自然灾害复杂性研究

自然灾害复杂性研究

魏一鸣(中国科学院资源与环境信息系统国家重点实验室 北京 100101)

提 要 从自然灾害系统的观点出发,阐述了自然灾害系统的特点,提出了自然灾害复杂性

的概念。基于前人研究的一些成果,讨论了分形、混沌、人工神经网络等非线性理论以及定性与

定量综合集成技术在自然灾害复杂性研究中的应用。自然灾害复杂性的研究可以促进人类对

自然灾害整体行为的探索。

关键词 自然灾害 复杂性 复杂系统

分类号 中图法 X43

1 前 言

长期以来,自然科学一直围绕着可逆性与不可逆性、决定性与随机性、无序与有序等基本问题进行着艰苦的探索,人们对自然的认识也随之经历着一个由简单性向复杂性的根本转变[1]。近年来,随着科学与技术的发展,复杂系统与复杂性的研究已引起了诸多不同领域的科研工作者的广泛兴趣。从而促进了有关交叉学科及新理论与新方法的深入研究。

自然灾害所表现出的不均匀性、多样性、差异性、随机性、突发性、迟缓性、重现性以及无序性等复杂性的特点,使得 简单 的理论和手段已不适宜于伴随着人类经济活动的开展而日趋复杂化的自然灾害系统的研究。本世纪70年代末,由于系统论、信息论、控制论的引入,为自然灾害的研究注入的新的生机。而80年代中后期,突变理论、协同论、耗散结构理论以及分形理论的应用,则极大地促进了自然灾害研究。到现在,20世纪90年代,分形、非线性、混沌等理论在自然灾害研究中正以一种强大的趋势,汇聚在一个研究热点 自然灾害的复杂性研究,复杂性理论在自然灾害的研究中正扮演着重要的角色。

复杂性到处都有,复杂系统无处不在。然而,关于什么是复杂性?目前尚无统一的认识。但是从目前的研究成果来看[2],任何事物或现象的复杂性,可以从系统论的观点出发,归纳出两种意义上的复杂性,即存在意义上的复杂性和演化意义上的复杂性。所谓事物或现象存在意义上的复杂性,是指其组成系统具有多层次结构、多重时间标度、多种控制参量和多样的作用过程。而演化意义上的复杂性是指当一个开放系统远离平衡状态时,不可逆过程的非线性动力学机制所演化出的多样化 自组织 现象。因此,关于自然灾害的复杂性可以从自然灾害系统的观点出发,探讨其存在意义上的复杂性和演化意义上的复杂性。2 开放的自然灾害复杂系统

正如美国科学院与工程院在1987年的报告 Confronting Natural Disasters 中所述:当第18卷第1期 地 理 科 学 V ol.18N o.11998年2月 SCIENT IA GEOGRAPHI CA SIN ICA Feb.,1998

中国博士后科学基金及国家 九五 科技攻关项目(项目号95-B02-02-02)中的部分成果。

第一作者简介:魏一鸣,男,博士后。

收稿日期:97-01-05;改回日期:97-06-18

自然物质运动变异到足以给人类的生存和物质财富造成一定程度的危害和破坏时,也就形成了自然灾害。由于自然物质运动变异形式是多样的,且相互联系,因此,形成的各种自然灾害也不是孤立存在的。它们之间是相互作用、相互联系、相互影响而形成了一个具有一定结构、功能、环境和特征的整体。从系统论的观点来说,这一整体就是自然灾害系统。自然灾害系统在发生和发展过程中既对人类社会造成一定的影响,但人类社会的经济活动,也反馈于自然灾害系统,它们又共同促进自然环境变异,而自然环境变异对人类的生存和活动,自然灾害的形成和发展,又起着反馈作用。图1描述了自然灾害系统与人类社会经济活动、

自然环境变异以及地球各圈层之间的关系。

图1 自然灾害系统及其环境关系示意图(据文献[3])

Fig.1Diagram of sys tem of natural disasters and the relationship w ith its environm et [3]

针对自然灾害系统,主要具有以下几个方面的突出特点。

2.1 系统组成的层次性和高维性

从图1中我们可以知道:自然灾害系统(用S 表示)至少是由气象灾害系统(S 1)、生物灾害系统(S 2)、海洋灾害系统(S 3)、地震灾害系统(S 4)、地质灾害系统(S 5)、火山灾害系统(S 6)及异常灾害系统(S 7)等7个子系统组成;每一个子系统又由各自的子系统组成,例如:气象灾害子系统(S 1)又由洪涝灾害系统(S 11)、干旱灾害系统(S 12)、台风灾害系统(S 13)、冷冻灾害系统(S 14)、风暴灾害系统(S 15)等子系统组成(称为自然灾害孙子系统);每一个孙子系统又由各自的子系统组成,例如:冷冻灾害子系统(S 14)是由冷害(S 141)、冻害(S 142)、冻雨(S 143)、结冰(S 144)、雪害(S 145)等子系统组成(称为自然灾害孙孙子系统);如此逐层分解,构成了具有层次结构的自然灾害系统,显然这样的系统具有极高的维数。图2描述了自然灾害系统的层次结构及维数特征。

2.2 系统中各子系统关联的复杂性

从图1我们不难发现组成自然灾害系统的各个子系统之间存在着关联。这种关联不仅

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地 理 科 学 18卷

图2 自然灾害系统层次结构

Fig.2 H i erachy of the system of natural disasters

表现在结构上,而且还表现在内容上,例如,它可以是物质、能量或信息的关联。显然,它们之间的关联是极为复杂的。由此导致了自然灾害群发的复杂性。例如,台风灾害链、寒潮灾害链、暴雨灾害链、地震灾害链。

2.3 系统的不确定性

自然灾害系统的边界、结构和功能都具有模糊性,而且系统中各种灾害的发生具有随机性[4],难以预测,甚至因灾害造成的危害也是极其复杂、多样。这些随机性、模糊性和未确知性是自然灾害系统不确定性的具体表现。

2.4 系统的开放性

自然灾害系统是复杂地球巨系统的一个子系统,它不断地与环境发生着物质、能量和信息的交换。自然灾害系统不但与各圈层的运动与变化存在着物质、能量的交换,而且与人类社会的经济活动、自然环境之间存在各种形式的交换。这些特征体现了自然灾害系统的开放性。

2.5 系统的动态性

由于地球的各圈层、人类社会的经济活动以及自然环境都随着时间的推移会发生显著的变化,从而引起自然灾害系统的结构和功能发生变化,使得自然灾害系统呈现显著的动态性。

2.6 系统的非线性

自然灾害系统对于环境的输入响应不具备线性叠加性质。例如,同一种自然灾害事件,在经济发展水平相近的地域,其规模量级大小和损害数量程度方面有一定的对应关系,但由于不同的地域的背景条件,人口密度,经济发展水平等方面有差异,所以自然事件的规模和造成的灾害损失之间不可能构成线性函数关系。又如,在特定的时空范围内,当降雨量和降雨强度处于一定水平以下时,不会发生洪涝,即无响应,随着降雨量和降雨强度的提高,可能发生洪涝灾害,但其危害性并不一定和降雨量及降雨强度之间存在线性相关关系

[5]。这些

都表现了自然灾害系统的非线性特征。271期 魏一鸣:自然灾害复杂性研究