态演化，使系统内部趋于混乱和无序。热 力学平衡态和微观粒子的均匀分布对应着最 大熵，如密闭容器中一滴墨水溶于水的过程。 大熵，如密闭容器中
自然地理学
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主讲教师：陈效逑、蒙吉军 http://people.pku.edu.cn/chenxiaoqiu/cov er.html, cxq@pku.edu.cn
第1章 绪 论
第1节 地理学与自然地理学 第2节 自然地理学的研究领域 第3节 自然地理学的系统方法
第3节 自然地理学的系统方法
太阳
地球系统
大气圈
生物圈 土壤圈
水圈
岩石圈
河流系统
溪流
径 坡面 流
冲沟
分水岭 分水岭 河间 地 河谷 河 谷 分水岭
流域盆地 流域盆地
植物群落系统
高层树冠
中层树冠
低层树冠
2.结构与功能 （1）结构：系统各组分间相对稳定的关联方式。 （2）功能：系统与环境相互作用的功效和能力。 （3）二者的关系： 结构相对稳定，功能则易于变化。 结构决定功能，功能可反作用于结构。
如果系统充分开放，从外界引入了足够的 负熵流，使得dSe<0，且|dSe|>dSi，则有dS<0， 于是系统的总熵降低，能量可利用性提高，系 统可以自发地组织起来，形成有序结构，称为 耗散结构。
4. 微观熵 （1）微观熵的数学表达（玻耳兹曼关系式）
S k ln
式中：S为微观熵，k为玻耳兹曼常数，Ω为 与某一宏观状态对应的微观状态数（微观粒 子排列组合方式），称为该宏观状态的热力 学概率。微观熵是系统内部混乱度的量度。
整体涌现性——全球风场
整体涌现性——城市热岛
1.非还原或非加和：整体不等于部分之和 沙袋可以筑堤防洪，而散沙则不具此功能； 氢原子和氧原子键合形成水分子，后者具有 与前者完全不同的特性； 土壤的水、肥、气、热组合决定其肥力，而 单一条件好的土壤，肥力不一定高。
2.非线性 一种原因可以导致若干个不同的结果，不 同原因也可产生相似的结果（全球变暖）； 输出的结果并不与输入的扰动呈比例。