Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Нелинейная динамика и моделирование геосистем
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология
Автореферат диссертации по теме "Нелинейная динамика и моделирование геосистем"
На правах рукописи
ЧУПРЫНИН Владимир Иванович
НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОСИСТЕМ
25.00.36 - геоэкология
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
Владивосток - 2004
Работа выполнена в Тихоокеанском институте географии Дальневосточного отделения Российской Академии наук
Официальные оппоненты: доктор географических наук А.Д. Арманд
доктор биологических наук В. В. Суханов
доктор географических наук А.С. Федоровский
Ведущая организация: Институт географии СО РАН (г.Иркутск)
Защита диссертации состоится « 22 » октября 2004 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 005.016.01
по защите ученой степени доктора наук в Тихоокеанском институте географии Дальневосточного отделения Российской Академии Наук по адресу: Россия, 690041, г. Владивосток-41, ул. Радио, д. 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского института географии ДВО РАН
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просьба присылать по адресу: 690041, г. Владивосток-41, ул. Радио, 7. Факс: 8(4232)31-21-59. Ученому секретарю Диссертационного совета
Авторефератразослан «_» июля 2004 г.
Ученый секретарь Диссертационного совета
2005-4 12252
Общая характеристика работы
Актуальность работы. В работе сосредоточено внимание на одном из фундаментальных свойств геосистем (ГС) - их нелинейности, которое является нетрадиционным в географии. В последние десятилетия и, особенно, в последние годы сильно возрос интерес к нелинейным явлениям в различных областях знаний. Достижения современной науки и техники невозможны без прочно вошедших в них нелинейных представлений. На них базируется теория нелинейных колебаний и волн, теория динамических систем, теория катастроф, синергетика, современные представления об эволюции и диссипативных структурах. Работы в этом направлении вызвали в науке настоящую революцию, а в терминологии философов появились выражения "нелинейное мышление" и "нелинейная парадигма". Вместе с тем эти представления пока слабо отражены в географических и геоэкологических работах. Вопрос о нелинейных свойствах ГС в географической литературе обычно не рассматривается. Лишь в последние 10-15 лет начали появляться отдельные работы, в которых уделяется внимание нелинейным свойствам ГС и идеям синергетики в применении к географическим проблемам [Арманд, 1988; Арманд, Ведюшкин. 1989; Арманд, Кайданова, 1999; Зейдис и др., 2001; Поздняков, Черванев, 1990; Шупер, 1995; 2001]. Большая роль этих представлений в других науках обязывает географическое сообщество к основательному обсуждению их роли в географии.
Исследовать динамику ГС невозможно без учета их нелинейных свойств, которые в свою очередь нельзя учесть (и оценить их роль) без создания математических моделей. Исследование динамики ГС в работе проиллюстрировано на разнообразных моделях географических объектов, каждая из которых имеет геоэкологическое приложение.
Цели и задачи работы. Сказанное выше и предопределило основные цели данной диссертационной работы: исследование динамики геосистем и выяснение роли нелинейностей геосистем в их функционировании и решении геоэкологических проблем с использованием методов математического моделирования.
Для достижения целей были поставлены и решены следующие задачи:
Инвентаризировать, систематизировать и обобщить исследования, связанные с нелинейностью ГС, рассмотреть сложности и особенности моделирования нелинейных ГС;
Разработать серию нелинейных математических моделей, моделирующих динамику
ГС;
Создать основу для формулировки актуальных географических проблем нелинейной динамики ГС.
Основные защищаемые положения:
1. Фундаментальное свойство геосистем - нелинейность, в значительной мере определяет в них пространственно-временную изменчивость, явления и процессы, в том числе эволюцию географических объектов. Оно же требует выбора соответствующих методов исследования геосистем.
2. Нелинейные модели позволили исследовать:
автоколебания (в том числе катастрофические процессы) и особенности в эволюции геосистем, связанные с автоколебаниями;
бистабильность ("тундра" - "степь") экосистем Севера;
особенности в изменениях термодинамических характеристик залива при установке приливной электростанции;
"вспышки" саморазогрева в почвогрунтах криолитозоны, сопровождаемые интенсивной эмиссией углекислого газа из почвы в атмосферу.
Методы исследования. В работе как основной использован метод математического моделирования ГС, который опирается на законы сохранения вещества, энергии и т.д., а также эмпирические и полуэмпирические связи между величинами. При решении возникающих математических задач использованы методы численного решения на основе конечно-разностных способов. В отдельных задачах использованы методы с использованием разложений искомых функций в ряды Фурье по пространственным координатам или метод моментов. Кроме того, использовался качественный анализ сущности ряда явлений и процессов, а в гл. 2 - лабораторное моделирование.
Научная новизна исследования. В работе впервые на конкретных моделях и в обобщенной форме исследованы вопросы, связанные с нелинейностью ГС и сформулированы географические проблемы нелинейной динамики ГС. Кроме того, впервые разработаны: математическая модель систем с замкнутыми воздушными или водными потоками, обосновывающая возможность автоколебаний в системе атмосфера-океан; модели ГС, описывающие класс систем с природными разрывными автоколебаниями; модель растительных сообществ, из которой следует бистабильность (триггерность) тундровых экосистем, а также возможные причины переходов "тундра"-"степь"; усредненная по приливному циклу термодинамическая модель морского залива, позволившая оценить возможное влияние приливной электростанции на характеристики
состояния залива; модель деятельного слоя криолитозоны, в которой впервые учтены роль почвенного углерода в биогенном разогреве почвогрунтов Севера и эмиссия углекислого газа из почвы в атмосферу, обусловленные экзотермической реакцией окисления органического вещества.
Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, имеют важное для географии теоретическое и прикладное геоэкологическое значение. Результаты, полученные при разработке моделей морского льда, были использованы в институте физики атмосферы АН СССР (акт о внедрении в ИФА АН СССР. Москва. 1990. пакет программ, авторы Орешко А.П.. Чупрынин В.И.). в научно-исследовательском институте Арктики и Антарктики (акт о внедрении в ААНИИ Госкомгидромета. Ленинград. 1987. пакет программ, авторы Орешко А.П.. Чупрынин В.И.. Карпец В.МЛ. а также в Тихоокеанском институте океанологии при расчетах толщины морского льда в Амурском заливе. Работа по моделированию термодинамических характеристик Тугурского залива выполнена по заказу Гидропроекта в связи с оценкой возможных изменений в заливе при создании приливной электростанции (отчеты за 1989: 1990: акт о внедрении в ИВЭП ДВО АН СССР. Владивосток. 1991. пакет программ и отчет: экологическое обоснование ТЭО проекта Тугурской ПЭС. авторы Орешко А.П.. Чупрынин В.ИУ
Работа, связанная с моделированием почвогрунтов. выходит на такие практически значимые геоэкологические приложения, как биогенный разогрев и деградация почвогрунтов криолитозоны при потеплении климата или антропогенных нагрузках, выявление мощного почвенного источника углекислого газа в криолитозоне. который существенно влияет на концентрацию углекислого газа в атмосфере.
Исследование автоколебаний в ГС, проведенное в работе, выводит на ряд конкретных приложений теории к процессам и явлениям синоптической, сезонной и многолетней изменчивости, а также к природным катастрофам.
Результаты, полученные при исследовании автоколебаний в ГС, использованы при чтении лекций для студентов геофизического и физического факультетов ДВГУ. Экспериментальная установка, моделирующая колебания в системе океан-атмосфера, созданная при участии автора, использовалась в качестве лабораторной работы для студентов геофизического факультета.
Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично в процессе его работы по плановым и инициативным (в том числе по проектам РФФИ) темам. В совместных исследованиях автор был ведущим в разработке моделей, формулировке
математических задач, а также алгоритмов решения задач. Исследования, связанные с нелинейностями в ГС, - авторские разработки.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на: научных семинарах кафедры океанологии ДВГУ (Владивосток, 1968-1980 г); кафедры океанологии МГУ (Москва, 1972); ученых советах и научных конференциях ТИГ ДВО РАН (Владивосток, 1980-1993 г); региональных конференциях в ДВГУ (Владивосток, 1981, 2000, 2001), Всероссийском совещании «Структурная организация и взаимодействие упорядоченных социоприродных систем» в ИКАРП (Биробиджан, 1998); Всесоюзной конференции «Технические средства изучения и освоения океана», (Ленинград, 1978); совещаниях географов Сибири и Дальнего Востока, (Иркутск, 1973, 1986, 1992, 1998, 2000); 2-ом Всесоюзном съезде советских океанологов (Севастополь, 1982); международном симпозиуме «Glaciers-Ocean-Atmosphere Interaction», Ленинград, 1990; 6-ом международном симпозиуме « Okhotsk sea & sea ice», Момбецу, Хоккайдо, Япония, 1981; 4-ом международном междисциплинарном научном симпозиуме (Хабаровск, 1998); международной конференции (IGBP GAIM Conference. Garmisch - Partenkirchen, 1995); международной конференции «Role of the Polar Region in Global Chang», (Fairbanks. Alaska. 1990); международной конференции стран Азиатско-Тихоокеанского региона, (Beijing, 1990); международном совещании рабочей группы «Large-Scale Reforestation», (Oregon State University, Corvallis, 1992).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы. Из них 2 монографии (одна в соавторстве).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 250 наименований. Объем работы составляет 234 страницы, 23 рисунка и 2 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении освещается в целом круг поднимаемых в работе вопросов, формулируются цели, задачи исследования, защищаемые положения.
При решении геоэкологических проблем, приоритетны исследования динамических процессов в ГС, характерные времена изменчивости которых попадают в диапазон от нескольких часов (даже десятков минут) до 100 лет. В этот интервал времени попадают наиболее важные для современной деятельности и условий проживания человека природные процессы. К ним относятся: разнообразные катастрофические явления (снежные лавины, сели, оползни, обвалы горных пород, извержения вулканов, быстрые
подвижки ледников, прорыв плотин, землетрясения и др.); синоптические атмосферные процессы с характерными временами от 3 до 10 суток; сезонные - от 1 месяца до 1 года; процессы, связанные с межгодовой изменчивостью (свыше 1 года до 10 лет); климатические процессы (свыше 10 лет). В последующих разделах работы показано, что перечисленные процессы в значительной степени определяются нелинейностью природных систем. Их изучение имеет геоэкологическое значение и поэтому с той или иной степенью детализации рассмотрены в данном исследовании, в котором большое внимание уделено выяснению причин, позволяющих понять суть процессов и роль в них нелинейностей.
Глава 1. Нелинейность и связанные с ней особенности моделирования геосистем.
В разделе 1.1 даются общие представления о модели и моделировании. Излагается общая структура модельных исследований географических объектов, предполагающая взаимодействие географа со специалистом по моделированию.
Дается понятие нелинейности систем. В самом общем виде такие системы определяются как системы, свойства которых зависят от происходящих в них процессов. Кратко излагаются современные представления о роли нелинейностей в исследовании и функционировании ГС, опирающиеся на результаты исследований в других науках.
В разделе 1.2. рассмотрены представления автора о разнообразных следствиях нелинейностей ГС, иллюстрируемых географическими и геоэкологическими примерами. В них выделены нелинейные эффекты и нелинейные структуры. Обсужден ряд нелинейных эффектов: неустойчивость, обострение и локализация, забывание и запоминание, множественность режимов функционирования, бифуркация, катастрофа (вынужденная, бифуркационная и авто геокатастрофа), взаимовлияние подсистем, эмерджентность, когерентность, самоорганизация, морфогенез, видовое разнообразие, стохастичность (турбулентность, предсказуемость), фрактальность, эволюция.
Опираясь на географические примеры, рассмотрены следующие виды диссипативных структур в ГС: 1) мультистабильные (ладшафтные триггеры [Арманд и др., 1989; 2001], [Зимов, Чупрынин, 1986; 1989; 1991]); 2) неоднородные во времени (автоколебания) [Арманд и др., 1989; 2001; Чупрынин, 1985 и др.]; 3) пространственно-неоднородные [Арманд, 1988; Поздняков, Черванев, 1990; Чупрынин, 1997; 2001]; 4) неоднородные пространственно-временные (автоволны, турбулентность и др., волны в активных возбудимых, автоколебательных и триггерных средах); 5) вынуждено-самоорганизующиеся [Чупрынин, 2001].
В заключение раздела приведены примеры нелинейностей при взаимодействии природы и общества, связанные с существованием нелинейных технических устройств, нелинейных взаимодействий в системе ресурс-потребитель и взаимодействий между ресурсами вследствие техногенных факторов.
В разделе 1.3. рассмотрены особенности и сложности моделирования геосистем, связанные с нелинейностью, в том числе особенности решения нелинейных уравнений, с помощью которых описывается динамика ГС.
Обсуждается вопрос о пространственно-временных масштабах географических объектов, выделение которых при моделировании усложняется в связи с нелинейностью ГС. Любая ГС обладает своим спектром естественной пространственно-временной изменчивости характеристик реальной системы. Модель, как правило, не воспроизводит весь спектр. Причины здесь следующие. Во-первых, модели часто ориентированы на исследование какого-либо явления, эффекта или на прогноз определенных характеристик в системе. Во-вторых, и это главное, численное моделирование не позволяет в обозримом будущем воспроизводить весь спектр изменчивости, ввиду ограниченных возможностей моделей, вычислительной техники и методов расчета.
Из-за нелинейности уравнений, описывающих разномасштабные процессы, все пространственные и временные масштабы изменений характеристик "сцеплены", т.е. влияют друг на друга, и простое отбрасывание определенных масштабов приводит, к искаженной модели. В результате возникает проблема выделения географических масштабов из спектра процессов, в том числе выделения "минимум-ареалов". Рассматривается один из возможных выходов из данной ситуации, который был заложен при исследовании турбулентности. Речь идет об усреднении уравнений, с некоторыми пространственным и временным масштабами усреднения. При таком усреднении все процессы с масштабами меньшими необходимых явно не описываются, но эффект от их воздействия пытаются сохранить. Такую процедуру называют параметризацией мелкомасштабных процессов. Взаимодействие мелкомасштабных (негеографических) процессов с осредненным (географическим) движением учитывается в уравнениях добавочными членами. Проблема параметризации существенно усложняет задачу моделирования.
В разделе 1.4. произведена типизация нелинейностей наиболее часто встречающихся в моделях динамики ГС, отражающая физическое содержание нелинейности. Выделены следующие типы: источниковая (отражает нелинейность источников энергии или вещества); межмодовая (возникает при наличии двух или более взаимодействующих мод
или видов растительности, животных и т.д.); диффузионная (если, например, коэффициент теплопроводности среды зависит от температуры и/или от ее производных); инерционная (если коэффициент при производной по времени в дифференциальном уравнении зависит от переменной, определяющей динамику ГС); конвективная (если скорость движения среды зависит от ее интенсивных внутренних термодинамических параметров, например, от температуры и/или от ее производных); межфазная (возникает при наличии границ раздела фаз, например: подвижных границ, разделяющих мерзлые и талые слои в арктических почвогрунтах; при нелинейном обмене энергией и веществом между слоями, например, электромагнитном излучении энергии с поверхности суши согласно закону Стефана-Больцмана); нелинейность переключения (возникает в задачах, где рассматриваемая динамика системы на разных промежутках времени качественно различна и при моделировании используются различные системы уравнений).
В последующих четырех главах представлены разработанные самостоятельно или под руководством автора модели, которые дают примеры различных нелинейных ГС и иллюстрируют разнообразные следствия нелинейности систем, в том числе и явления, связанные с эволюцией и переходными процессами. Эти модели позволяют оценить сложность исследований в данном направлении и показывают зависимость явлений и процессов от типа нелинейности. В целом они свидетельствуют, что только при учете нелинейностей можно воспроизвести важные явления и процессы в ГС, не обнаруживаемые в линейных моделях. Разработка такого рода нелинейных моделей разнообразных ГС создает предпосылки для дальнейших обобщений применительно к географическим системам. Именно на их подготовку и разработку общей теории направлены сформулированные в гл.6 актуальные проблемы нелинейной динамики ГС.
Глава 2. Автоколебания в геосистемах и связанные с ними катастрофы и другие
явления
В природе и обществе широко распространены автоколебания, которые генерируются нелинейными системами. Им и посвящена данная глава.
В разделе 2.1 приведены обобщенные сведения об автоколебаниях в разнообразных природных и технических системах. Рассмотрены различные типы автоколебательных систем (АС).
В разделе 2.2. "Автоколебательные процессы в моделях систем с замкнутыми водными и воздушными потоками" представлены исследования автора, посвященные созданию серии моделей систем, элементарный нелинейный {конвективная нелинейность)
механизм возбуждения автоколебаний в которых оказался аналогичным и связанным с зависимостью скорости потоков от градиентов температуры в замкнутых потоках.
Первая модель направлена на исследование многолетней изменчивости гидрометеорологических характеристик в океане и атмосфере. При выяснении ее причин автор пришел к выводу о том, что она наиболее вероятно связана с процессами в океане, так как время адаптации атмосферы к внешним возмущениям составляет несколько месяцев, а инерционные характеристики океана допускают возникновение многолетних колебаний. Здесь имеется ряд гипотез. На основе их анализа, автор предпочел гипотезу, предложенную А.И. Дуваниным (1968) для северной части Атлантического океана, а затем распространенную В.И. Киньдюшевым (1972) на северную часть Тихого океана. В гипотезе механизм автоколебаний в самом общем виде можно представить следующим образом.
Если в океаническом круговороте возникло температурное возмущение, то, перемещаясь вдоль круговорота, оно изменяет тепловые потоки между океаном и атмосферой, которые влияют на тепловое и динамическое состояние атмосферы. Это приводит к усилению или ослаблению атмосферной циркуляции над океаном. Последнее отражается на интенсивности океанских течений круговорота и переносе тепла из одних районов океана в другие. Неодинаковый в различных районах баланс тепла на поверхности океана в сочетании с изменившейся скоростью течений приводит к появлению "новых" температурных возмущений или, точнее, подпитыванию "старых". Далее описанный цикл повторяется. Повторение заложено в замкнутости течений круговорота.
Имея в виду относительную изолированность океанских круговоротов относительно других частей океана по физическим, химическим и биологическим характеристикам, их можно рассматривать как самостоятельные природные ГС.
Для оценки гипотезы автором реализовано два подхода. В первом подходе применено математическое моделирование. В модели при определении температуры воды в океаническом круговороте T(s,t) (где s - пространственная координата, отсчитываемая по течению от самой южной части субтропического антициклонического круговорота, t -время), используется уравнение теплопроводности для движущейся среды. Температура и скорость движения воды u(t) представлены в виде суммы T(s)=To(s)+Ti(s,t)> U=li0+Ui(t), где и - средние стационарные климатические значения температуры и скорости движения воды в круговороте, - отклонения от климатических значений.
Величины To(s) и Ti(s,t)i удовлетворяют уравнениям
ио
Это.к
1+Я(8), -гг+и--1 = К,
-щ-
Эв "5 Э52 """ Й " Э5 Э52 дз '
где - коэффициент горизонтальной турбулентной теплопроводности, - среднее
многолетнее распределение источников тепла вдоль круговорота, определяемое балансом тепла на поверхности воды. В первом приближении q=qocos(kls), где к1=2л/Ь, Ь - длина круговорота.
Уравнение, отражающее зависимость скорости потока воды от горизонтальных градиентов температуры, которое учитывает динамическое взаимодействие атмосферы и
океана, имеет вид
1
/ Т^--
1
- коэффициент,
81 -81 Ч" 52'
характеризующий вязкое трение. Интегралы берутся по области теплого и холодного (вг) течений.
Сделаны оценки коэффициентов в уравнениях для условий круговоротов Тихого и Атлантического океанов. Получены теоретические условия, определяющие знак температурного возмущения (аномалии) в любой точке круговорота, которые подтверждается многочисленными наблюдениями в Тихом и Атлантическом океанах. Основной вклад в аномалии температуры вносят течения, которые имеют значительную меридиональную компоненту скорости течения и пересекают изотермы под углом близким к 90°. К ним относятся Гольфстрим, Куросио, Канарское и Калифорнийское течения.
Возмущение температуры представлено в виде набора волн с переменными во времени амплитудами и фазовыми скоростями определяются из
условия постоянства фазы волны. Исследование общих свойств системы показало, что в возникновении автоколебаний главную роль играет первая гармоника (с периодом т). Из анализа нелинейных уравнений для амплитуд, фаз температурных волн и скорости потока при следует три важных результата: а) возможность роста амплитуды
малого начального температурного возмущения, т.е. неустойчивость климатического состояния равновесия, а затем перехода в режим автоколебаний; б) несовпадение скорости жидкости и скорости распространения температурного возмущения; в) наличие в колебаниях амплитуды температурного возмущения и его фазовой скорости двух периодов и тогда как скорость и колеблется с периодом Суть этих эффектов подробно раскрыта в работах автора (Чупрынин, 1980; 1986).
В Тихоокеанском субтропическом круговороте период колебаний температурных возмущений 1=5 лет и оказывается меньше времени обращения частиц воды в круговороте Tog (Toj=Uo/L>T=C/L) примерно на четверть. Амплитуда колебаний температурных возмущений может принимать значения от нескольких до 10°С, что не противоречит наблюдаемым значениям.
Полученные результаты хорошо согласуются с гипотезой А.И. Дуванина. Но имеется недостаток, присущий всем гипотезам: в них совершенно не затрагивается вопрос о нелинейных ограничителях, которые и создают возможность выхода на стационарный колебательный режим.
Второй подход - лабораторное моделирование, позволяющее однозначно решить вопрос о принципиальной возможности возникновения автоколебаний в рассматриваемой системе. Использовалось несколько разных установок.
Кольцевой сосуд. Установка представляет собой горизонтальный кольцевой сосуд, заполненный водой. Над водой крыльчаткой создается воздушный поток, приводящий в движение воду. В диаметрально противоположных сторонах кольца расположены нагреватель и холодильник, имитирующие нагрев и охлаждение в южной и северной частях круговорота. Разность температур между зонами теплого и холодного течений, преобразованная в электрический сигнал, регулирует число оборотов электродвигателя, на валу которого установлена крыльчатка. Она изменяет скорость воздушного потока и, соответственно, - скорость воды в кольце и.
Испытанием установки в различных режимах установлено, что при определенных условиях в ней возникают автоколебания с периодом соответствующие исходной гипотезе. В колебаниях температуры и скорости воды обнаружен период а в колебаниях температуры - еще и
Два сопряженных цилиндрических сосуда. Исследована система, соответствующая ГС, охватывающей два связанных океанических круговорота. В ней сочленяются субтропический антициклональный круговорот и сопряженный с ним северный циклонический круговорот. При этом удается моделировать разделяющую круговороты фронтальную зону. В модели сочленены два цилиндрических сосуда (соотношение их радиусов, как и в природе, равно 0,7). Над каждой из частей такого сосуда установлены крыльчатки. Преобразование сигнала датчиков температуры во вращение крыльчаток осуществляется так же, как и в предыдущей установке. Исследована структура течений в такой модели и найдены автоколебательные режимы. Обнаружено, что взаимосвязанность
круговоротов может способствовать поддержке автоколебаний. Заметим, что исследованные в модели крупномасштабные аномалии температуры, согласно Дж. Бьеркнесу (1969), могут порождать такие крупные экологические катастрофы, как явление Эль-Ниньо.
Синоптическая и сезонная изменчивость. Цилиндрический сосуд (полностью моделируется антициклонический круговорот). Здесь обнаружен еще один тип колебаний
причем его удается наблюдать одновременно с колебаниями периода Автор предположил, что эти колебания являются следствием нелинейной обратной связи, которая определяется свойствами жидкости, а не создается с помощью электронного устройства. Для ее проверки это устройство отключалось, а крыльчатка вращалась с постоянной скоростью. Здесь обнаружены и детально исследованы колебания с двумя разными периодами и Все исследованные колебания температуры проявляются в виде возмущений, движущихся с переменной скоростью вдоль основного потока воды в круговороте. Выяснено, что эти колебания по своей природе подобны колебаниям с электронной обратной связью, хотя оказываются более сложными ввиду их трехмерности.
Обнаружена аналогия колебаний в данной модели с термобарическими сейшами в атмосфере и колебаниями скорости в зональных потоках атмосферы, изучавшимися академиком В.В. Шулейкиным (1968). Такие сейши с периодами 6-8 суток наблюдаются в переходные сезоны и относятся к синоптической изменчивости атмосферы. Детальное сопоставление показало сходство этих колебаний по всем параметрам и тем самым впервые получено экспериментальное подтверждение гипотезы В.В. Шулейкина об автоколебательной природе термобарических сейш.
В модели исследовались переходные процессы. Например, переключение лабораторной модели из режима с относительно низкой скоростью задаваемого вращения в режим более высоких скоростей сопровождается переходным процессом с появлением высокочастотных колебаний, имеющих период Обратный переход к низким скоростям происходит без появления высокочастотных колебаний. Колебания в переходном режиме, возникают в результате развития аналога четырехполюсных термобарических сейш (вторая гармоника), наблюдаемых в атмосфере, имеющих периоды около 3-4 суток.
В.В. Шулейкин, рассматривая возможную причину возникновения в атмосфере колебаний скорости ветра с периодом 72-73 суток, связывает ее с существованием в северном полушарии воздушных зональных потоков. Он полагает, что при наличии океанов и материков, являющихся своего рода нагревателями и холодильниками, в таких
потоках могут возникать автоколебания. Описанная выше лабораторная установка рассматривается как качественная модель данного явления. Данная аналогия не является случайной и указывает на то, что самовозбуждающиеся колебания в воздушных зональных потоках следует рассматривать как разновидность термобарических сейш.
Результаты лабораторных экспериментов автора инициировали теоретические исследования в этом направлении. Разработаны математические модели для двух связанных круговоротов [Волков, 1980] и для цилиндрического сосуда [Касьянов, 1984]. Они в основном подтвердили результаты лабораторных экспериментов, но СЮ. Касьянову не удалость воспроизвести колебания с периодом
В развитие полученных результатов автором с помощью математической модели исследованы конвективные колебания жидкости в вертикально расположенном замкнутом потоке (Чупрынин, 1979; 1986). Для описания термической конвекции в кольце использованы уравнения гидродинамики в приближении Буссинеска. Оказалось, что модель и колебательные процессы в ней близки к знаменитой модели Э. Лоренца (1961), в которой впервые был обнаружен необычный странный аттрактор и хаотические колебания. Для этой модели, а фактически и для модели Лоренца, автор объяснил причину возникновения и развития колебаний.
Показано, что механизм возбуждения колебаний в математической и лабораторных моделях одинаков (с некоторыми модификациями) и обусловлен нелинейной обратной связью (определяемой зависимостью скорости потока от поля температуры). В потоке жидкости возникает температурная волна, амплитуда которой возрастает (неустойчивость) вследствие распространения ее с переменной скоростью относительно тепловых источников. Рост ограничивается действием диссипативных процессов. Данная серия моделей иллюстрирует нелинейные системы (конвективная нелинейность), в которых течения выполняют функцию регулятора с обратной связью, о чем ранее говорил А.С. Монин(1972).
В разделе 2.3. "Модель геосистем с разрывными автоколебаниями" представлена обобщенная энергетическая модель автоколебательных ГС разрывного типа, опирающаяся на множество примеров, рассмотренных автором в статьях и монографии (Чупрынин, 1984, 1985). Разрывными эти колебания названы ввиду скачкообразного (разрывного) изменения переменных величин в определенных фазах колебаний. Такая особенность этих колебаний связана с сильной нелинейностью (нелинейность переключения) ГС разрывного типа.
Периодическое движение в системе осуществляется за счет запасания в накопителе энергии, подводимой от источника энергии (стадия накопления) и последующего выхода энергии из накопителя (стадия разрядки) в приемник. В книге автора (Чупрынин, 1985) показано, насколько разнообразны природные автоколебательные ГС разрывного типа, но вместе с тем хорошо видны и общие черты в их принципе действия. К ним относятся: колебания в перемежающемся источнике с сифонным механизмом, которые возникают при движении подземных вод; конвективные пробои, временные масштабы которых могут быть от секунд до тысячелетий (их следствием могут быть и плюмы); фрикционные колебания (проявляющиеся в виде землетрясений); возникновение айсбергов, торосов и наледей; возникновение и прорыв ледовых плотин; колебания при действии склоновых процессов (снежные лавины, сели, обвалы, оползни, пульсации ледников и т.д.); пульсации ледниковых покровов; извержения гейзеров и вулканов. Ряд других примеров и моделей детально рассмотрено в книге. Автором установлено, что, несмотря на различие физических процессов, происходящих в каждом их приведенных примеров, качественно механизм возникновения колебаний оказывается аналогичным, что позволяет построить обобщенную модель таких ГС. Очевидно, что исследование и разработка моделей подобных ГС является актуальными для географии и геоэкологии, особенно в связи с катастрофическими явлениями. Широкий диапазон наблюдаемых перибдов и амплитуд разрывных автоколебаний, в ГС разрывного типа, свидетельствует о разностороннем и существенном их влиянии (и связанных с ними катастрофических явлений) на пространственно-временную изменчивость географических процессов.
Рассмотрены обмен энергией, веществом и условия возникновения автоколебаний в системах разрывного типа. Сформулированы модельные уравнения, описывающие энергетику системы: где точка над
символом - дифференцирование по времени, и - запасы энергии в накопителе
системы, источнике и приемнике, - скорость подвода энергии от источника к накопителю; - скорость выхода энергии из накопителя за счет процессов, не связанных с обменом энергией накопителя и приемника на стадии разрядки; - скорость выхода энергии из накопителя в другую подсистему (приемник) на стадии разрядки, суммарная скорость притока энергии к источнику, обусловленная внешними по отношению к автоколебательной системе факторами; - скорость отвода энергии из приемника во внешнюю среду.
Функция SgnË характерна для всех ГС разрывного типа. Она отражает наличие нелинейности (нелинейного регулятора или клапана), которая осуществляет
переключение процессов в системе с одной стадии на другую. Переключение уравнения со стадии накопления энергии (где на стадию разрядки при
происходит при а со стадии разрядки на стадию накопления - при
и - некоторые предельные значения энергии, при которых происходит скачкообразное изменение процессов в системе, причем Величины и зависят от свойств
регулирующего устройства.
В модели существует два пороговых значения скорости подвода энергии и
выделяются две области: с очень слабым и очень интенсивным
перемещением энергии (и вещества) в системе, где разрывные автоколебания отсутствуют. В области возникают автоколебания.
Предложена модель АС разрывного типа иной структуры, где клапан регулирует скорость подвода энергии к накопителю, а не скорость ее выхода в приемник. В отличие от предыдущей системы, здесь имеется всего одно пороговое значение при
превышении которого возникает режим разрывных автоколебаний.
Опираясь на рассмотренные системы, можно исследовать более сложные системы, например, с двумя регуляторами (до и после накопителя), с различными значениями предельных значений энергий Возникающие при этом колебания могут быть
весьма сложными.
Разрывные колебания наиболее ярко проявляются в процессах, связанных с перераспределением вещества Земли по вертикали. Существуют энергетические факторы, оказывающие дестабилизирующее воздействие на структуру планеты: подогрев атмосферы притоками тепла от подстилающей поверхности, охлаждение поверхности водоемов при теплообмене с атмосферой, испарение воды с поверхности водоемов и осолонение верхнего слоя океана при испарении, геотермический поток тепла к океану от дна, гравитационный и радиогенный разогрев внутренних слоев Земли. Возникающая вследствие этого неустойчивость ведет к перераспределению вещества и энергии внутри геосфер и между ними. Именно наличие неустойчивости приводит к возникновению автоколебаний, наиболее ярко проявляющихся в обменных процессах внутри и между геосферами.
Это подтверждает множество примеров. Испарение воды с поверхности водоемов приводит к образованию облачности, которая по достижении критических значений некоторых характеристик (размеров, водности) дает осадки, выпадающие на поверхность Земли. Циклы образования облачности до критического состояния с последующим
выпадением осадков имеют отчетливо выраженные признаки разрывных колебаний. Жидкие или твердые осадки вследствие расчлененности рельефа могут накапливаться и создавать области потенциальной неустойчивости, которая при определенных условиях может ликвидироваться в форме разрывных колебаний (возникновение снежных лавин и айсбергов, пульсации ледников, возникновение и прорыв ледовых плотин и т.д.).
Обсуждаются вопросы о влиянии на автоколебательные ГС разрывного типа внешних, переменных во времени воздействий и взаимодействия между автоколебательными ГС. Взаимодействие может осуществляться, например, через связи источник-источник, накопитель-накопитель, приемник-приемник. Имеются свидетельства о наличии такого взаимодействия АС, расположенных рядом или в цепочке, где приемник предыдущей системы является источником для последующей. Такая цепочка, начиная с цикла образования облачности, приведена выше. В применении к ГС теоретические разработки этого плана пока отсутствуют.
Особенностью автоколебательных ГС разрывного типа является изменение со временем свойств систем и существование у них характерного времени жизни, т.е. времени существования как автоколебательной. Рассмотрены возможные причины этого.
Исследования автора далеко не исчерпывают подлинное множество ГС и типов их действия, работающих в режиме разрывных автоколебаний. Их дальнейшее изучение представляется актуальным для понимания причин нестационарности природных процессов и, прежде всего, природных катастрофических явлений.
В разделе 2.4. "Эволюционные аспекты, связанные с автоколебательными системами" исследовано влияние АС на изменения во времени характеристик общества и природы по длительности значительно превышающей периоды автоколебаний
Рассматривается взаимодействие АС с системами, в которые она погружена, и связанное с этим постепенное изменение параметров АС. За характерное время Т,»Т ее параметры и характеристики взаимодействия могут измениться настолько, что в определенный момент ситуация резко меняется, происходит бифуркация, в результате которой возникает новый режим работы АС - в ней резко меняется тип и частотный спектр генерируемых автоколебаний либо автоколебания совсем исчезают, либо, наоборот, появляются. Наступает новый эволюционный этап, который заканчивается очередной бифуркацией и т.д. Подобные процессы наблюдаются в природе и обществе.
Исследованы эволюционные процессы при наличии множества АС, в результате которых могут порождаться новые более масштабные пространственно-временные
структуры и изменяться сами АС. Приводятся примеры таких процессов, связанных, в частности, с взаимодействием множества технических АС и общества, приводящих к возникновению новых АС и развитию общества. Схема их совместной эволюции такова. Появление множества однотипных технических АС приводит к более интенсивному развитию общества, что создает условия для возникновения множества АС других типов, а это еще более интенсифицирует эволюционные процессы в обществе, расширяет область (территорию) его обитания и т.д.
Автором предложена общая картина поэтапной эволюции природы или общества. В ней совмещены представления о разрывных автоколебаниях, точках бифуркации в моменты разрывов (скачков) и введена бифуркационная зона - зона выбора варианта дальнейшего развития.
Глава 3. Моделирование растительных сообществ тундры
В истории развития ландшафтов Северо-Востока Азии существовало два типа растительных сообществ. Для голоцена характерно развитие моховых сообществ и переувлажненность территории, а в позднем плейстоцене поверхность, вероятно, была менее увлажнена, и растительные сообщества обеспечивали существование популяций крупных травоядных. Условия, при которых в высоких широтах существовали высокопродуктивные пасбищные экосистемы, и причины, вызвавшие перестройку ландшафтов, - предмет давней дискуссии. А.С. Зимов, проанализировав эти причины, пришел к выводу о возможности возникновения и функционирования в одних и тех же внешних условиях одного из двух устойчивых природных состояний (состояние с преобладанием моховой растительности условно назовем "тундрой", а с преобладанием трав - "степью"), полярно отличающихся по типу биокруговорота и средоформирующей деятельности. Для конкретных оценок и проверки сценариев автором совместно с А.С. Зимовым разработана модель, описывающая триггерную ГС.
Формулировка модели. Из модели исключаются сезонные и многолетние вариации биомассы и климата, т.е. полагается, что произведено усреднение по климатическому масштабу времени.
В работе представлена упрощенная модель [Зимов, Чупрынин, 1991], где все растительные виды разделены на три группы: "мхи", "травы", "деревья". По своим функциональным особенностям и стратегии конкурентной борьбы они принципиально отличаются. Основная часть биомассы растительности нашей планеты укладывается в эти три градации. Для их описания введены уравнения сохранения биомассы сообщества:
<1т;/(Й=(а;-р1-Ь|- Я|-е1Ш2)Ш;, 1=1,2,3, П1;>0, (3.1)
к^=1при1=^ (3.2)
где пи, Ш2, и тз - биомассы мхов, трав и деревьев и кустарников на единицу поверхности, коэффициенты определяют соответствующие скорости прироста биомассы за счет фотосинтеза, связанные с ассимиляцией массы углерода из атмосферы (брутто продуктивность), коэффициенты - затраты на дыхание (функционирование сообщества), коэффициенты - скорости естественного отмирания растений в результате сезонных циклов и старения тканей, - отчуждение биомассы пожарами, эрозией и т.д. отчуждение травоядными, - параметр, зависящий от степени утилизации травоядными травы, высоты снега, активности охотничьего пресса, "агрессивности" животных по отношению ко мхам и деревьям и их способности противостоять этой агрессии. Принимается, что отчуждение биомассы травоядными пропорционально биомассе травоядных, которое, в свою очередь, пропорционально массе кормов (трав), т.е. полагается, что мхи и деревья кормовой ценности не представляют.
Считается, что растения влияют друг на друга через использование общего лимитирующего ресурса V, поставляемого в единицу времени на единицу площади. В формуле (3.2) и=У/р, р - удельный расход влаги на единицу массы ассимилируемого углерода. Коэффициенты зависят от обеспеченности фотосинтеза необходимыми ресурсами, такими как свет, вода, минеральные вещества, При росте биомассы
количество неиспользованного ресурса уменьшается и соответственно коэффициент а; уменьшается, стремясь к нулю при т;—При малой биомассе сообщества (щ—>0) величина гц стремится к максимально возможной величине а;—>ащ.
Растительное сообщество можно представить как объемный фильтр, который перехватывает и поглощает поток ресурса. Свет поглощается кронами, влага - корневой системой. В формулах (3.2) это учтено введением в рассмотрение ресурса и перехвата ресурса другими видами (члены, содержащие коэффициенты перехвата
Величина - поток ресурса, который поступает в распоряжение данного вида
после того, как пройдет через "фильтр" конкурентов.
Полагается, что усредненные по пространству и характерному масштабу времени соотношения между массой тканей стволов, листьев и корней для каждого вида
постоянны и не зависят от биомассы этого вида. Поэтому, для каждого вида величины р, и приняты постоянными.
В аридном климате при рассмотрении процессов на больших временных интервалах в качестве лимитирующего фактора принимаются атмосферные осадки Тогда V~h при К[Д>1, где h - количество атмосферных осадков в единицу времени, Я^Н/Ъ, R -радиационный баланс, L - удельная теплота парообразования. Величина Иь - толщина слоя воды, который испарится при затратах количества энергии на единицу площади R.
В гумидном климате лимитирующий ресурс - поток фотоактивной радиации. Он пропорционален величине радиационного баланса R, которая в данном случае и считается лимитирующим ресурсом. Таким образом,
^ если 1^/11^:1'
Известно, что брутто продуктивность растений пропорциональна транспирации. Ей пропорциональны поглощение транспорт минеральных веществ. Поэтому
максимально возможная продуктивность, сколько бы ни увеличивалась биомасса, не может превышать величины где Е - максимально возможная транспирация. Поэтому полагается V=E. В реальных условиях максимально возможная транспирация Е всегда меньше максимально возможного испарения Поэтому где
коэффициент есть показатель приспособленности сообщества (вида) к данному климату.
Таким образом, в аридном климате Ео=Ь, в гумидном Ео=Кь [Будыко, 1984]. Поэтому
[Ь, если Б;ь/1г>1
Ео=
- если Нь/11<1
Полагается, что на длительных отрезках времени обеспеченность растений и
биогенами не зависит от массы сообщества. Обеспеченность сообщества биогенами и а также влияние температурного режима на фотосинтез учтены в коэффициентах
Представим их в виде - удельная брутто продуктивность при
идеальных условиях минерального питания, на идеальном субстрате, - поправка на обеспеченность растений минеральными элементами. Величина ге зависит от содержания доступных минеральных элементов в почвенном профиле (^ и от потребности растений в них При низком содержании биогенов они лимитируют фотосинтез. При
высоком же значении N величина X приближается к единице. Это учтено в формуле ге=1 ехр(-1ЧЛ).
Величина N зависит от множества факторов, в том числе от климатических, определяющих влажность и температуру почвы. Принято - коэффициент,
зависящий от гранулометрического состава грунтов, активности внешнего привноса биогенов; W - параметр, зависящий от климатических факторов.
На основе эмпирических данных определены параметры а^щ, Ь,, £, Хи к^, ег, еь ез. При определении коэффициентов учитывалось, что, например, при конкуренции за свет мох не может отобрать свет у деревьев, и поэтому При
конкуренции за осадки, наоборот, мох первым встречает поток влаги, деревья ему конкуренцию не составляют, поэтому здесь . Корням же деревьев достается то,
что мхи в себя не впитали.
Результаты моделирования. Система уравнений (4.1), (4.2) нелинейна (источниковая и межмодовая нелинейность) и при Сг=0 имеет восемь состояний равновесия: 1) Ш1=ут2=тз=0; 2) Ш1=Ш2=0, тз*0; 3) Ш1=тз=0, у?Ю; 4) тг=тз=0, х^О; 5) Ш1=0, т2#0, т3*0; 6) т2=0, т^О, т3*0; 7) т3=0, т^О, т2*0; 8) т1#0,т2*0, т3*0. Эти состояния в зависимости от выбранных параметров могут быть устойчивыми или неустойчивыми. Устойчивые состояния растительного покрова рассчитывались для различных почвенных условий при различных значениях определенных по
картам радиационного баланса и сумм годовых осадков.
Результаты расчетов устойчивых состояний в узлах 5-градусной сетки координат представлены на карте реального пространства Земли. Результаты получены для условий отсутствия внешнего отчуждения биомассы при максимуме осадков в теплый период и высоких пасбищных нагрузках (низком охотничьем прессе).
В целом, в диапазоне вариаций рассчитанные характеристики
растительности соответствует реальной, отраженной на мелкомасштабных картах. Значение коэффициента в первом приближении соответствует ландшафтам с
"песчаными" почвами (при отсутствии активного внешнего поступления биогенов), а ц=1.3 - "суглинистым" (интенсивный привнос биогенов). Два устойчивых состояния растительности отмечаются только в пределах "Большой Берингии" и на "песках" Средней Азии.
Расчеты показывают, что растительность очень чутко реагирует на свойства минерального субстрата: при низких значениях ("голые скалы", "щебень") растительный покров представлен мхами и лишайниками. При росте плодородия вначале на юге, в зоне оптимального увлажнения, появляются деревья, а затем на юге в аридной - травы.
Дальнейший рост плодородия приводит к расширению трав на всю аридную зону, что одновременно сопровождается смещением деревьев к северу и в гумидную зону. Однако в дальнейшем, сколько бы не увеличивать плодородие, травы в гумидную зону глубоко не проникают. Исключение - северные регионы. Относительно устойчивы при очень сухом климате на севере мхи. При высоком плодородии они здесь не доминируют.
Реакция экосистем на изменения пастбищных нагрузок (охотничьего пресса) в диапазоне сравнима с реакцией на изменение плодородия в диапазоне
Увеличение пастбищных нагрузок (искусственное поддержание травоядных) не способно глубоко продвинуть луга в гумидную зону. На бедных же почвах (песках), даже в отсутствие охотничьего пресса (высокие пасбищные нагрузки), леса глубоко проникают в аридную зону. Вытеснить леса в гумидной зоне удается лишь при активном внешнем отчуждении биомассы. Это - частые снежные лавины, пожары, рубки и сенокошение. На Севере чистые травянистые сообщества более вероятны в районах с хорошей влагообеспеченностью. В аридной же зоне травы соседствуют со мхами (лишайниками).
На основе модели рассмотрена проблема "степей" Севера. Из нее следует, что в пределах Большой Берингии климатические изменения - не единственный фактор, определяющий их существование. На бедных почвах при отсутствии крупных травоядных изменение количества осадков не способно вызвать появление "степей". Они появляются лишь при значительном увеличении радиационного баланса. В Большой Берингии при обилии травоядных и активном привносе биогенов травы доминируют повсеместно в широком диапазоне радиационного индекса сухости. При недостатке же биогенеза возможна как "степь", так и "тундра".
Переход из "степи" в "тундру" можно связать с климатическими изменениями. Из результатов моделирования следует, что для Большой Берингии наиболее результативным будет значительное увеличение количества осадков, причем в виде кратковременной флуктуации (первые сотни лет). Другой фактор, способный в отсутствие внешнего привноса биогенов перевести модель в состояние "тундра", - исчезновение крупных животных.
Предложенная модель позволяет рассмотреть динамику растительных сообществ. Она рассмотрена для двух районов Берингии при условии неизменного климата, но при изменениях активности привноса биогенов и пастбищных нагрузок (охотничьего пресса). Из расчетов следует, что в "позднем плейстоцене" при активном внешнем привносе биогенов и высокой численности травоядных везде доминируют травы. При прекращении внешнего привноса биогенов и исчезновении крупных травоядных травы полностью или
частично вытесняются мхами и древесно-кустарниковыми видами. При дополнительном внесении биогенов и реакклиматизации животных система вновь быстро переходит в травянистое состояние. После этого травы доминируют, даже если прекратится дополнительный привнос биогенов.
Глава 4. Модель морской природно-техногенной геосистемы
Создание приливных электростанций (ПЭС) - перспективное направление извлечения природных энергетических ресурсов. В экологическом отношении этот способ добычи энергии один из наиболее чистых. Вместе с тем необходима оценка экологических последствий создания ПЭС, тем более что опыт их использования в мире пока еще незначителен. В последнее десятилетие существования СССР интенсивно начались проектные работы по использованию приливных ресурсов на Дальнем Востоке, прежде всего в наиболее перспективном районе - Охотском море. К сожалению, все разработанные для этого района проекты ПЭС не были осуществлены, так как в связи с распадом СССР финансирование подобных проектов прекращено. Автор настоящей работы участвовал в оценке последствий создания ПЭС, проектировавшейся в Тугурском заливе Охотского моря. Такие оценки существенно усложнены в связи с наличием в заливе сезонного морского льда.
Основная цель моделирования - оценка изменений в термодинамическом состоянии залива после создания ПЭС. Это необходимо для дальнейших экологических оценок, связанных с химико-биологическими процессами в заливе. Под руководством автора разработана математическая модель, позволяющая оценивать изменения состояния воды и характеристики ледяного морского покрова. Модель основана на законах сохранения вещества и энергии. В ней учтен тепломассообмен между водой и ледяным массивом внутри отсеченной плотиной ПЭС части залива, а также между этой частью и внешней средой (тепловлагообмен с атмосферой, приливной обмен с морем, сток рек). Модель содержит ряд нелинейностей: переключения; межфазные (используемая в модели задача Стефана, относится к классу нелинейных) и источниковые.
Модель имеет более широкое применение для тех случаев, когда искусственное вмешательство в природную среду изменяет приливной тепломассообмен между заливом и морем, влияющий на изменение сезонных и климатических термодинамических характеристик залива. Их изменение влияет на экологическую ситуацию в заливе, оценка которой необходима при проектировании любых видов гидротехнических работ. В задачах такого рода наибольший интерес представляет долговременная реакция на
гидротехнический фактор, составляющая величину порядка нескольких десятков лет и более. В этом случае полное решение задачи с двумя явно выделяющимися характерными временами (суточным приливным и годовым), отличающимся более чем на два порядка, весьма сложно, требует специальных алгоритмов решения задачи и больших затрат времени. Предложенный подход, использующий усреднение по приливному периоду, позволил существенно упростить и быстро решить задачу об оценке долговременной реакции залива на гидротехнические сооружения. Конечно, достигаемое при этом упрощение уравнений приводит к уменьшению точности. Но для предпроектной оценки такой результат всегда лучше, чем использование качественных соображений.
Результаты моделирования. В численных экспериментах достигался режим установления с годовым периодом. Основными прогностическими переменными являлись температура воды, льда и снега, соленость воды и льда, толщина льда и снега, относительная площадь покрытия льдом залива Рассчитывались также потоки тепла и соли, объем льда и снега, альбедо поверхности снежно-ледового массива. Варьировались максимальный приливной расход воды через створ плотины (наблюдаемое значение - плотность воды), максимальная совокупная площадь ледяного покрова, речной сток, скорость опреснения льда.
Величина варьировалась в широких пределах. Если положить, что при появлении
ПЭС расход (2®| уменьшится на 25-30%, как это предусмотрено проектом, то согласно расчетам изменения в термодинамическом режиме залива оказываются незначительными. При этом невелика роль изменения солености воды за счет опреснения льда и ледообмена между частями разделенными плотиной. Существенные изменения возникают лишь при уменьшении на порядок и более (при этом изменения средних за год температуры и
солености не столь значительны). Уменьшение (2®1 приводит к возрастанию летней температуры воды, толщины льда зимой, уменьшению солености и возрастанию длительности ледового периода. В области значений возрастает
влияние на соленость залива стока рек, опреснения льда (осенью и зимой) и таяния льда и снега (летом). Это приводит к уменьшению солености воды, возрастанию амплитуды внутригодовых колебаний солености и, соответственно, возрастанию максимальной
толщины льда. Чем меньше , тем больше время установления стационарного режима с
колебаниями годового периода: при Qj|/ps~106 м3/с оно менее года, а при QbI - более десяти лет.
Термодинамическое состояние воды и льда в заливе при малых и больших значениях приливного расхода через створ ПЭС (Qj|) слабо зависит от этой важнейшей физической
и экологической характеристики, тогда как при промежуточных значениях Q®] эта зависимость существенно возрастает. В этой зоне происходит переход количественных характеристик с одного уровня на другой. Такое своеобразное поведение системы связано с ее нелинейными свойствами, отраженными в уравнениях.
Глава 5. Моделирование термодинамического режима почвогрунтов криолитозоны с учетом биологического источника тепла
На широтах 65-70° с.ш. в атмосфере наблюдаются самые высокие концентрации углекислого газа и его максимальная сезонная динамика. Учитывая, что на этих широтах отсутствуют крупные индустриальные центры, это явление можно объяснить только особенностью газовой эмиссии из природных экосистем [Заварзин, Кларк, 1987]. На севере Сибири и Аляски обнаружен резервуар углерода, сравнимый с запасами углерода в атмосфере. Это - пылеватые суглинки, накопившиеся на низменностях и равнинах севера в плейстоцене, залегающие на площади приблизительно 1 млн. км2,и мощностью десятки метров. В низовьях р. Колымы под руководством С.А.Зимова были проведены исследования газообмена в экосистемах. В результате обнаружен ранее не учитываемый в бюджете углерода процесс осенне-зимней эмиссии СО2 из почв севера. Имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о существенной роли органического вещества в термодинамическом режиме почвогрунтов криолитозоны [Зимов и др., 1991; 1993; 1996; 1999]. Она связана с биогенным разогревом почвогрунтов криолитозоны, возникающем при экзотермической реакции окисления погребенного органического углерода, продукт которого углекислый газ даже в зимний период поступает из почвы в атмосферу. Интенсификация этих процессов может быть вызвана либо потеплением климата, либо антропогенными нарушениями приповерхностного слоя почвогрунтов. Оба этих фактора действуют в последние десятилетия и могут привести к изменению температурного режима почвогрунтов криолитозоны и сопровождаться деградацией мерзлоты.
Все эти сведения требуют количественного обоснования, для чего нами разработана математическая модель, которая имеет важное с экологической и климатической точек
зрения применение. На ее основе можно оценивать экологические последствия антропогенного воздействия на почвогрунты криолитозоны. В частности, это воздействие может выражаться в нарушении или уничтожении верхнего слоя моховой дернины. Появление при биогенном разогреве круглогодичных таликов может существенно изменить состояние деятельного слоя почвогрунтов и повлиять на жизнедеятельность экосистем и человека. При формулировке модели учтены все эти возможности, но в последнем разделе главы представлены ограниченные результаты, так как работа по анализу возможных решений еще не закончена.
Математическая модель. В задаче для определения температуры в толще грунтов использована одномерная многофронтовая задача Стефана, включающая уравнения теплопроводности в мерзлых и талых слоях почвогрунтов и условия Стефана на границах слоев. Помимо этого, в модели учтены: 1) биологический источник тепла; 2) изменения содержания органического вещества в грунте и поступление органического вещества в грунт при ежегодном отмирании растительности; 3) слой моховой дернины; 4) снежный покров; 5) возможность климатических изменений температуры грунтов. Кроме этого, рассчитываются потоки углекислого газа (или углерода) из грунта в атмосферу.
Мощность биологического источника тепла определена формулой где
удельная теплота сгорания (окисления) органического вещества, - скорость разложения органического вещества почвенными организмами. Активность почвенных микроорганизмов возрастает при росте температуры почвы. Полагается, что при отрицательных температурах биогенное окисление органики прекращается. Величина и зависит от температуры Т(г,1) и содержания органического вещества в грунте Х(г,1)
и(2,0=^т[Т(г,1)]Х(г,1)ф(2),
где 1 - время, ъ - вертикальная координата, направленная от поверхности почвы вниз. Безразмерная функция <ф(г) параметризует зависимость жизнедеятельности почвенных организмов от разнообразных почвенных факторов (влажности, структурных особенностей почвы и, особенно, содержания углекислого газа и кислорода), роль которых меняется с глубиной, причем 0<ф(г)<1. Температурная функция Гт(Т) при переходе через Т=0°С меняется скачком (источниковая нелинейность переключения):
общий вид этой функции
нелинейный: от примерно до 36°С она растет, а затем убывает до нуля при 40°С.
Для расчетов использована кусочно-линейная функция, удовлетворяющая этому виду.
В задаче моделируется слой почвогрунтов толщиной Ь=30 м. При описании термической вертикальной структуры почвогрунтов учтено, что в пределах на
протяжении года возможно существование различного количества мерзлых и талых слоев: от одного (мерзлого) до четырех (два талых и два мерзлых). Температура почвогрунтов Т(гД) в каждом из слоев описывается уравнением вида
сЭТ(г,1)/Э1=Э[ХЭТСг,0/Эг]/Э2+Ли(гД),
где при (в мерзлых слоях) Влажность грунтов учитывается при
определении объемной теплоемкости с, коэффициента теплопроводности X и удельной теплоты фазового перехода Ь. Для описания температуры снега используется уравнение теплопроводности. На нижней границе основного слоя почвогрунтов температура задается, на верхней при отсутствии снега задается температура приземного воздуха а при его наличии принимается равенство температур и потоков тепла в снеге и в почве, температура же на верхней границе снега задается равной На границах
раздела фаз в почвогрунте используются условия Стефана. Температура ФщСО задана в виде, учитывающем как годовые, так и медленные климатические изменения температуры.
Для определения изменения содержания органического вещества в грунте используется уравнение
ЭХ Э1 :
-и(гд), при Т(М)>0 О, при Т(м)<0
Поступление этого вещества (ежегодные опад и отмирание корней) совершается за очень короткий срок по сравнению с длительностью года. Поэтому принято, что осенью, в моменты смены знака температуры поверхности почвы с положительного на
отрицательный, корни растительности (трав и мхов) в результате перемерзания отмирают. Это создает прибавку органического вещества ДХкСгДп) в верхней части слоя, толщиной Ьк, максимальную на поверхности почвы и нулевую при г>Ьк, где - глубина проникновения корней.
Концентрация углерода в почве 0(2,1) связывается с концентрацией органического вещества Х(г,1) фор м^^рХй^ д е Р - безразмерный коэффициент ((3-0,5). Поток углекислого газа из почвы в атмосферу определяется по формуле
0со2 (1)=3.67(2с(1), 0с(1)=-Р{и(гд)аг.
При выделении моховой дернины принималось, что коэффициент теплопроводности талой моховой дернины определяется по формуле
Хтм(2)=3„Я„+(Хт-5иЯч) [ехр(дг)-1 ]/[ехр(|Л1„)-1 ],
где - коэффициенты теплопроводности мерзлого и талого грунта не содержащего
дернину, - толщина слоя моховой дернины.
В модели содержится ряд нелинейностей: нелинейность переключения, возникающая внутри года при появлении каждой новой фазы на поверхности грунта или исчезновении какой либо фазы внутри грунта, а также вследствие скачкообразного изменения источника тепла при Т=0°С; межфазная нелинейность (задача Стефана); источниковая нелинейность при Т>0°С (нелинейны как функция (т(Т), так и произведение {т(Т)-Х!.
Для определения необходимых начальных данных и граничных условий, оценки параметров модели и результатов моделирования использованы эмпирические данные. Они взяты из опубликованных работ, эмпирических таблиц и данных полевых исследований в районе п. Черский (Саха-Якутия) - Северо-Восточная станция ТИГ ДВО РАН (руководитель А.С.Зимов).
Результаты моделирования. Расчеты проводились при различных значениях температуры Ф», толщины снега ^(О и слоя моховой дернины Ь,,, начальных значениях содержания органического вещества в грунте
Подбором параметров модель была приведена в соответствие с данными наблюдений на ст. Черский. При этом было получено 5„=0.1, ц=40 м"1. Глубина проникновения талого слоя и длительность его существования при наличии моховой дернины существенно возрастают с возрастанием начального содержания в грунте органического вещества Хо. При Хог=100 кг/м3 на седьмой год даже появляется второй талый слой. При отсутствии моховой дернины (11и=0) и Хо=50 кг/м3 этот слой появляется на третий год, а при Хо=1ОО кг/м3 - фактически сразу. Это свидетельствует о том, что уничтожение моховой дернины приведет к резкому заглублению талого слоя, особенно эффективному при наличии органического вещества. Расчеты показывают, что в этом случае возникает талик, постепенно расширяющийся и приводящий к деградации мерзлоты в верхнем примерно 10-меровом слое и интенсивному выделению СОг из почвы в атмосферу. Вследствие "выгорания" почвенного углерода такая ситуация может сохраняться 20 и более лет, затем, вследствие убывания содержания углерода в верхнем слое, происходит постепенное возвращение к режиму, в котором Х=0. В тех местах, где содержание органического вещества велико должны наблюдаться мощные "вспышки" разогрева.
Расчеты с учетом ежегодного отмирания растительности, охватывающие интервал времени 10-20 лет, показывают, что роль этого эффекта невелика, но может возрастать на более длительных промежутках времени
Отметим высокую чувствительность характеристик деятельного слоя почвогрунтов к изменению характеристик снежного покрова С возрастанием его толщины усиливается биогенный разогрев, т е отепляющий эффект снега при возрастает Это
свидетельствует о необходимости повышения требований к точности модели снежного покрова
Таким образом, модельные расчеты показали, что биологический источник тепла существенно влияет на температурный режим грунтов, увеличивая мощность сезонно-талого слоя и продолжительность существования талого слоя За счет этого источника в талом слое возможен эффект саморазогрева, таяния мерзлоты и образования биогенного талика, так, что зимой может поддерживаться положительная температура При повышении климатической температуры температура почвогрунтов также повышается, годовые колебания температуры и граница вечной мерзлоты проникают глубже Но этот эффект значительно усиливается при значительном содержании в почвогрунтах органического углерода, причем резко возрастает эмиссия углекислого газа из почвы а атмосферу, так как при заглублении начинает окисляться углерод в более глубоких слоях
Глава 6. Актуальные проблемы нелинейной динамики геосистем.
Исследование нелинейностей в ГС необходимо для соответствующего анализа проблем географии с нелинейной точки зрения и построения с учетом этого обобщающей теории Опираясь на представленное в предыдущих главах, а также на работы других исследователей, автор сформулировал наиболее важные для географии нелинейные проблемы динамики ГС, решение которых необходимо для создания этой теории Наиболее актуальными из них являются
1) поиск усредненных уравнений, описывающих ГС, 2) выделение в географической среде ГС различного ранга, с учетом их нелинейности, 3) исследование нелинейных эффектов в различных географических и геоэкологических процессах и явлениях, 4) выяснение роли нелинейностей в возникновении разнообразных геоструктур, 5) выяснение роли нелинейностей при эволюции ГС, анализ роли нелинейностей в переходных процессах и в реакции подсистем на изменения в системе, 6) создание карт, отражающих нелинейные свойства ГС
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наиболее важным результатом работы является исследование роли нелинейностей в функционировании ГС. Для исследования нелинейной динамики ГС применены методы математического моделирования (лишь частично использовались лабораторные модели). Модели иллюстрируют как особенности моделирования, так и некоторые следствия нелинейности ГС. Геоэкологический аспект этих исследований чрезвычайно важен и на нем акцентировано внимание в каждой модели. Принципиально, что линейные модели не позволяют достичь ни одного важного результата, полученного в каждой из представленных моделей. Итоги работы следующие.
1. Обобщены и систематизированы результаты исследований процессов и явлений в ГС, являющихся следствием одного из фундаментальных свойств ГС - нелинейности. Такие следствия (нелинейные эффекты и структуры) обнаружены в географической оболочке практически во всех географических пространственных и временных масштабах. Показана важная роль нелинейностей во взаимодействии природы и общества
2. Выделены основные типы нелинейностей и рассмотрены особенности и сложности моделирования нелинейной динамики ГС. Нелинейные модели - это инструмент, позволяющий обнаружить, понять, оценить и прогнозировать процессы и явления в ГС, большинство которых невозможно исследовать, опираясь на линейные модели.
3. Создан ряд математических и лабораторных моделей, имитирующих автоколебания в ГС. Исследование автоколебаний в природных средах показало их существенную роль в процессах, происходящих в географической оболочке Земли. Следствием автоколебаний являются разнообразные процессы: катастрофические, синоптические (3-10 суток), сезонные (2- 3 месяца), а также связанные с межгодовой изменчивостью (свыше 1 года до 10 лет). Они же могут являться одной их причин длительных эволюционных изменений в природе и обществе. Перечисленные процессы в значительной степени определяются нелинейностью природных систем.
4. Разработана нелинейная математическая модель взаимодействующих между собой растительных сообществ (мхи, травы, деревья). На ее основе рассчитаны устойчивые состояния растительности для всей Земли. Для северных экосистем возможны два устойчивых состояния (с преобладанием мхов или трав), характеризующих их как нелинейную триггерную ГС. Для условий Берингии рассчитана динамика биомассы растительности и влияние на нее привноса биогенов и охотничьего пресса и показано, что эти факторы могут переводить ГС из одного устойчивого состояния в другое, в частности,
охотничий пресс способствует переходу системы из состояния "степь" в состояние "тундра".
5. Разработана термодинамическая, усредненная по приливному периоду, нелинейная модель морского залива, на основе которой даны теоретические оценки изменений характеристик морской воды и льда в заливе после создания ПЭС (необходимых для оценки изменений экологического состояния залива). Показано, что создание планировавшейся Тугурской ПЭС незначительно изменит термодинамические характеристики воды и льда залива. Следствием нелинейности системы являются особенности в изменениях ее характеристик в зависимости от величины приливного расхода через плотину ПЭС. Время адаптации залива к постановке ПЭС сильно зависит от этого расхода (при больших расходах - 1 год, а при очень малых - более 10 лет).
6. Разработана математическая модель, описывающая характеристики верхнего слоя почвогрунтов криолитозоны и потоки СОг из почвы в атмосферу, в которой впервые учтен биологический источник тепла. Расчетами показано, что этот нелинейный источник существенно влияет на температурный режим грунтов, увеличивая мощность и продолжительность существования сезонно-талого слоя. В деятельном слое зимой (особенно при уничтожении моховой дернины) возможны многолетние "вспышки" саморазогрева и образования биогенных таликов. Снежный покров усиливает эти эффекты. Эти результаты позволяют утверждать, что при оценках последствий потепления климата, а также антропогенного воздействия на почвогрунты криолитозоны необходимо учитывать биогенный разогрев. Он способствует более интенсивной деградации мерзлых почвогрунтов и повышению содержания углекислого газа в атмосфере арктических широт.
7. Исследование нелинейностей в ГС и связанных с ними разнообразных явлений, процессов и структур необходимо для соответствующего анализа всех проблем географии с нелинейной точки зрения и построения обобщающей теории. Поэтому мы считаем, что в географии значительные усилия ученых должны быть сосредоточены на новом научном направлении - исследовании нелинейных свойств этих систем. Для конкретизации необходимых здесь ближайших исследований сформулированы актуальные проблемы нелинейной динамики ГС.
Полученные в работе результаты могут способствовать более глубокому пониманию географических и геоэкологических явлений и процессов, а также более строгому и
обоснованному конструированию искусственных географических объектов и сред, процессы самоорганизации в которых приводили бы к образованию необходимых с экологической точки зрения обществу геоструктур и ГС.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Даричева Л.В., Дуванин А.И., Чупрынин В.И. Моделирование автоколебательной системы океан - атмосфера// Океанология. 1972. № 5. С.892-897.
2. Баталии A.M., Даричева Л.В., Чупрынин В.И. О моделировании автоколебаний в атмосферно - океанических круговоротах // Морские гидрофиз. исследования. АН УССР. Севастополь. 1974. №3 (66). С.117-127.
3. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. Простая математическая модель для описания крупномасштабных процессов в океане и атмосфере // Исследование системы "ледники -океан - атмосфера". Владивосток. Изд-во ДВНЦ АН СССР. 1974. С.55-65.
4. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. Некоторые оценки в модели взаимодействия между макропроцессами в океане и атмосфере // Исследование планетарной системы "ледники-океан-атмосфера". Владивосток. Изд-во ДВНЦ АН СССР. 1974. С.82-97.
5. Чупрынин В.И. Самовозбуждающиеся колебания при тепловом и вращательном воздействии на слой воды в цилиндрическом бассейне // Докл. АН СССР. 1976. Т.229, № 1. С. 63-66.
6. Чупрынин В.И.. Тотолин Э.В. Исследование автоколебаний в модели системы океан-атмосфера //Тр ДВНИГМИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1976. Вып. 60. С. 122-128.
7. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. О возбуждении и переносе температурных возмущений в нестационарном поле скорости / II Всесоюзн. конф. "Технические средства изучения и освоения океана". Тез. докл. Л.: 1978. Вып.З. С. 154-156.
8. Чупрынин В.И.. Даричева Л.В. Об автоколебаниях в гидродинамических средах при распространении волн по замкнутым траекториям // Тр. ДВНИГМИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1978. Вып. 70. С. 23-32.
9. Чупрынин В.И. О возмущении температуры жидкости в нестационарном поле скорости // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1980. Т. 16. № 8. С. 816-822.
10. Чупрынин В.И. Колебания температуры и скорости в неравномерно подогреваемом и вращаемом с поверхности слое воды в цилиндре / АН СССР Дальневост. науч. центр. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1981. 25 с. Деп. в ВИНИТИ, № 4551-81.
11. Даричева Л.В., Чупрьгнин В,И. Эксперименты по моделированию автоколебаний при крупномасштабном взаимодействии океана и атмосферы // 2-й Всесоюзн. съезда советских океанологов. Тез. докл. Севастополь. 1982. Вып. 2. С. 153-154.
12. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. О возмущениях температуры и скорости воды в океаническом круговороте при учете простых параметризаций взаимодействия океана и атмосферы // Численные эксперименты по динамике глобального климата. Владивосток: Изд-во ДВНЦ АН СССР. 1982. С.84-107.
13. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. Эксперименты по моделированию автоколебаний, обусловленных взаимодействием океана и атмосферы // Океанология. 1983. Т.23. № 3. С. 399-405.
14. Чупрынин В.И.. Карпец В.М. Модель морского льда с полиномиальным профилем температуры по вертикали // Численное моделирование компонентов глобальной системы "Ледники-океан-атмосфера", Владивосток: ДВНЦ АН СССР. 1984. С.42-50.
15. Чупрынин В.И. Разрывные автоколебания в геофизических системах // Автоматизация научн. исследов. и анализ географических данных. Владивосток: Изд-во ДВНЦ АН СССР. 1985. С.135-152.
16. Чупрынин В.И. Разрывные автоколебания в геофизических системах. М: Наука, 1985. 96 с.
17. Чупрынин В.И. Физический анализ конвективных колебаний жидкости в петле // Редакция журн. "Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана". 1986. 18 с. Деп. в ВИНИТИ № 5622-В.
18. Чупрынин В.И. Физический анализ конвективных колебаний жидкости в петле // Изв. АН СССР. Сер. Физика атмосферы и океана. 1986. Т.22. №12. С. 1323-1324.
19. Чупрынин В.И.. Даричева Л.В. Региональные модели длиннопериодных колебаний в системе океан - атмосфера // Автоматизация исследований и анализа данных. Владивосток: Изд-во ДВО АН СССР. 1987. С.41-56.
Чупрынин В.И.. Карпец В.М. Моделирование годовых колебаний толщины морского льда с учетом нелинейности профиля температуры по вертикали // Тр. ДВНИИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1987. №129. С.3-14.
20. Чупрынин В.И. Модель системы морской лед-снег с полиномиальным распределением температуры по вертикали // Тр. ДВНИГМИ, Л.: Гидрометеоиздат. 1988. №139. С. 110-120.
Зимов СА., Чупрынин В.И. Устойчивые состояния экосистем Северо-Востока Азии // Докл. АН СССР. 1989. Т. 308. № 6. С.1510-1514.
Зимов С.А., Чупрынин В.И. Установление основных механизмов устойчивости и изменчивости ландшафтных систем //Факторы и механизмы устойчивости геосистем. М.: 1989. С. 104-121.
21. Чупрынин В.И. Целенаправленное преобразование климата: стратегия решения проблемы/ АН СССР. Дальневост. науч. центр. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1990. 39 с. Деп. в ВИНИТИ. № 1051-В 90.
22. Орешко А.П., Чупрынин В.И. Модельные исследования системы "атмосфера-снег-морской лед" в годовом цикле // Мат-лы гляциологических исследований. 1990. №68. С.51-57.
23. Chuprynin V.I.. Oreshko A.P. Karpets V.M. Box thermodynamic sea ice model // Glaciers-Ocean-Atmos. Interact. Inter. Symp. Leningrad. Abstracts. Moscow. 1990. P. 18-19.
24. Chuprynin V.I., Oreshko A.P. Box thermodynamic model of sea ice // Glaciers-Ocean-Atmos. Interact. Inter. Symp. St. Petersburg. 1990. IAHS Publ. Ingland. 1991. N 208. P.73-84.
25. Zimov SA., Chuprynin V.I. Climate and landscape perestroika's // Preceeding Intern. Conf. on the Role of the Polar Region in Global Chang. Abstr. Fairbanks. Alaska 1990.
Oreshko A.P., Chuprynin V.I. Box thermodynamical sea ice model // Reg.Conf.Asian. Pacif. Countries Int. Geogr.Union. Fdstr. Vol. 2. Beijing. 1990.
26. Chuprynin V.I.. Oreshko A.P., Ivanov A.V. Computation of the ice extent for the Tugur tidal power plant basin // The sixth international symposium on Okhotsk sea & sea ice. Abstracts. Mombetsu. Hokkaido. Japan. 1991. P.310-314.
27. Зимов C.A., Чупрынин В.И. Экосистемы: устойчивость, конкуренция, целенаправленное преобразование. М.: Наука, 1991. 160 с.
Zimov SA.. Chuprynin V.I.. Krasnopeev S.M. Earth's vegetation cover response to changing atmospheric CO? concentration // Proc. of the Intern .Workshop of Large-Scale Reforestation. Oregon State University, Corvallis, 1992.
28. Zimov S.A., Chuprvnin V.I.. Oreshko A.P., Chapin, F.S., III, Reinolds J., Chapin M.C. A model of the herbivore-driven biom shift at the end Pleistocene // IGBP GAM Conference. Garmisch - Partenkirchen. 1995.
29. Zimov S.A., Chuprvnin V.I.. Oreshko A.P., Chapin, F.S., III, Chapin M.C, Reinolds J. Steppe - tundra transition: an herbivore-driven biom shift and of the Pleiswtocene // American Naturalist_13S5~VJ46..N5. P. 765-794.
30. Чупрынин В,И. Конвективные полиячеистые структуры Земли. Препринт. Владивосток: Изд-во ДВО РАН. 1997. 58 с.
31. Чупрынин В.И. Конвективные структуры Земли с регулярно повторяющимися в пространстве элементами // Структурная организация и взаимодействие упорядоченных социоприродных систем. Владивосток: Дальнаука. 1998. С. 106-125.
32. Чупрынин В.И. Пространственно-периодические структуры сортировки частиц твердого материала // Закономерности строения и эволюции геосфер. Мат-лы 4-го междунар. междисциплин, научн. симпозиума. Хабаровск. 1998. С. 54-57.
33. Чупрынин В.И.. Зимов СА., Молчанова Л.А. Термическая модель почвогрунтов с учетом биологического источника тепла и определение потока СО2 из почвы в атмосферу // Докл. Всероссийской научно-техн. конф., посвященной С.О.Макарову. Т.2. Владивосток: ТОВМИ. 1998. С.87-89.
34. Чупрынин В.И.. Молчанова Л.А., Даричева Л.В. Моделирование солености морского льда // Докл. Всероссийской научно-техн. конф., посвященной СО. Макарову, Т.2. Владивосток: ТОВМИ. 1998. С.217-219.
35. Чупрынин В.И,. Даричева Л.В. Автоколебательные системы и эволюция природы и общества // Мат-лы 43-й Всероссийской Межвузовской научно-техн. конф. Т.2. Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики. Владивосток: ТОВМИ. 2000. С. 144-146.
36. Чупрынин В.И.. Зимов С.А., Молчанова Л.А. Результаты моделирования термического режима почвогрунтов криолитозоны с учетом биогенного разогрева// Мат-лы 43-й Всеросийской. Межвузовской научно-техн. конфер. Т.2. Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики. Владивосток: ТОВМИ. 2000. С. 147-149.
37. Чупрынин В.И. Ритмические пространственные структуры геосред // Вестник ДВО РАН. 2001. №5. С. 41-52.
38. Чупрынин В.И.. Зимов С.А., Молчанова Л.А. Моделирование термического режима почвогрунтов с учетом биологического источника тепла // Криосфера Земли. 2001. Т.5, №1. С. 80-87.
39. Чупрынин В.И. Нелинейности в геосистемах // Изв. АН. Сер. геогр. 2003. №6. С. 7-14.
Владимир Иванович Чупрынин
НЕЛИНЕЙНАЯ ДИНАМИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОСИСТЕМ
АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук
Изд. лиц. ИД № 05497 от 01.08.2001 г. Подписано к печати 16.06.2004 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл.п.л. 2,25. Уч.-изд.л. 2,13. Тираж 100 экз. Заказ 100
Отпечатано в типографии ГУП «Издательство "Дальнаука"» ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 7
»1 4 3 3 6
РНБ Русский фонд
2005-4 12252
Содержание диссертации, доктора географических наук, Чупрынин, Владимир Иванович
ВВЕДЕНИЕ 4 # Гл. 1. НЕЛИНЕЙНОСТЬ И СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ОСОБЕННОСТИ
МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕОСИСТЕМ
1.1. Об исследовании геосистем методами математического моделирования
1.1.1. Представление о модели
1.1.2. Общая структура модельных исследований географических объектов
1.2. Нелинейности в геосистемах
1.2.1. О "нелинейном мышлении" и понятии нелинейность
1.2.2. Нелинейные эффекты
1.2.3. Нелинейные структуры
1.2.4. Примеры нелинейностей при взаимодействии природы и общества
1.3. Особенности и сложности моделирования геосистем, связанные с нелинейностью
1.3.1. О решении нелинейных уравнений
1.3.2. О пространственно-временных масштабах географических объектов
1.3.3. Усреднение
1.4. Типы нелинейностей 62 Гл. 2. АВТОКОЛЕБАНИЯ В ГЕОСИСТЕМАХ, СВЯЗАННЫЕ С НИМИ
КАТАСТРОФЫ И ДРУГИЕ ЯВЛЕНИЯ
2.1. Общие сведения об автоколебаниях
2.2. Автоколебательные процессы в системах с замкнутыми водными и воздушными потоками
2.2.1. Многолетняя изменчивость
2.2.2. Синоптическая и сезонная изменчивость
2.2.3. Вертикальная конвекция и обобщенное представление
2.3. Модель геосистем с разрывными автоколебаниями
2.3.1. Общие представления
2.3.2. Обмен энергией, веществом и условия возникновения автоколебаний в системах разрывного типа
2.3.3. Проявление разрывных автоколебаний в геосистемах и особенности их существования
2.4. Эволюционные аспекты, связанные с автоколебательными системами
2.4.1. Автоколебания и эволюция
2.4.2. Об эволюции природы и общества
Гл. 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ТУНДРЫ
3.1. Постановка проблемы
3.2. Формулировка математической модели
3.3. Результаты моделирования
3.3.1. Расчет устойчивых состояний
3.3.2. Возможные причины переходов "тундра"-"степь" 137 Гл. 4. МОДЕЛЬ МОРСКОЙ ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННОЙ
ГЕОСИСТЕМЫ
4.1. Суть проблемы
4.2. Краткая характеристика модели
4.3. Математическая формулировка модели
4.3.1. Интегральные законы сохранения
4.3.2. Усреднение уравнений
4.3.3. Массовые расходы
4.3.4. Определение температуры и солености воды
4.3.5. Модель системы лед-снег
4.4. Значения постоянных величин и исходные данные
4.5. Результаты решения задачи 144 Гл. 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО РЕЖИМА
ПОЧВОГРУНТОВ КРИОЛИТОЗОНЫ С УЧЕТОМ
БИОЛОГИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ТЕПЛА
5.1. Суть проблемы
5.2. Формулировка модели
5.2.1. Биологический источник тепла
5.2.2. Температурный режим
5.2.3. Содержание органического вещества в почвогрунтах
5.2.4. Формулы для коэффициентов теплопроводности
5.3. Метод решения задачи
5.4. Определение постоянных величин, задание граничных и начальных условий
5.5. Результаты модельных расчетов 193 Гл. 6. АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ
ГЕОСИСТЕМ
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Нелинейная динамика и моделирование геосистем"
Актуальность работы. В работе основное внимание сосредоточено на фундаментальном свойстве геосистем (ГС) - их нелинейности, которое является нетрадиционным в географии. В последние десятилетия и, особенно, в последние годы сильно возрос интерес к нелинейным явлениям в различных областях знаний. Достижения современной науки и техники невозможны без прочно вошедших в них нелинейных представлений. На них базируется теория нелинейных колебаний и волн, теория динамических систем, теория катастроф, синергетика, современные представления об эволюции и диссипативных структурах. Работы в этом направлении вызвали в науке настоящую революцию, а в терминологии философов появились выражения "нелинейное мышление" и "нелинейная парадигма". В тоже время эти представления пока слабо отражены в географических и геоэкологических работах. Вопрос о нелинейных свойствах ГС в географической литературе обычно не рассматривается. Лишь в последние 10-15 лет начали появляться отдельные работы, в которых уделяется внимание нелинейным свойствам ГС и идеям синергетики в применении к географическим проблемам [Арманд, 1988; Арманд, Ведюшкин. 1989; Арманд, Кайданова, 1999; Зейдис и др., 2001; Арманд, 2003; Поздняков, 2003; Поздняков, Черванев, 1990; Шупер, 1995; 2001]. Большая роль этих представлений в других науках обязывает географическое сообщество к основательному обсуждению их роли в географии.
Исследовать динамику невозможно без учета нелинейных свойств ГС, которые в свою очередь нельзя учесть (и оценить их роль) без создания математических моделей.
Исследование динамики ГС в работе проиллюстрировано на ряде моделей географических объектов, каждая из которых имеет геоэкологическое приложение. В теоретических географических исследованиях зачастую преобладают умозрительные логические построения. Но они не достаточны для создания строгой научной теории, способной к предсказанию, так как возможности непосредственного мышления человека весьма ограничены. Эти построения важны на начальном этапе исследований, разработке идей и в обобщении результатов научных исследований. В процессе развития науки созданы методы, позволяющие усилить возможности логических построений. Одним из методов является математическое моделирование. Вместе с тем, вершиной научного знания считается теория, высшим достижением которой является ее логико-математическая формулировка, на основе которой возможен прогноз необходимых характеристик.
В большинстве разделов работы мы стремимся к созданию теории, при формулировке которой используются методы математического моделирования, хотя не всегда это удается в полной мере. Основное же внимание сосредоточено на явлениях, связанных с нелинейностью ГС. Учет этого важнейшего свойства ГС является необходимым и актуальным в решении проблем географии и геоэкологии. Практически на всем протяжении собственных исследований мы постоянно сталкивались с ним в различных проявлениях. Здесь излагаются наши представления об этом свойстве и его роли в функционировании ГС. Нелинейность отчетливо выявляется, если удается сформулировать проблему на математическом языке. Сила математических моделей в том, что они позволяют глубже понять суть исследуемых процессов, количественно обосновать гипотезу, уточнить теорию, оценить те характеристики системы, которые невозможно в принципе измерить, указать те характеристики, которые необходимо измерять, а самое главное, они позволяют предсказывать явления и процессы в будущем. Однажды Менделеев сравнил науку с "фонарем", освещающим путь движения человечества. Подобно этому, теория, через модели, обладая даром предвидения (предсказания), продвигает вперед науку. Движение без "фонаря", осуществляемое на ощупь, малоэффективно.
При исследовании динамики ГС и решении геоэкологических проблем необходимо выделение характерных времен изменчивости изучаемых процессов. Представляется, что здесь, прежде всего, важны процессы, характерные времена которых попадают в диапазон от нескольких часов (даже нескольких десятков минут) до 100 лет. В этот интервал времени попадают наиболее важные для современной деятельности человека природные процессы. К ним относятся: разнообразные катастрофы (снежные лавины, сели, оползни, обвалы горных пород, извержения вулканов, быстрые подвижки ледников, прорыв естественных плотин, землетрясения и др.); синоптические атмосферные процессы с характерными временами от 3 до 10 суток; сезонные - от 1 до 3 месяцев; процессы, связанные с межгодовой изменчивостью (свыше 1 года до 10 лет); климатические процессы (от 10 до 100 и более лет). Перечисленные процессы связаны со своими причинными механизмами и, как будет показано в последующих разделах работы, в значительной степени определяются нелинейностью природных систем. Влияние катастрофических и погодных процессов на условия существования человека, очевидно. Ряд погодных процессов также имеет катастрофические для человека последствия - ливневые дожди, мощные вихревые образования в атмосфере, град, пожары и т.д. С сезонными процессами связаны характеристики, которые определяют урожайность сельскохозяйственных культур, комфортность проживания и т.д. С межгодовой (здесь чаще всего выделяют характерные периоды колебаний 2-3 года и 5-6 лет) и вековой изменчивостью связано общее состояние животного и растительного мира, сельского хозяйства, сухопутных и водных транспортных путей сообщения и т.д. От вековых изменений климата, наиболее важными характеристиками которого являются наблюдаемые потепление климата и возрастание в атмосфере содержания углекислого газа, существенно зависит состояние природы и общества. Здесь возникает вопрос о выживании человечества при дальнейшем сохранении тенденций в изменениях этих характеристик. Все эти процессы в той или иной степени затрагиваются в данном исследовании, в котором большое внимание уделено сути процессов и роли нелинейностей в них.
В отличие от высокого уровня предсказуемости процессов, связанных с известными нам причинами, такими как суточное вращение Земли, годовое обращениие Земли вокруг Солнца, солнечно-лунные приливы, предсказуемость указанных выше процессов очень низкая. Поэтому в исследованиях им уделяется большое внимание и разработано громадное количество разнообразных способов их предсказания - в основном, эмпирических и полуэмпирических. Например, хорошо известно, что более или менее удачное предсказание погоды возможно с заблаговременностью лишь на 1-3 суток. Прогноз погоды на большие интервалы времени, даже с помощью самых лучших моделей, оказывается принципиально невозможен, как выяснилось, из-за нелинейных свойств атмосферы и ограниченной точности начальных данных, определяемых техникой измерения. Прогноз катастрофических явлений удается лишь в редких случаях. Изучение изменений с характерными временными масштабами 1-10 и более лет, в связи с хозяйственной деятельностью, имеет большое значение для прогноза климата и погоды. В настоящее время теоретически обоснованные прогнозы на такие длительные сроки практически отсутствуют, хотя именно от их качества зависит планирование и организация работы многих отраслей народного хозяйства. Интересно, что теоретическое исследование таких временных масштабов выводит на изучение причин возникновения крупномасштабных экологических катастроф, например, таких, как явление Эль-Ниньо.
Мы рассматриваем эмпирические и полуэмпирические методы прогноза указанных процессов как неизбежное и в ряде случаев не очень эффективное средство предсказания, пригодное при отсутствии других более сильных методов. Исследования последних десятилетий показывают, что необходимы более основательные исследования ГС и их взаимодействий, более глубокое проникновение в суть происходящих процессов. Здесь на первый план должны выдвигаться идеи, модели, теория как инструмент для предварительных оценок (конечно, в сочетании с эмпирическими методами), многовариантный прогноз (предсказание) сценариев с использованием математических моделей. Особое же внимание в моделях должно быть уделено нелинейностей в динамике ГС. Именно их учет, как показывают самые последние исследования разнообразных систем, позволяет построить адекватные модели, описывающие катастрофические, периодические и стохастические процессы в указанных выше временных интервалах. Свойство нелинейных систем - экспоненциально быстро разводить первоначально близкие траектории движения, является важнейшим в проблеме предсказуемости [Пранц, 2003].
Цели и задачи работы. Сказанное выше и предопределило основные цели данной диссертационной работы: исследование динамики геосистем и выяснение роли нелинейностей геосистем в их функционировании и решении геоэкологических проблем с использованием методов математического моделирования.
Для достижения целей были поставлены и решены следующие задачи:
Инвентаризировать, систематизировать и обобщить исследования, связанные с нелинейностью ГС, рассмотреть сложности и особенности моделирования нелинейных ГС;
Разработать серию нелинейных математических моделей, моделирующих динамику ГС;
Создать основу для формулировки актуальных географических проблем нелинейной динамики ГС.
Основные защищаемые положения
1. Фундаментальное свойство геосистем - нелинейность, в значительной мере определяет в них пространственно-временную изменчивость, явления и процессы, в том числе эволюцию географических объектов. Оно же требует выбора соответствующих методов исследования геосистем.
2. Нелинейные модели позволили исследовать: автоколебания (в том числе катастрофические процессы) и особенности в эволюции геосистем, связанные с автоколебаниями; бистабильность ("тундра" - "степь") экосистем Севера; особенности в изменениях термодинамических характеристик залива при установке приливной электростанции; вспышки" саморазогрева в почвогрунтах криолитозоны, сопровождаемые интенсивной эмиссией углекислого газа из почвы в атмосферу.
Методы исследования. В работе как основной использован метод математического моделирования ГС, который опирается на уравнения динамики, включающие законы сохранения вещества, энергии и т.д., а также на использование эмпирических и полуэмпирических связей между величинами. При решении возникающих математических задач использованы методы численного решения на основе конечно-разностных способов. В отдельных задачах применены методы с представлением искомых функций в виде рядов Фурье по пространственной координате или метод моментов. Кроме того, использовался качественный анализ сущности ряда явлений и процессов, а в гл. 2 применялось лабораторное моделирование.
Научная новизна исследования. В работе впервые на конкретных моделях и в обобщенной форме исследованы вопросы, связанные с нелинейностью ГС и сформулированы географические проблемы нелинейной динамики ГС. Кроме того, разработаны: математическая модель систем с замкнутыми воздушными или водными потоками, обосновывающая возможность автоколебаний в системе атмосфера-океан; модели ГС, описывающие класс систем с природными разрывными автоколебаниями; усредненная по приливному циклу термодинамическая модель морского залива, позволившая оценить возможное влияние приливной электростанции на характеристики состояния залива; модель растительных сообществ, из которой следует бистабильность (триггерность) тундровых экосистем, а также возможные причины их переходов из одного устойчивого состояния в другое; модель деятельного слоя криолитозоны, в которой впервые показана роль почвенного углерода в биогенном разогреве почвогрунтов Севера и эмиссии углекислого газа из почвы в атмосферу.
Практическая значимость. Результаты, полученные в работе, имеют важное для географии теоретическое и прикладное геоэкологическое значение. Результаты, полученные при разработке моделей морского льда, были использованы в институте физики атмосферы АН СССР (акт о внедрении в ИФА АН СССР, Москва, 1990, пакет программ, авторы Орешко А.П., Чупрынин В.И.), в научно-исследовательском институте Арктики и Антарктики (акт о внедрении в ААНИИ Госкомгидромета, Ленинград, 1987, пакет программ, авторы Орешко А.П., Чупрынин В.И., Карпец В.М.), а также в Тихоокеанском институте океанологии при расчетах толщины морского льда в Амурском заливе. Работа по моделированию термодинамических характеристик Тугурского залива выполнена по заказу Ленгидропроекта в связи с оценкой возможных изменений в заливе при создании приливной электростанции (отчеты за 1989; 1990; акт о внедрении в ИВЭП ДВО АН СССР, Владивосток, 1991, пакет программ и отчет: экологическое обоснование ТЭО проекта Тугурской ПЭС, авторы Орешко А.П., Чупрынин В.И).
Работа, связанная с моделированием почвогрунтов, выходит на такие практически значимые геоэкологические приложения как биогенный разогрев и деградация почвогрунтов криолитозоны при потеплении климата или антропогенных нагрузках, выявление мощного почвенного источника углекислого газа в криолитозоне, который существенно влияет на концентрацию углекислого газа в атмосфере.
Исследование автоколебаний в ГС, проведенное в работе, выводит на ряд конкретных приложений теории к процессам и явлениям синоптической, сезонной и многолетней изменчивости, а также к природным катастрофам.
Результаты, полученные при исследовании автоколебаний в ГС, использованы при чтении лекций для студентов геофизического и физического факультетов ДВГУ. Экспериментальная установка, моделирующая колебания в системе океан-атмосфера, созданная при участии автора, использовалась в качестве лабораторной работы для студентов геофизического факультета.
Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично в процессе его работы по плановым и инициативным темам, в том числе и по двум проектам РФФИ (в которых автор осуществлял руководство). В совместных исследованиях автор был ведущим в разработке моделей, формулировке математических задач и алгоритмов их решения. При разработке этих моделей, на разных этапах часть работ производилась совместно с: Л.В. Даричевой при исследовании автоколебаний (р. 2.2, она принимала активное участие в создании лабораторной установки и получении предварительных результатов); В.М. Карпецом и А.П. Орешко при разработке вариантов термодинамической модели морского льда (ими разрабатывались компьютерные программы для решения задач, гл. 3), С.А. Зимовым (он сформулировал гипотезу относительно двух устойчивых состояний экосистем севера, совместно с ним проведен анализ результатов решения) и А.П. Орешко (составление компьютерных программ для решения задачи), при разработке модели растительности, гл. 4; С.А. Зимовым (он разработал и обосновал эмпирическими наблюдениями представления о существовании мощного почвенного источника СО2 в криолитозоне, совместно с ним проведен анализ результатов моделирования) и JI.A. Молчановой (составление компьютерных программ для решения задачи) при моделировании биогенного разогрева почвогрунтов криолитозоны и потоков СО2 из почвы в атмосферу, гл. 5. Исследования, связанные с нелинейностью ГС - полностью авторские разработки.
1. Апробация работы. Основные результаты работы представлялись на: научных семинарах кафедры океанологии ДВГУ (Владивосток, 1968-1980 г); кафедры океанологии МГУ (Москва, 1972); ученых советах и научных конференциях ТИТ ДВО РАН (Владивосток, 1980-1994 г); региональных конференциях в ДВГУ (Владивосток, 1981, 2000, 2001), Всероссийском совещании «Структурная организация и взаимодействие упорядоченных социоприродных систем» в ИКАРП (Биробиджан, 1998); Всесоюзной конференции «Технические средства изучения и освоения океана», (Ленинград, 1978); совещаниях географов Сибири и Дальнего Востока, (Иркутск, 1973, 1986, 1992, 1998, 2000); 2-ом Всесоюзном съезде советских океанологов (Севастополь, 1982); международном симпозиуме «Glaciers-Ocean-Atmosphere Interaction», Ленинград, 1990; 6-ом международном симпозиуме « Okhotsk sea & sea ice», Момбецу, Хоккайдо, Япония, 1981; 4ом международном междисциплинарном научном симпозиуме (Хабаровск, 1998); на международной конференции (IGBP GAIM Conference. Garmisch -Partenkirchen, 1995); на международной конференции «Role of the Polar Region in Global Chang», (Fairbanks. Alaska. 1990); на международной конференции стран Азиатско-Тихоокеанского региона, (Beijing, 1990); на международном совещании рабочей группы «Large-Scale Reforestation», (Oregon State University, Corvallis, 1992).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 64 работы. Из них 2 монографии (одна в соавторстве).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы, включающего 250 наименований. Объем работы составляет 234 страницы, 21 рисунок и 2 таблицы.
Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Чупрынин, Владимир Иванович
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Наиболее важным результатом работы является исследование роли нелинейностей в функционировании ГС. Для исследования нелинейной динамики ГС применены методы математического моделирования (лабораторные модели частично использовались лишь в гл. 2). Модели иллюстрируют как особенности моделирования, так и некоторые следствия нелинейности ГС. Геоэкологический аспект этих исследований чрезвычайно важен и на нем акцентировано внимание в каждой модели. Принципиально, что линейные модели не позволяют достичь ни одного важного результата, полученного в каждой из представленных моделей. Итоги работы следующие.
1. Обобщены и систематизированы результаты исследований процессов и явлений в ГС, являющихся следствием одного из фундаментальных свойств ГС - нелинейности. Такие следствия (нелинейные эффекты и структуры) обнаружены в географической оболочке практически во всех географических пространственных и временных масштабах. Показана важная роль нелинейностей во взаимодействии природы и общества.
2. Выделены основные типы нелинейностей и рассмотрены особенности и сложности моделирования нелинейной динамики ГС. Нелинейные модели, это инструмент, позволяющий обнаружить, понять, оценить и прогнозировать процессы и явления в ГС, большинство которых невозможно исследовать, опираясь на линейные модели.
3. Создан ряд математических и лабораторных моделей, имитирующих автоколебания в ГС. Исследование автоколебаний в природных средах показало их существенную роль в процессах, происходящих в географической оболочке Земли. Следствием автоколебаний являются разнообразные процессы: катастрофические, синоптические (3-10 суток), сезонные (2- 3 месяца), а также связанные с межгодовой изменчивостью свыше 1 года до 10 лет). Они же Moiyr являться одной их причин длительных эволюционных изменений в природе и обществе. Перечисленные процессы в значительной степени определяются нелинейностью природных систем.
4. Разработана нелинейная математическая модель взаимодействующих между собой растительных сообществ (мхи, травы, деревья). На ее основе рассчитаны устойчивые состояния растительности для всей Земли. Для северных экосистем возможны два устойчивых состояния (с преобладанием мхов или трав), характеризующих их как нелинейную триггерную ГС. Для условий Берингии рассчитана динамика биомассы и влияние на нее привноса биогенов и охотничьего пресса и показано, что эти факторы могут переводить ГС из одного устойчивого состояния в другое, в частности, охотничий пресс способствует переходу системы из состояния "степь" в состояние "тундра".
5. Разработана термодинамическая, усредненная по приливному периоду, нелинейная модель морского залива, на основе которой даны теоретические оценки изменений характеристик морской воды и льда в заливе после создания ПЭС (необходимых для оценки изменений экологического состояния залива). Показано, что создание планировавшейся Тугурской ПЭС незначительно изменит термодинамические характеристики воды и льда залива. Следствием нелинейности системы являются особенности в изменениях ее характеристик в зависимости от величины приливного расхода через плотину ПЭС. Время адаптации залива к постановке ПЭС сильно зависит от этого расхода (при больших расходах - 1 год, а при очень малых - более 10 лет).
6. Разработана нелинейная математическая модель, описывающая характеристики верхнего слоя почвогрунтов криолитозоны и потоки СОг из почвы в атмосферу, в которой впервые учтен биологический источник тепла.
Расчетами показано, что этот источник существенно влияет на температурный режим грунтов, увеличивая мощность и продолжительность существования сезонно-талого слоя. В деятельном слое зимой (особенно при уничтожении моховой дернины) возможны многолетние "вспышки" саморазогрева и образования биогенных таликов. Снежный покров усиливает эти эффекты. Эти результаты позволяют утверждать, что при оценках последствий потепления климата, а также антропогенного воздействия на почвогрунты криолитозоны необходимо учитывать биогенный разогрев. Он способствует более интенсивной деградации мерзлых почвогрунтов и повышению содержания углекислого газа в атмосфере арктических широт.
7. Исследование нелинейностей в ГС и связанных с ними разнообразных явлений, процессов и структур необходимо для соответствующего анализа всех проблем географии с нелинейной точки зрения и построения обобщающей теории. Поэтому мы считаем, что в географии значительные усилия ученых должны быть сосредоточены на новом научном направлении - исследовании нелинейных свойств этих систем. Для конкретизации необходимых здесь ближайших исследований сформулированы актуальные проблемы нелинейной динамики ГС.
Полученные в работе результаты могут способствовать более глубокому пониманию географических и геоэкологических явлений и процессов, а также более обоснованному управлению географическими объектами, в которых процессы самоорганизации, возникающие вследствие нелинейности ГС, приводили бы к образованию необходимых с экологической точки зрения обществу эффектов и геоструктур.
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Чупрынин, Владимир Иванович, Владивосток
1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Наука, 1981.568 с.
2. Арманд А.Д. Самоорганизация и саморегулирование географических систем. М.: Наука, 1988 а. 264 с.
3. Арманд А.Д. Самоорганизация земной поверхности (географическая синергетика) // Математическое моделирование сложных биологических систем. Мат-лы X Всесоюзной школы. М.: Наука, 1988 б. С. 33-49.
4. Арманд А.Д. Рукотоворные катастрофы // Изв. РАН. Сер. геогр. 1993. №5. С. 32-39.
5. Арманд А.Д. Самоорганизация и геосистемы // Самоорганизация и динамика геоморфосистем. Мат-лы XXVII Пленума Геоморфол. комиссии. РАН. Томск: Изд-во ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2003. С. 24-30.
6. Арманд А.Д., Ведюшкин М.А. Триггерные геосистемы. М.: Ин-т географии АН СССР. Препринт. 1989. 51 с.
7. Арманд А.Д., Кайданова О.В. Ландшафтные триггеры // Изв. АН. Сер. геогр. 1999. № 3. С. 22-28.
8. Арнольд В.И. Теории катастроф. М.: Наука, 1990. 128 с.
9. Атлас океанов. Тихий океан. Военно-морской флот СССР. 1974. С. 204206.
10. Баканов К.Г., Иванов А.В. Предварительный анализ изменения солености воды в бассейне Тугурской ПЭС // Вопросы экологии при организации энергообеспечения в Приамурье. Вторые чтения им. Г.И. Невельского. Тез. докл. Вып.З. Хабаровск. 1990. С. 46-49.
11. Баканов К.Г., Иванов А.В., Махинов А.Н., Шестеркина Н.М. Гидрологические и гидрохимические процессы в Тугурском заливе
12. Охотского моря // Вода: Экология и технология: Мат-лы Междунар. Конгресса. М.: 1994. Е.1. С.150-155.
13. Бакланов П.Я. Динамика природно-ресурсного потенциала территории и методы ее оценки // География и природные ресурсы. 2000. №3. С. 10-16.
14. Баском В. Волны и пляжи. JL: Гидрометеоиздат, 1966. 280 с.
15. Баталин A.M., Даричева Л.В., Чупрынин В.И. О моделировании автоколебаний в атмосферно океанических круговоротах // Морские гидрофиз. исследования. АН УССР. Севастополь. 1974. №3 (66). С. 117-127.
16. Беляев В.И. Теория сложных геосистем. Киев: Наукова думка, 1978. 157 с.
17. Блехман И.И. Синхронизация в природе и технике. М.: Наука, 1981. 352 с.
18. Боголюбов Н.Н., Митропольский Ю.А. Асимптотические методы в теории нелинейных колебаний. М.: Наука, 1974. 503 с.
19. Будак Б.М., Гольдман Н.Л., Успенский А.Б. Разностные схемы с выпрямлением фронтов для решения многофронтовых задач типа Стефана//Докл. АН СССР. 1966. Т.167, №4. С. 735-738.
20. Будак Б.М., Гольдман Н.Л., Успенский А.Б. Разностные схемы с выпрямлением фронтов для решения многофронтовых задач типа Стефана // Вычислительные методы и программирование. 1967. вып.6. С. 206-216.
21. Будак Б.М., Успенский А.Б. Разностный метод с выпрямлением фронтов для решения задач типа Стефана // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1969. Т.9, №6. С. 1299-1315.
22. Будыко М.И. Эволюция биосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984.488 с.
23. Бунге В. Теоретическая география. М.: Прогресс, 1967. 279 с.
24. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфаев Н.А. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1976. 384 с.
25. Вызова H.JI. Самовозбуждающиеся колебания в потоках тепловой конвекции // Докл. АН СССР. 1950. Т.72, №4. С. 675-678.
26. Вызова Н.Л. Самовозбуждающиеся колебания потока тепловой конвекции//Тр. Морского гидрофизического ин-та. 1955. Т.6. С. 58-79.
27. Вальтер Г. Растительность земного шара. М.: Прогресс, 1974. Т.2. 423 с. 1975. Т.3.428 с.
28. Вербицкий М.Я. Об одном важном механизме генерации ледниковых периодов // Моделирование гидрофизических полей и процессов в океане. М.: Наука. 1986. С. 48-54.
29. Вербицкий М.Я., Чаликов Д.В. Моделирование системы ледники-океан-атмосфера. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 133 с.
30. Влияние Тугурской ПЭС на экологию Тугурского залива и его береговых биогеценозов: Отчет по хоздоговорной теме №15, заказанной Гидропроектом им. С.Н. Жука. Отв. исп. А.В. Иванов. Хабаровск. ИВЭП. 1990. 517 с.
31. Волков Ю.Н. Термодинамические долгопериодные колебания океана и атмосферы в северной части Тихого океана // Океанология. 1980. Т.20, №6. С. 818-827.
32. Волькенштейн М.В. Биофизика. М.: Наука, 1988. 592 с.
33. Вудс Дж. Д. Параметризация движений подсеточного масштаба // Моделирование и прогноз верхних слоев океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. С. 146-174.
34. Гапонов-Грехов А.В., Рабинович М.И. Л.И. Мандельштам и современная теория нелинейных колебаний и волн // Успехи физических наук. 1979. Т.128, №4. С. 625-666.
35. Гапонов-Грехов А.В., Рабинович М.И. Стохастические автоколебания в радиофизике и гидродинамике // Вестник АН СССР. 1980. №10. С. 1524.
36. Гапонов-Грехов А.В., Рабинович М.И. Проблемы современной нелинейной динамики // Вестник РАН. 1997. Т. 67. №7. С. 608-614.
37. Геологическая синергетика: Тез. докл. Алма-Ата: Казахский ИМС, 1991.93 с.
38. Георгиевский В.Б., Недоступ JI.M. Математическое моделирование действия токсикантов на экологические системы водоемов // Круговорот вещества и энергии в озерах и водохранилищах. Вып. 2. 1973. С. 62-65.
39. Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры устойчивости и флуктуаций. М.: Мир, 1973. 280 с.
40. Голубев Г.Н. Геоэкология. М.: ГЕОС, 1999. 337 с.
41. Гродзинский М.Д. Устойчивость геосистем: теоретический подход к анализу и методы количественной оценки // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1987. №6. С. 5-15.
42. Гусев A.M., Касьянов С.Ю. О структуре фазового пространства в модели трехмерной конвекции во вращающейся жидкости // Вестник МГУ. Физика, астрономия. 1984. Т.23, №2. С. 81-84.
43. Даричева JI.B., Дуванин А.И., Чупрынин В.И. Моделирование автоколебательной системы океан атмосфера // Океанология. 1972. № 5. С. 892-897.
44. Даричева JI.B., Молчанова JI.A., Чупрынин В.И. Модель расчета солености морского льда / РАН. Дальневост. науч. отделение. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1996. 15 с. Деп. в ВИНИТИ, № 3346-В96.
45. Даричева JI.B., Чупрынин В.И. Простая математическая модель для описания крупномасштабных процессов в океане и атмосфере // Исследование системы "ледники океан - атмосфера". Владивосток. Изд-во ДВНЦ АН СССР. 1974 а. С. 55-65.
46. Даричева JI.B., Чупрынин В.И. Некоторые оценки в модели взаимодействия между макропроцессами в океане и атмосфере // Геофизические исследования планетарной системы "ледники-океан-атмосфера". Владивосток. Изд-во ДВНЦ АН СССР. 1974 б. С. 82-97.
47. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. О возбуждении и переносе температурных возмущений в нестационарном поле скорости // II Всесоюз. конф. "Технические средства изучения и освоения океана": Тез. докл. Л.: 1978. Вып.З. С. 154-156.
48. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. Об автоколебаниях в океане и атмосфере // Ш Дальневосточная региональная научно-практическая конф: Тез. докл. Владивосток. 1981 б. 4.2.
49. Даричева Л.В., Чупрынин В.И. Эксперименты по моделированию автоколебаний при крупномасштабном взаимодействии океана и атмосферы // 2-й Всесоюз. съезд океанологов: Тез. докл. Севастополь, 1982 а. Вып. 2. С. 153-154.
50. Даричева J1.B., Чупрынин В.И. Эксперименты по моделированию автоколебаний, обусловленных взаимодействием океана и атмосферы // Океанология. 1983. Т.23, № 3. С. 399-405.
51. Даричева JI.B., Чупрынин В.И. Геофизические примеры разрывных автоколебаний // РАН. Дальневост. науч. отделение. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1984. 40 с. Деп. в ВИНИТИ № 6693-84.
52. Джансеитов К.К., Кузмичев В.В., Кибардин Ю.В. Конкуренция и периодичность процесса прироста леса // Докл. АН СССР. 1976. Т.226. №3. С. 695-697.
53. Дуванин А.И. О модели взаимодействия между макропроцессами в океане и атмосфере // Океанология. 1968. Т.8, №4. С. 571-570.
54. Дуванин А.И. О взаимодействии между гидрометеорологическими макропроцессами в океане и атмосфере // Вестник МГУ. Сер география. 1977. №5. С. 89-95.
55. Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М.: Наука. 1993. 253 с.
56. Жаботинский A.M. Концентрационные автоколебания. М.: .Наука, 1974. 179 с.
57. Жарков В.Н., Карпов П.Б., Леонтьев В.П. О тепловом режиме пограничного слоя мантии на границе с ядром // Докл. АН СССР. 1984. Т.275, №2. С. 335-338.
58. Заварзин Г.А., Кларк У. Биосфера и климат глазами биологов // Природа. 1987. №6. С. 65-77.
59. Заславский Б.Г., Полуэктов Р.А. Управление экологическими системами. М.: Наука, 1988. 296 с.
60. Зейдис И.М. и др. Общие свойства динамики геосистем // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5. География. 2001. №4. С. 3-8.
61. Зейдис И.М., Симонов Ю.Г. Эффект структурной памяти в динамике географических явлений // Вестник Моск. ун-та. Сер. 5. География. 1980. №4. С. 21-26.
62. Зимов С.А., Давыдов С.П., Просянников С.Ф. и др. Почвы Севера -генератор углекислоты // Вестник АН СССР. 1991. №8. С. 71-83.
63. Зимов С.А., Чупрынин В.И. Устойчивость ландшафтов тундры к транспортным нагрузкам // 8-е совещ. географов Сибири и Дальнего Востока: Тез. докл. Вып. II. 1986. С. 22-23.
64. Зимов С.А., Чупрынин В.И. Устойчивые состояния экосистем Северо-Востока Азии // Докл. АН СССР. 1989 а. Т. 308. № 6. С. 1510-1514.
65. Зимов С.А. Чупрынин В.И. Установление основных механизмов устойчивости и изменчивости ландшафтных систем // Факторы и механизмы устойчивости геосистем. М.: 1989 б. С. 104-121.
66. Зимов С.А., Чупрынин В.И. Экосистемы: устойчивость, конкуренция, целенаправленное преобразование. М.: Наука, 1991. 160 с.
67. Зотов С.И. Имитационное моделирование состояния бассейново-ландшафтных систем в условиях избыточного увлажнения. Дис. . д-ра геогр. наук. Калининград, 1999. 255 с.
68. Иванов А.В., Шестеркина Н.М., Иванова В.И., Таловская B.C. Гидролого-гидрохимическая характеристика Тугурского залива
69. Охотского моря // Вопросы экологии при организации энергообеспечения в Приамурье. Вторые чтения им. Г.И. Невельского: Тез. докл. Вып.З, Хабаровск, 1990, С.40-46.
70. Известия АН. Сер. геогр. 1993. №5. 143 с.
71. Исаченко А.Г. Проблемы взаимоотношения природных и общественных территориальных систем // Изв. Русского географического общества. 2004. Т. 136, вып. 1. С. 3-15.
72. Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы будущего. М.: Наука, 1997. 285 с.
73. Касьянов С.Ю. Стационарные и колебательные режимы конвекции во вращающейся жидкости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984 а. Т.20, №3. С. 320-323.
74. Касьянов С.Ю. Математическая модель автоколебаний в атмосфере. Автореф. дис. . канд. физ-мат. наук. М.: МГУ, 1984 б. 23 с.
75. Кейлис-Борок В.И. Динамика литосферы и прогноз землетрясений // Природа. 1989. №12. С. 10-18.
76. Киньдюшев В.И. Сезонные и межгодовые изменения океанографических условий Калифорнийского района Тихого океана. Автореф. дис. . канд. геогр. наук. М.: МГУ. 1972.
77. Князева Е.Н. Одиссея научного разума. Синергетическое видение научного прогресса. М. 1995. 228 с.
78. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика: начала нелинейного мышления // Общественные науки и современность. 1993. №2. С. 3861.
79. Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Жизнь неживого с точки зрения синергетики // Самоорганизация и динамика геоморфосистем. Мат-лы XXVII Пленума Геоморфологической комиссии. РАН. Томск: Изд-во ин-та оптики атмосферы СО РАН. 2003. С. 3-14.
80. Колебания и бегущие волны в химических системах. М.: Мир, 1988. 720 с.
81. Коновалов А.А., Московченко Д.В. Стадийность развития и устойчивость геосистем // География и природные ресурсы. 2003. №2. С. 5-11.
82. Корт В.Г. О крупномасштабном взаимодействии океана и атмосферы (на примере северной части Тихого океана) // Океанология. 1970. Т. 10, №2. С. 222-239.
83. Корт В.Г. Крупномасштабное взаимодействие вод северной Атлантики с атмосферой // Океанология. 1976. Т. 16, №4. С. 565-570.
84. Котляков В.М., Лебедева И.М. "Кающиеся" снега и льды, механизм их образования и индикационное значение // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1975. №3. С. 26-36.
85. Котляков В.М. Трофимов A.M., Хузеев Р.Г., Борунов А.К., Гнеденков Л.Н., Селиверстов Ю.П. Географический подход к теории катастроф// Изв. РАН. Сер. геогр. 1993. №5. С. 7-17.
86. Кравцов Ю.А., Эткин B.C. Ветровое волнение как автоколебательный процесс // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т.19, №11. С. 1123-1138.
87. Кудрявцев В.А. Мерзлотные исследования. М., Изд. МГУ, 1981. 239 с.
88. Куприянова Т.П. Обзор представлений об устойчивости физико-географических систем //Устойчивость геосистем. М.: Наука, 1983.
89. Курдюмов С.П., Князева Е.Н. Законы эволюции и самоорганизация сложных систем. М.: Наука, 1994. 236 с.
90. Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика теория самоорганизации (идеи, методы, перспективы) // Компьютеры, модели, вычислительный эксперимент. М.: Наука. 1988. С. 79-136.
91. Курдюмов С.П. Малинецкий Г.Г., Потапов А.Б., Самарский А.А. Структуры в нелинейных средах // Компьютеры и нелинейные явления: Информатика и современное естествознание. М.: Наука, 1988. С. 5-43.
92. Ланда П.С. Автоколебания в системах с конечным числом степеней свободы. М.: Наука, 1980. 360 с.
93. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 736 с.
94. Лархер В. Экология растений. М.: Мир, 1979. 384 с.
95. Летников Ф.А. Синергетика геологических систем. М.: Наука, 1990. 232 с.
96. Липец Ю.Г., Пуляркин В.А. Нелинейные процессы мирового развития // Изв. АН. Сер. геогр. 2001. №4. С. 31-37.
97. Лоскутов А.Ю., Михайлов А.С. Введение в синергетику. М.: Наука, 1990. 272 с.
98. Лукьянов А.В. Релаксационные автоколебательные системы в геологических процессах // Проблемы структурной геологии и физики тектонических процессов. М.: ГИН АН СССР. 1987. С. 8-86.
99. Макыггас А.П. Тепловой баланс арктических льдов в зимний период. Л.: Гидрометеоиздат. 1984. 67 с.
100. Мазо В.Л. Ледники и ледниковые системы: неустойчивость и самоорганизация // Итоги науки и техники. Сер. гляциология. ВИНИТИ. 1989. 149 с.
101. Малинецкий Г.Г. Новый облик нелинейной динамики // Природа. 2001. №3. С. 3-12.
102. Малинецкий Г.Г., Курдюмов С.П. Нелинейная динамика и проблемы прогноза // Вестник РАН. 2001. Т.71. №3. С. 210-232.
103. Мамаев О.И. Термохалинный анализ вод Мирового океана. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 296 с.
104. Математико-географическое моделирование территориальных систем. Под ред. А.М. Трофимова. Казань: Изд-во Казанского ун-та, 1984. 167 с.
105. Меламед В.Г. Сведение задачи Стефана к системе обыкновенных дифференциальных уравнений // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1958. №7. С. 848-869.
106. Меламед В.Г. Решение задачи о температурном режиме в среде с периодически меняющимся фазовым состоянием// Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1960. №6. С. 886-891.
107. Модели в географии. Под ред. Дж. Чорли и П. Хаггета. М.: Прогресс, 1971.380 с.
108. Модели управления природными ресурсами. Под ред. В.И. Гурмана. М.: Наука, 1981.264 с.
109. Моделирование элементарных геосистем. Мат-лы симпозиума. Иркутск, 1975. 147 с.
110. Моисеев Н.Н. Алгоритмы развития. М.: Наука, 1987. 304 с.
111. Моисеев Н.Н. Человек и ноосфера. М.: Молодая гвардия, 1990. 351 с.
112. Моисеев Н.Н. Экология человечества глазами математика: (Человек, природа и будущее цивилизации). М.: Молодая гвардия, 1988. 254 с.
113. Моисеев Н.Н. Судьба цивилизации. Путь Разума. М.: Языки русской культуры, 2000. 224 с.
114. Монин А.С. Прогноз погоды как задача физики. М: Наука, 1969. 184 с.
115. Монин А.С. Классификация нестационарных процессов в океане // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1972. №7. С. 26-30.
116. Монин А.С., Каменкович В.М., Корт В.Г. Изменчивость мирового океана. JL: Гидрометеоиздат, 1974. 261 с.
117. Монин А.С., Обухов A.M. Малые колебания атмосферы и адаптация метеорологических полей // Изв. АН СССР. Сер. геофизическая. 1958. №4. С. 1360-1373.
118. Монин А.С., Яглом A.M. Статистическая гидромеханика. 4.1. М.: Наука, 1965. 639 с.
119. Морошкин К.В. Водные массы Охотского моря. М.: Наука, 1966. 67 с.
120. Неймарк Ю.И., Ланда П.С. Стохастические и хаотические колебания. М.: Наука. 1987. 424 с.
121. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 308 с.
122. Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. Введение М.: Мир, 1990. 344 с.
123. Нелезин А.Д., Кузякин В.Г. О многолетней изменчивости теплосодержания бароклинного слоя вод северо-восточной части Тихого океана в районе Калифорнийского течения // Метеорология и гидрология. 2003. №9. С. 53-58.
124. Общее мерзлотоведение. Под. ред. П.И. Мельникова и Н.И. Толстухина. Новосибирск: Наука, 1974. 292 с.
125. Общее мерзлотоведение (геокриология). Под. ред. В.А. Кудрявцева. М.: Изд-во МГУ, 1978. 464 с.
126. Одум Ю. Экология. Т. 1. М.: Мир, 1986. 328 с.
127. Орешко А.П., Чупрынин В.И. Модельные исследования системы "атмосфера-снег-морской лед" в годовом цикле// Мат-лы гляциол. исследований. 1990. №68. С. 51-57.
128. Орешко А.П., Чупрынин В.И., Карпец В.М. Модель морского ледяного покрова// Разработки ДВО АН СССР, предлагаемые для широкого внедрения в народном хозяйстве. Владивосток. 1990.
129. Осипов В.И. Природные катастрофы в центре внимания ученых // Вестник РАН. 1995. Т.65. №6. С. 483-495.
130. Осипов В.И. Природные катастрофы на рубеже XXI века // Геоэкология. 2001. №4. С. 293-309.
131. Осокин Н.И. и др. К оценке влияния снежного покрова на динамику промерзания криогенных пород // Мат-лы гляциол исследований. 1998. Вып.84. С. 3-11.
132. Осокин Н.И. и др. Роль снежного покрова в промерзании грунтов // Изв. АН. Сер. геогр. 2001. №4. С. 52-57.
133. Первозванский А.А., Гайцгори В.Г. Декомпозиция, агрегирование и приближенная оптимизация. М.: Наука, 1979. 344 с.
134. Перельман А.И. Геохимический ландшафт как самоорганизующаяся система // Вестник Моск. ун-та. Сер. география. 1995. №4. С. 10-16.
135. Поздняков А.В. К теории спонтанной самоорганизации сложных структур // Самоорганизация и динамика геоморфосистем. Мат-лы XXVII Пленума Геоморфологической комиссии РАН. Томск: Изд-во ин-та оптики атмосферы СО РАН. 2003. С. 30-43.
136. Поздняков А.В., Черванев И.Г. Самоорганизация в развитей рельефа. М.: Наука, 1990. 204 с.
137. Поляк Б.Г., Мелекесцев И.В. Продуктивность вулканических аппаратов // Вулканология и сейсмология. 1981. №5. С. 22-37.
138. Построение математической модели морского льда и расчет на ее основе ледовитости залива. Научный отчет. Владивосток: ТИГ ДВО РАН. Рук. В.И. Чупрынин. 1989. 48 с.
139. Пранц С.В. Нелинейная динамика, хаос и фракталы // Вестник ДВО РАН. 2003. №2. С. 30-46.
140. Прогноз ледового покрова в заливе Охотского моря на основе термодинамической модели. Научный отчет. Владивосток: ТИГ ДВО РАН. Рук. В.И. Чупрынин. 1990. 35 с.
141. Пузаченко Ю.Г. Приложения теории фракталов к изучению ландшафтов // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1997. №2. С. 24-40.
142. Пузаченко Ю.Г. и др. Географические основы предупреждения и ликвидации последствий природно-техногенных катастроф // Изв. АН СССР. Сер. геогр. 1991. №6. С. 40-54.
143. Пущаровский Ю.М. Нелинейная геодинамика // Геотектоника. 1993. №1. С.3-6.
144. Пущаровский Ю.М. Парадигмы в геологии // Природа. 1995. №1. С. 3342.
145. Рабинович М.И. Автоколебания распределенных систем // Изв. вузов. Радиофизика. 1974. Т. 17, №4. С. 477-510.
146. Рабинович М.И. Стохастические автоколебания и турбулентность // Успехи физических наук. 1978. т. 125, №1. С. 123-168.
147. Рабинович М.И., Сущик М.М. Регулярная и хаотическая динамика структур в течениях жидкости // Успехи физических наук. 1990. Т. 160, № 1.С. 3-64.
148. Реймерс Н.Ф. Природопользование. М.: Мысль, 1990. 639 с.
149. Родионов С.Н. Некоторые возможные механизмы долгопериодных колебаний в системе океан-атмосфера / ВНИИ морск. рыбн. х-ва и океаногр. М., 1979. Деп. в ЦНИИТЭИРХ 1979. №261. 10 с.
150. Рывлин А.Я. Метод прогнозирования предела прочности ледяного покрова на изгиб // Проблемы Арктики и Антарктики. 1974. Вып. 45. С. 79-86.
151. Самарский А.А. и др. Нелинейные явления и вычислительный эксперимент // Вестник АН СССР. 1985. № 9. С. 64-77.
152. Самойлович Ю.А., Волкова Г.А. Исследование кристаллизации расплава в режиме автоколебаний // Теплофизика высоких температур. 1981. Т.19, №5. С. 1002-1005.
153. Самоорганизация и динамика геоморфосистем // Мат-лы XXVII Пленума Геоморфологической комиссии РАН. Томск: Изд-во ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2003. 366 с.
154. Саушкин Ю.Г., Смирнов A.M. Геосистемы и геоструктуры // Вестник МГУ. Сер.5. География. 1968. №5. С. 27-32.
155. Свирежев Ю.М. Математические модели в экологии // Число и мысль. Вып. 5. М.: Знание, 1982. С. 16-55.
156. Свирежев Ю.М. Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастрофы в экологии. М.: Наука, 1987. 368 с.
157. Сеидов Д.Г. Синергетика океанских процессов. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 287 с.
158. Сеидов Д.Г. Синергетика геофизических систем // Природа. 1989. №9. С. 25-34.
159. Сергин В.Я., Сергин С.Я. Системный анализ проблемы больших колебаний климата и оледенения Земли. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. 279 с.
160. Скворцов А.А. О тепловой конвекции и обмене в приземном слое атмосферы // Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1951. №6. С. 60-80.
161. Сочава В.Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение. 1978. 319 с.
162. Старр.В. Физика явлений с отрицательной вязкостью. М.: Мир, 1971. 260 с.
163. Степанов В.Н. Мировой океан М.: Знание, 1974. 255 с.
164. Суханов В.В. Определение оптимальной площади резервата для популяции подвижных животных // Прикладные вопросы статистического анализа. Владивосток: ИАПУ ДВО АН СССР, 1988. С. 86-103.
165. Суханов В.В. Об автоколебаниях и волнах в структуре древостоев темнохвойных лесов // Математическая физика и математическое моделирование в экологии. Ч. II. Владивосток. 1990. С. 47-64.
166. Сысуев В.В. Структурообразующие геосистемные процессы: характерные масштабы и моделирование // Вестник МГУ. Сер.5. География. 2002. №1. С. 22-28.
167. Теодорчик К.Ф. Автоколебательные системы. М.: Наука, 1952. 271 с.
168. Тимохов JI.A., Хейсин Д.Е. Динамика морских льдов. JL: Гидрометеоиздат, 1987. 272 с.
169. Томпсон Дж. М.Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике. М.: Мир, 1985. 254 с.
170. Угрюмов А.И. О крупномасштабных колебаниях температуры поверхности воды в Северной Атлантике // Метеорология и гидрология. 1973. №5.
171. Уолтхэм Т. Катастрофы: неистовая Земля. Л.: Недра, 1982. 223 с.
172. Физические основы теории климата и его моделирования. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 271 с.
173. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983. 928 с.
174. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. 404 с.
175. Хакен Г. Синергетика. Иерархия неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. М.: Мир, 1985. 425 с.
176. Харкевич А.А. Линейные и нелинейные системы. Избранные труды в 3-х томах. М.: Наука, 1973. Т. 2. 566 с.
177. Федоров Е.К. Взаимодействия общества и природы. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. 88 с.
178. Федоров Е.К. Экологический кризис и социальный прогресс. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 176 с.
179. Черкашин А.К. Моделирование естественной и антропогенной динамики биогеоценозов в таежных геосистемах. Автореф. дис.канд. геогр. наук. Иркутск. 1983. 19 с.
180. Черкашин А.К. Модель динамики лесонасаждений лесхоза и ее применение для решения прогнозных задач // Планирование и прогнозирование природно-экономических систем. Новосибирск: Наука, 1984. С. 69-81.
181. Черкашин А.К. Математические задачи учения о геосистемах и возможные пути их решения // География и природные ресурсы. 1985. №2. С. 34-44.
182. Чупрынин В.И. Самовозбуждающиеся колебания при тепловом и вращательном воздействии на слой воды в цилиндрическом бассейне // Докл. АН СССР. 1976. Т.229, № 1. С. 63-66.
183. Чупрынин В.И. Моделирование автоколебаний в океанических круговоротах вод. Дисс. . канд. физ-мат. наук. Владивосток, 1978. 137 с.
184. Чупрынин В.И. Моделирование автоколебаний в океанических круговоротах вод. Автореф. дис. . канд. физ-мат. наук. Владивосток, 1979. 20 с.
185. Чупрынин В.И. О возмущении температуры жидкости в нестационарном поле скорости // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. Т. 16. № 8. С. 816-822.
186. Чупрынин В.И. Колебания температуры и скорости в неравномерно подогреваемом и вращаемом с поверхности слое воды в цилиндре / РАН. Дальневост. науч. отделение. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1981. 25 с. Деп. в ВИНИТИ №4551-81.
187. Чупрынин В.И. Геофизические автоколебательные системы разрывного типа / РАН. Дальневост. науч. отделение. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1985 а. 34 с. Деп. в ВИНИТИ № 709-85.
188. Чупрынин В.И. Разрывные автоколебания в геофизических системах// Автоматизация научн. исследов. и анализ географических данных. Владивосток: Изд-во ДВНЦ АН СССР, 1985 б. С. 135-152.
189. Чупрынин В.И. Разрывные автоколебания в геофизических системах. М.: Наука, 1985 в. 96 с.
190. Чупрынин В.И. Физический анализ конвективных колебаний жидкости в петле // Редакция журн. "Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана". Деп. в ВИНИТИ. № 5622-В86. 1986 а. 18 с.
191. Чупрынин В.И. Физический анализ конвективных колебаний жидкости в петле // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986 б. Т.22. № 12. С. 1323-1324.
192. Чупрынин В.И. О проектах изменения климата Дальнего Востока // Дальневосточный ученый. 1987. №28(704). С. 4.
193. Чупрынин В.И. Модель системы морской лед-снег с полиномиальным распределением температуры по вертикали// Тр. ДВНИГМИ, JL: Гидрометеоиздат. 1988. №139. С. 110-120.
194. Чупрынин В.И. .Целенаправленное преобразование климата: стратегия решения проблемы / РАН. Дальневост. науч. центр. Тихоокеанский инт географии. Владивосток, 1990. 39 с. Деп. в ВИНИТИ № 1051-В 90.
195. Чупрынин В.И. Конвективные полиячеистые структуры Земли. Препринт. Владивосток: Изд-во ДВО РАН. 1997. 58 с.
196. Чупрынин В.И. Конвективные структуры Земли с регулярно повторяющимися в пространстве элементами // Структурная организация и взаимодействие упорядоченных социоприродных систем. Владивосток: Дальнаука, 1998 а. С. 106-125.
197. Чупрынин В.И. Пространственно-периодические структуры сортировки частиц твердого материала // Закономерности строения и эволюции геосфер. Мат-лы 4-го международного междисциплинарного научного симпозиума. Хабаровск. 1998 б. С. 54-57.
198. Чупрынин В.И. Ритмические пространственные структуры геосред // Вестник ДВО РАН. 2001. №5. С. 41-52.
199. Чупрынин В.И. Нелинейности в геосистемах // Изв. АН. Сер. геогр. 2003. №6. С. 7-14.
200. Чупрынин В.И., Даричева JI.B. Об автоколебаниях в гидродинамических средах при распространении волн по замкнутым траекториям // Тр. ДВНИГМИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1978. Вып. № 70. С. 23-32.
201. Чупрынин В.И., Даричева Л.В. Региональные модели длиннопериодных колебаний в системе океан атмосфера // Автоматизация исслед. и анализа данных. Владивосток: Изд-во ДВО АН СССР. 1987. С. 41-56.
202. Чупрынин В.И., Даричева JT.B. Роль автоколебаний в эволюции природы и общества // Юбилейная научная конференция "Гидрометеорология в XXI веке". Тез. докл. Владивосток: Изд-во ДВГУ. 2000 а. С. 58.
203. Чупрынин В.И., Даричева JI.B. Автоколебательные системы и эволюция природы и общества // Мат-лы 43-й Всероссийск. Межвузовской научно-технич. конф. Т.2. Фундаментальные и прикладные вопросы физики и математики. Владивосток: ТОВМИ. 2000 б. С. 144-146.
204. Чупрынин В.И., Зимов С.А., Молчанова J1.A. Моделирование термического режима почвогрунтов с учетом биологического источника тепла // Криосфера Земли. 2001 б. Т.5, №1. С. 80-87.
205. Чупрынин В.И., Карпец В.М. Модель морского льда с полиномиальным профилем температуры по вертикали // Численное моделирование компонентов глобальной системы "Ледники-океан-атмосфера". Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. С. 42-50.
206. Чупрынин В.И., Карпец В.М. Моделирование годовых колебаний толщины морского льда с учетом нелинейности профиля температуры по вертикали // Тр. ДВНИИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1987. №129. С. 3-14.
207. Чупрынин В.И., Молчанова Л.А., Даричева Л.В. Моделирование солености морского льда // Докл. Всероссийской научно-технической конф., посвященной С.О. Макарову. Т.2. Владивосток: ТОВМИ. 1998. С. 217-219.
208. Чупрынин В.И., Орешко А.П. Термодинамическая модель морского льда /РАН. Дальневост. науч. центр. Тихоокеанский ин-т географии. Владивосток, 1991. 31 с. Деп. в ВИНИТИ №907-В91.
209. Чупрынин В.И., Тотолин Э.В. Исследование автоколебаний в модели системы океан-атмосфера// Тр ДВНИГМИ. Л.: Гидрометеоиздат. 1976. Вып. 60. С. 122-128.
210. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука. М.: Мир, 1978.420 с.
211. Щукин И.С. Общая геоморфология. Т. II. М.: Изд-во МГУ, 1964. 564 с.
212. Шулейкин В.В. Физика моря. М.: Наука, 1968. 1083 с.
213. Шупер В.А. Самоорганизация городского расселения. М.: Российский, открытый ун-т, 1995. 166 с.
214. Шупер В.А. Влияние синергетики на географическое мировоззрение // Изв. АН. Сер. геогр. 2001. №4. С. 23-30.
215. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах. М.: Мир, 1979. 280 с.
216. Экосистемы в критических состояниях. М.: Наука, 1989. 155 с.
217. Apps, M.J., Kurz, W.A., Luxmoore, R.J. et al. Boreal forests and tundra // Water, Air and Soil Pollusion. 1993. 70. P. 39-53.
218. Bjerknes J. Atmospheric teleconnection from the equatorial Pacific // Monthly Weather Review. 1969. Vol. 97,No.3. P. 163-172.
219. Chapin, F.S., III, Zimov S.A., Shaver G.R., Hobbie S.E. C02 fluctuation at high latitudes//Nature. 1996. No 383. P.585-586.
220. Chuprynin V.I., Oreshko A.P. Box thermodynamic model of sea ice// Glaciers-Ocean-Atmos. Interact. Inter. Symp. St. Petersburg. 1990. IAHS Publ. Ingland. 1991. N 208. P. 73-84.
221. Chuprynin V.I., Oreshko A.P., Ivanov A.V. Computation of the ice extent for the Tugur tidal power plant basin // The sixth international symposium on Okhotsk sea & sea ice. Abstracts. Mombetsu. Hokkaido. Japan. 1991. P. 310-314.
222. Chuprynin V.I., Oreshko A.P. Karpets V.M. Box thermodynamic sea ice model // Glaciers-Ocean-Atmos. Interact. Inter. Symp. Leningrad. Abstracts. Moscow. 1990. P. 18-19.
223. Fung I.Y., Tucker C.J., Prentice K.C. Application of Advanced Very High Resolution Radiometer Vegetation Index to Study Atmosphere-Biosphere Exchange of C02 // J. Geophys. Res. Vol. 92D. 1987. P.2999-3015.
224. Handbook of Chemistry and Physics // Editor C.D. Holdman. Chemical Rubber Company. Cleveland. 1959.
225. Hanzawa M. Studies on the interaction between the sea and atmosphere in the North Pacific Ocean // Preprints. Internat. Oceanogr. Congr. 1959. Washington. D.C.I959. P. 720-722.
226. Lieth H. Vegetaition and C02 changes // Carbon dioxide, climate and Sosiety. N.Y.: Pergamon press, 1978. P. 103-104.
227. Lorenz E.N. Deterministic Nonperiodic Flow // Journal jf the Atmospheric Sciences. 1963. Vol. 20. P. 130-141.
228. Mazo V.L. Waves on glacier beds // J. Glaciol. 1989. Vol. 35, №120. P. 179-182.
229. Meadows D. H. Meadows D.L., Randers J., Behrens W.W. The Limits to Growth // A Report for the Clab of Rome's Project on the Predicament of Mankind. New York. Universe Books. 205 pp.
230. Oreshko A.P., Chuprynin V.I. Box thermodynamical sea ice model // Reg.Conf.Asian. Pacif. Countries Int. Geogr.Union. Fdstr. Vol. 2. Beijing. 1990.
231. Parkinson C.L., Washington W.M. A largescale numerical model of sea ice //J. Geophys. Res. 1979. C84,N1.P. 311-337.
232. Woldstedt W. Das Eiszeitalter. Grundlagen einer Geologie des Quartars. Bd 1. Wissbaden. 1954.
233. Yda M. Subarctic oceanography in relation to whaling and salmon fisheries // Scient. Repts Whales Res. Jnst. 1962. No. 16. P. 105-119.
234. Zimov S.A., Chuprynin V.I. Climate and landscape perestroyas // Preceeding Intern. Conf. on the Role of the Polar Region in Global Chang. Abstr. Fairbanks. Alaska. 1990.
235. Zimov S.A., Chuprynin V.I., Krasnopeev S.M. Earth's vegetation cover response to changing atmospheric C02 concentration // Proc. of the247.248.Ф249.250.1.tern.Workshop of Large-Scale Reforestation. Oregon State University, Corvallis, 1992.
236. Zimov S.A., Davidov S.P., Zimova G.M. et al. Contribution of disturbance to high-latitude amplification of atmospheric C02 // Science, No 284, 1999, P.1973-1976.
-
Чупрынин, Владимир Иванович
-
доктора географических наук
-
Владивосток, 2004
-
ВАК 25.00.36
- Информационная концепция картографического мониторинга геосистем
- Модели и методы классификации и оценки параметров геосистем юга Восточной Сибири
- Моделирование естественной и антропогенной динамики биогеноценозов в таежных геосистемах
- Проблемы динамики вещества в геосистемах южных регионов Сибири
- Проблемы дифференциации вещества и организация геосистем
