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地球科学中还有许多问题仍是不解之谜，由今天的天气按照大气运动方程组预报明天的天气，由明天的天气按同样的大气运动方程组公式预报后天的天气……，怎么说“长期天气预报是不可能的”呢？ 纽约一只蝴蝶的翅膀一拍，北京的天气果真会变化吗？ 云中的一个冰晶种子，为什么会自动组织成一个六角形的雪花？ 为什么热带的某个地点，突然会生成一个螺旋式结构、风力很大的台风呢？ 在上海的某一小地区为什么突然出现将树连根拔起的龙卷风呢？ 上千公里的大气涡旋不是顺时针转，就是逆时针转，为什么有百公里、十公里、……，甚至几厘米的涡旋也以如此相似的方式旋转呢？ 月、季、年、10^1年、10^2年……，甚至千万年尺度的气候的冷还是暖，原来是随尺度的不同而不同，这种说法对吗？如何研究它们呢？ 地震可以预测吗？ 在地球上经常有突发事件，如火山爆发、八级地震、大的暴雨、大的风暴潮……等，在他们发生之后，地球系统的各个部分似乎又相互调整关系仍平静地处在一个地球上。然后又突发事件，又平静一段，这有什么规律？ 这些科学问题的解决直接和“非线性”、“复杂性”有关，它们是地球科学21世纪所面临的难题。 地球科学中的非线性和复杂性表现在： 1. 它们跨越很宽的时空尺度从湍流到地幔对流，从植物的季节性循环到地球和生命的起源。其时间空间尺度跨越10^9量级以上。 2. 地球系统都有许许多多的单元组成。大气由不同尺度的涡旋构成，地震由大大小小的断层构成，雪花由一个冰晶和其周围的水汽逐层冻结而生长出来，气候由不同尺度的冷暖的“涡旋”组成。我们可以把这些尺度不同的“单元”叫做“层次”（Hierarchy）。它类似于生物系统的细胞、器官、肌体、种群等层次，也类似于社会系统由家庭、居委会、乡、县、市、省、国家等层次组成一样。这些不同尺度的层次，又相互非线性作用，又互相制约，形成统一的整体。 3. 这些不同的单元通过相互适应和相互竞争，能自我组织和重新组织。由一个冰晶种子能组织成雪花，空气对流起来能组织起强大的雷雨云、台风和龙卷风，小的断裂能组织起来形成8级地震，在组织过程中似乎还有类似生物体的学习和适应功能。当一个冰晶种子使周围的水汽冻结后，第二层的水汽又按第一层水汽的方式冻结。当对流起来的空气组织起积雨云后仍不下雨，它们似乎又在重新组织，过一段时间又组织成强大的积雨云而形成大雨。 4. 地球系统永远处于不断的展开，不断的变化之中。大的地震、台风、暴雨发生后，它们又在互相调整关系，又使地球处于“临界”状态，不断地通过刮风、下雨、地震来变化形态。 以上4点，我们可以归纳为“无特征尺度性”，“层次性”，“自组织性”和“临界性”。 从学术上讲，由于地球科学的非线性和复杂性必然改变人们过去对地球科学中若干问题的看法： 现在我们知道，“中国海岸线的长度是1.8万公里”这种说法是不正确的。这是因为海岸线是元特征尺度的，大的弯曲是上千公里，小的弯曲仅几厘米，因此量度海岸线的尺子愈小，量出的海岸线的长度愈长。 现在我们也认识到，“现在气候变暖了”的说法是不正确的。这是因为气候是多尺度层次的无特征尺度系统。以北半球1854-1984年共130年的地表月平均气温资料中，就含有百年、十年、年、月四种尺度层次。而每一种尺度上都有冷暖之分，若百年尺度上是暖的，则在十年尺度上可能有暖、也有冷。我们分析表明，从1则年到1984年这种大尺度上看气候是暖的，但在较小的尺度上的1954年到1976年这段时间气候确是偏冷的。因此，我们无法回答1954-1976年气候是暖还是冷？ 我们也早巳知道，大气湍流问题不能提涡旋的个数有多少？因为大气中有大大小小的涡旋，大涡旋中有小涡旋，小涡旋中有更小的涡旋。 由于地球科学中的非线性和复杂性，近20-30年中提出了一些新概念、新观点。1963年气象学家E.N.Lorenz就是在研究天气预报的复杂性中首次提出了混沌（Chaos）概念。1982年数学家B.B.Mandelbrot就是在研究大气湍流的间歇性问题中提出了分形（Fractal）概念。混沌和分形等新概念的提出为解决地球科学中像湍流、气候、天气预报等复杂科学问题提供了有力的新思路。自组织临界性（Self-organized critical）概念的提出，正反映地球上小地震不断发生，总处于临界状态。这种临界状态就好像桌子上有一堆沙子，上面不断有沙子流下，这堆沙子越堆越高，直到不能再高为止。这时沙堆表面的沙粒只是刚好能呆住，上面若有一点点沙粒流到沙堆上，则沙堆不断有沙子流泻下来，就好像发生小地震一样。但是只要有一粒沙子攘落，也许会发生沙堆的大崩塌。然后上面流下的沙子又使沙堆堆积起来，处于临界状态。总之大面积的沙崩很鲜见，但小的沙崩却屡见不鲜。正像小地震天天有，大地震很少一样。最近几年出现的子波变换（Wavelettransform）就是从地震信号分析中提出的。 地球科学中的复杂性和非线性，是和生命科学、经济学、气脑科学息息相通的，成为21世纪的科学难题。17世纪以来，我们对世界的看法是认为世界是简单的、有规律的、确定性的、可预测的。统治了近300年的确定论被20世纪60年代出现的混沌理论冲击了！人们认识到世界也是混乱的、随机的，而且混乱就是系统本身所固有的。 21世纪，一场复杂性的革命就要开始，对世界的认识又如何？复杂的自组织结构哪里来的？也许是，复杂而类似生命的行为是几条简单的，由下而上的规则所导致的结果。正像沙堆一样，一个系统只有正好处在稳定性和流动性之间保持平衡的临界状态（或称为混沌的边缘）时才能产生复杂的类似生命的行为。以下举两个例子； 第一个例子是雪花，云中的过冷水汽处于临界状态，随时都有被冻结的可能。但当中央出现一个冰晶种子时，首先其周围六个邻居水汽最易被冻结。能否冻结的演化规则很简单。若水汽用数字0表示，冰相用数字1表示。由于六个水汽邻居中都以冰晶种子为邻居，所以这六个水汽中的每一个水汽的周围六点的数值和为1（即奇数，二进制的1），此时我们就规定水汽冻结成冰（由0变成1）。若周围六点数值和为偶数（即二进制的0），则该水汽仍为汽相不冻结。每个格点上都按这条简单规则演化，那么一个复杂结构的六角形雪花就形成了。 第二个例子是大型团体操。若参加的人有上万人，每个人随时都在变动处在临界状态，但每个人只和周围几个人认识，他们按照导演规定的动作去做。上万人的每个人只和周围几个人做简单规定的动作，但整体上讲，团体操会出现许多复杂的图案来。 尽管地球科学有许多难题，但像地震、气候却又是当代科学的前沿问题。科学的发展，非线性科学和复杂性科学的发展为解决许多难题提供了机会。我们认为21世纪初地球科学中的难题中能够逐步解决的问题有： 从地震、气候等地球科学的资料中通过子波变换的方法客观地找出它们演化的突变点并回答目前我们这个年代处在演化的什么阶段？由于这种分析不是主观推测而是客观事实，这样就比较客观地分析了造成大的自然灾害，如气候变暖或大的地震的原因。 既然地球科学有许多层次和元特征尺度的特征，那么各种尺度、各个层次是如何相互作用的？各个层次是如何交换信息的？哪怕这个问题只有初步结果，对整个自然科学都将有突破性的意义。 既然地球科学系统的演化是确定性的，但是又出现随机性的结果，总要首先建立起简单的非线性动力学模型，解释地球科学中像气候、地震等非周期演变的机理。 通过计算模拟或数学分析的手段，探讨台风、暴雨、龙卷风、气候、地震的时空结构或pattern，并能动态显示，了解这些结构形成的过程。 湍流的研究既是理论问题又是实际问题，涉及数值天气预报，涉及地一气、海一气等物质、动量、热量、水份交换过程，涉及地球系统中的突发事件和灾害，探讨如何在湍流研究中将确定性和随机性结合起来？探讨湍流交换系数参数化的合理方案。 地球科学中有关地震、气候、灾害的预测方法研究。 地球科学中的非线性和复杂性的认识过程随着科学的发展将不断深化，我们只要从地球科学中迫切的实际问题入手，从全球的整体观着眼，逐步找到非线性、复杂性的共性规律，难题定会逐步解决。  刘式达，江苏省扬州市人，1938 年4月12日生，北京大学教授，博士生导师，中国气象学会副理事长。长期从事大气科学的数学和科研，对大气湍流和混沌，非线性大气动力学做了较为深入的研究。1991年以“非线性大气动力学者平问题研究”的成果获国家自然科学三等奖。 整理不易，欢迎打赏 |
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