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自然自组织系统的不可预测性和时间(空间)相关性

已有 3857 次阅读 2011-3-29 14:05 |个人分类:复杂网络|系统分类:科研笔记|关键词:学者| 地震预测, 复杂系统

对于地震来讲,好多人从沙堆模型或自组织系统的角度来说明了其不可预测性,这方面的内容大致如下:
1. 地震不可预测与自组织临界性思想 http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=43547&do=blog&id=422023
 
这里面用到的主要科学依据是古登堡—里特定律和帕·巴克的自组织思想,其中著名的沙堆模型里面强调了大崩塌和小崩塌之间应该没有时间上的相关性,任何一个非常微小的变化都可能引起一个非常大的崩塌。说实话,这确实是一个很震撼的结果,也可能是目前我们对对地震、山火等自然自组织系统的最深刻认识和理解。
 
但是,但是自组织系统真的完全刻画了这些自然系统的情况吗?
 
我觉得未必,因为我们在谈自然系统的尺度特性时,必须要涉及一定的时间和空间范围才行。
 
从空间的角度来看,比如说地震的发生是很不均匀的,因此大范围的(比如说整个世界这么大尺度)说满足古登堡—里特定律未必有用,而且我们直觉上说东京比北京明天(或明年)更容易发生地震这种预测本质上也是承认他们地理位置、结构等诸多情况的不同。尽管上面说的严格上可能不能称为预测,只是从一个概率上说明情况,但多少也有一点预测的味道吧。不过这个预测工作的实现可能不是取决于地震预测学家,研究地质和板块构造的就可以了。不同的地区在较长时间段内的积累应该有不同的幂律斜率值,这个是我们知道建筑防震级别的重要参数。
 
从时间的角度上看,黑天鹅级别的大事件出现的频率太低了,因此找出这种事件在时间上和其他事件的相关性比较难,这样级别的事件可以认为是不可预测的。但是在我们可以计算的长时间里较频繁发生的较大事件,实际上也是可以做部分预测的。不知道地震这样的系统行不行,但是像森林系统却会有“黄石公园效应”:
 
“研究人员通过计算机模拟发现的另一个现象,却对如何控制野火的规模很有启发。他们用不同的点火频率进行模拟。有的模拟每种125棵树扔一根火柴,有的每种500棵树扔一根火柴,有的则每种2000棵树才扔火柴。点火的频率越低,发生大火的频率就越高。在频率低到每种2000棵树才扔火柴时,这时网格上已密密麻麻布满了树,扔下的火柴通常点燃大量的树木,在许多情况下甚至烧光了所有的树。”

我认为这段话的意思是说压抑小事件的发生会导致比正常级别更大的事件发生,从这个角度上看,无为而治是一个好手段。这也告诉我们如果一个地方按照时间来看本该发生大事件了,这时候却没有发生,那么近期发生的可能性就很大了,我认为这也是个预测吧。

那么能否预测甚至避免某些大事件的发生呢?一种方法就是人为地制造小事件(是将幂律曲线的斜率增大吗),这样就可以避免某些大事件发生了,如黄石公园做的那样“林务员时不时地还在严格控制下有选择地放火烧掉一部分森林。”

这是否意味着尽管小事件和大事件实际上具有一定的相关性呢?而这个相关性可以帮助我们来预测大事件的发生,最终来减少损失呢?对于森林系统,这个关系目前是存在的:小火不断就不会导致大火成灾,数年没火发生火灾就是大火。对于地震系统,在我们可研究的范围内,恐怕就未必存在了。

因为这两个系统里面的不同点是第一个系统有外生因素,而第二个却主要是内生的。

罗罗嗦嗦想了这么多,写了这么多,啥也没想明白。唉,复杂系统真复杂呀!



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1 宋敦江

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