初论构造应力-应变系统的复杂性

地球内部构造应力主要集中于岩石圈上层。通过岩石变形的微观机制与宏观表现的研究 ,可以看出 :构造应力应变作用绝不仅仅是一种简单的、线性的力学过程 ,而是多圈层相互作用、受多种物理和化学因素控制的、非线性作用过程。地球构造应力场在不可逆演化过程中是一种具有某种阵发式变化的复杂系统。     

城镇化与生态环境“耦合魔方”的基本概念及框架

城镇化与生态环境耦合系统是人地关系地域系统的重要一环,面对新时代全球尺度的远程联系、时空压缩与社会经济重构,传统的研究框架急需转型和升级。借鉴人地关系地域系统、远程耦合和星球城市化等理论,从复杂性科学视角出发,首先解析了城镇化与生态环境耦合系统的内涵,进而从空间、时间、表象和组织四个维度,提出了一个解释城镇化与生态环境耦合机理的分析框架——“耦合魔方（CHNC）”,并论述了其概念、内涵、演化规律和分析框架：魔方中的系统与系统、系统与要素、要素与要素间通过各种“耦合线”相互联系与作用,形成一个彼此嵌套、相互联系、对立统一的有机整体;魔方的旋转代表了不同地域间城镇化与生态环境的时空非线性耦合作用,系统通过不断能量交换,产生临界相变与整体涌现性,长期处于有序与无序之间的中间状态;“耦合魔方”包括近远程耦合、近远期耦合、组内间耦合和显隐性耦合,共四个维度,八种类型。重点剖析了远程、远期、组间和隐性耦合的科学内涵、研究方法与典型案例,并形成更具普遍意义的人地关系耦合矩阵。“耦合魔方”为揭示城镇化与生态环境耦合系统的演化和机理提供一个更加全面系统的跨学科研究范式,拓展了人地系统耦合研究的分析维度,为面向人类福祉的区域可持续发展政策制定提供科学支撑。     

面轮廓线相似性和复杂性度量及在化简中的应用

本文对同名实体相似性和复杂性进行综合研究,通过抽取多个尺度下的内弦长、外弦长及弧到弦的平均投影长度构造弦特征矩阵,建立了多尺度面轮廓线相似性度量模型。依据边的振动频率及幅度,从凹口比例、凸壳周长相对增量及最小外包圆面积相对增量3个方面建立复杂性度量模型。在验证两类模型正确性和有效性的基础上,分析了不同复杂度目标在不同尺度下相似性变化规律,据此给出基于相似性约束的自动化简的一般流程。试验表明,本文方法可为化简算法设置合理阈值参数,增加化简算法的自动化程度。     

大陆板内地震活动的时空复杂性:地球动力学数值模拟的启示及对地震危险性评估的意义

大陆板内地震活动通常表现为偶发性、丛集和迁移。地震观测数据显示了沿地震带的空间聚集和散布于板内的大部分区域、长期平静后的地震活动时间丛集,以及地震带间的迁移。这里,我们使用三维粘-弹-塑性有限元模型,对板内地震活动时空图像的复杂性进行了探索。模型模拟了动力加载、地震的地壳失稳以及同震和震后的应力演化。对于地壳强度预设随机扰动的横向均匀岩石层,模型预测了不同时间尺度下地震活动不同的时空图像：经过数百年后,空间聚集于窄带和散布于大区域,在数千年后,连成地震带,以及数万年后遍布于模型区域。地震带的方位与动力加载引起的最优失稳方向一致。应力转换和迁移造成地震的时空丛集。当考虑弱化带的影响时,模型预测地震初期在带内活动,之后扩展至远处。如果大震后断层带发生弱化,则在没有强动力加载的条件下,同一断层带也可能再次发生大震。通过简单模型揭示的板内地震活动时空复杂性表明,依赖于有限地震记录的地震危险性评估可能存在偏差,以致于在近代发生过大震的地区高估地震危险性,而在近代少震的地区低估地震危险性。     

地震孕育与发生过程的复杂性、可预测性与不完全确定性——以汶川M_S8.0地震为例

1 地震孕育与发生过程的复杂性 地壳运动与孕震系统是复杂系统,系统内部各部分之间及其与环境之间均存在着复杂的相互作用,呈现出多样性和整体性功能的统一.     

中国航空网络空间结构的复杂性

航空运输是现代交通运输的重要组成部分,以机场和航线构建的网络是其提供运输服务的空间载体。基于复杂网络理论,借助度分布、平均路径长度、簇系数、度度相关性、簇度相关性等指标对以城市为节点的中国航空网络空间结构进行分析,发现其度累计概率分布表现为具有置信度较高的指数分布,且具有较小的平均路径长度(2.23)和较大的簇系数(0.69),整体结构呈现"小世界网络"的特点。由于中国航空网络规模较小,且新建机场倾向于直接与最高级枢纽机场建立航线联系,不利于区域枢纽机场的形成。因而除顶层结构(北京—上海—广州)外,中国航空网络的其它层级结构并不十分明显。从节点的度、簇系数、可达性等指标及其相关性分析,中国航空网络空间结构特征差异明显,表现出较强的集聚性,且可达性与城市体系上层结构在空间分布上较为吻合。随着中国航空运输需求的快速增加,未来航空网络在市场经济的推动下,将进一步表现出向具有"无标度"特征的"小世界网络"演变的趋势,航空网络的空间结构将日趋复杂化。     

古村落生态系统的复杂性分析——以江西省婺源古村落为例

生态系统是复杂有序的层级系统,时间与空间属性是生态系统的基本特征,也是研究生态系统复杂性的两个重要因素。生态系统复杂性在时间与空间维度上的表征方式种类繁多,以江西省婺源古村落生态系统为例,根据古村落生态系统发展演变的历史,总结归纳了几种直观有效的观察分析方法,并通过这些方法展现了生态系统复杂性研究的多层面、多角度特点。研究结果表明,婺源古村落生态系统以人为线性空间、集中式空间和组团型空间类型为主;古村落生态系统的演化是缓慢的、渐变的过程,已经和自然环境达到了高度的统一和协调。     

土地利用系统动态变化模拟研究进展

土地利用/覆被变化与环境要素的动态作用过程自LUCC相关研究计划开展以来一直是重点内容,并且愈来愈受到重视.将土地利用主体的决策过程和环境要素变化过程综合起来研究土地利用系统动态变化,是实现土地自然生态系统与社会经济系统耦合研究的途径与方法.本文在对土地利用系统复杂性分析的基础上,提出目前土地利用系统变化模拟需要解决的基本科学问题,主要包括土地自然环境要素对土地利用主体决策的影响、不同空间尺度土地利用主体及主体间相互作用及在此基础上的区域土地利用动态变化模型研究.土地利用模型是分析土地利用系统结构与功能的有力工具,通过分析土地利用系统模拟研究进展发现国内外真正实现了自然生态系统和社会经济系统综合研究的模型尚不多见.基于主体的土地利用模拟方法综合了土地利用变化中空间变化和主体决策过程,适合于分析土地利用系统变化的空间过程、空间相互作用和多尺度现象.本文在对国际上基于多主体模型进行土地利用系统模拟的相关进展、模拟平台等分析评述的基础上,提出未来我国开展基于多主体模型进行土地利用变化研究的建议.     

北京城市蔓延的测度与分析

针对现阶段我国城市用地快速扩张和无序蔓延的现实问题, 以北京市在1996~2004 年期间的城市扩展作为研究案例, 提出可以从城市扩展形态、扩展效率和外部影响等三个方面来判识城市蔓延现象, 并提出基于地理空间指标体系的城市蔓延测度方法, 主要由涉及人口、经济、土地利用、农业、环境和城市生活等方面的13 项指标所组成。实证分析结果表明, 该方法可以有效地测度和量化研究区城市蔓延的特征: ① 建设用地斑块具有明显的破碎化和不规则化趋势, 缺乏良好的规划控制, 不连续开发、条带式开发和跳跃式开发特征明显, 扩展形态不尽合理; ② 新增建设用地的建设密度和容积率较低, 并且新增用地的人口密度和经济产出水平均低于原有用地绩效, 扩展效率不高; ③ 城市蔓延占用大量的耕地和开敞空间、加重了交通负担, 对农业、环境和城市生活存在显著的负面影响。