面向气候变化地球系统模拟建模探索(上)

地球是开放系统的集合,在现实世界中,任何取自于地球的模拟对象皆包含着耗散与回递的因子,所以它们亦是非线性的。非线性方程式基本上无解,这就是建模与数字化面临的难题。因此本文给出系统的严谨数学定义与其参数,透过自动化模式、线性机械线路、形式语言与其等价的文法规则及混沌系统理论,直接以时空拓扑结构及回递函数、量子方程式与化学反应式之本质,取代偏微积分方程式,以非线性离散数学直接描述所有取自于地球的模拟对象,令数字化模式与模拟对象一致,以解决建模问题,更为科学打开通往数学物理化的门扉,进而从根本上消弭数学与物理间不一致的基础危机。     

面向气候变化的复杂地球系统建模与模拟探索（下）*

科学界有一种不成文的法则：物理是具体模式,其原始术语摘自于真实世界的对象与关系。数学则是理想模式,其原始术语来自于对猜想的演绎。一般说来,物理学以观察、测量与实验为现象辩护。数学则是以推理演绎为物本身辩护。前者是对物理现象的诠释,后者是阐述事物隐含的本质。显而易见,这两种知识有本质上的差异,亦各有先天的盲点与缺陷。因此在入门的瞬间,彼此不一致的裂痕业已出现,并延续下来。这就是千百年来科学知识疑窦丛生的肇因。这篇论文秉持真理,根据宇宙时空结构转换所遵循的自然律为立足点,更为数学打开了通往物理公设化（axiomatisation）的门扉,进而令数学与物理学一致,以破解千百年来科学界“悬而未解”的种种问题,从根本上彻底消弭了自古以来令数学与物理陷于严重困扰的基础危机。     

工程设计的偏微分方程描述系统非线性的数学与工程基础简要

从数学与工程两方面概述分析工程设计的动力系统与其描述偏微分方程的非线性问题的理论与技术基础简要.论及微分方程概念、类型及一般形式,微分方程与动力系统的关于线性与非线性的形式及实质关系、非线性判定,线性与非线性方程的解,工程问题的方程近似解,线性与非线性系统特点,混沌等非线性及复杂性问题的处理等方面,可作为现代工程设计计算的理论与技术基础的简要参考.     

面向气候变化的复杂地球系统建模与模拟探索(上)

1960年混沌理论先锋劳伦斯(Edward Loranz)开启了数字化电脑天气模拟风气之先,劳伦斯经过一番苦思,以量子力学的普朗克(Max Planck)黑体幅射方程式、波与粒子二重性、质能不灭定理、盖·吕萨克定律(Gay-Lussac's Law)与查理定律(Charles's Law)阐述温度、湿度及风速与压力之间的关系[1-3].劳伦斯选择了12个偏微积分"原始"方程式将它们电脑化,科学家们声称这些方程式理论上都没有问题,因为几个世纪下来证明这些方程式都很管用.只不过时代变化得太快,一旦资料超过期限,预测就无法准确了.     

高层大气建模:从地球到行星

地球和行星的高层大气作为大气圈与空间环境的过渡区,是大气科学和空间科学的交叉研究领域.高层大气理论模式及其数值模拟可以突破实验观测的限制,又能够比理论分析更为全面细致地重现高层大气的各种物理和化学过程,在高层大气的研究中表现出独特的优势,也一直是国际高层大气研究热点之一.虽然地球高层大气和其他行星高层大气存在差异,但它们之间有着密切的联系,因此大多数的行星高层大气理论模式都是以地球高层大气理论模式为基础开发的.本文聚焦于地球和行星高层大气理论模式,对目前国内外主流的地球和行星高层大气理论模式的发展历史及其性能进行了系统介绍.     

地球系统演化自组织理论与热动力模式

地球演化遵循特殊的非平衡、非线性物理学原理.地球之所以摆脱了行星共有的归宿——非平衡定态,跃迁到一个充满希望的非线性世界,是由于地球体系曾发生过一次来自内部的、随机的巨涨落。这次决定地球命运的巨涨落就是原始CO_2大气自发液化事件(干冰事件).建立在非平衡热力学理论和干冰假说基础上的地球系统演化理论与模式,使许多地球问题和复杂现象获得解释,同时也成功地建立了完整的地球演化重要事件的时间序列.     

地球系统科学

地球系统科学是以全球性、统一性的整体观、系统观和多时空尺度，来研究地球系统的整体行为，使得人类能更好地认识自身赖以生存的环境。更有效地防止和控制可能突发的灾害对人类所造成的损害。地球系统科学在现代技术．尤其是空间技术和大型计算机发展后出现，致力于对地球的整体探索。它以地球科学许多分支学科的大跨度交叉渗透，与生命科学、化学、物理学、数学、信息科学以及社会科学的紧密结合为特征。其研究发展的特点为时空尺度大，综合性强，实用空间大。支持有效监测和预测。研究中大量采用高新技术。采集、存储、处理的数据量都极其巨大。     

地球大气太空来

科学家最近发现，取自地球内部深处的氪元素和氙元素的原始样本，跟古陨石的化学构成完全一致。此前公认的观点是，地球大气是由地球火山不断喷发而逐渐累积形成的。但从最新证据来看，地球大气实际上很可能是源于一连串的彗星。换句话说，今天我们呼吸的大部分气体都起源于太阳星云——后来形成太阳及太阳系行星的尘埃和气体云团。     

地震数据反演中的非线性问题

研究灾害地震现象的天然地震观测都是在地面进行的。资源勘探进行的人工地震有的在地面观测,有的在井中观测。根据观测到的数据推算地球内部的物质结构的几何形态和物性参数称为反演。这样的问题与遥感遥测,自动控制、天文观测、无损检测、疾病诊断、海洋工程等学科领域中的问题相似,它们归结出的数学问题是一致的,尽管不同的实际问题带有本学科领域的特点。反演过程不是一个物理过程,而是一个利用数学手段来求逆的过程。反演问题有两个最显著的特点:(1)大部分反问题都是非线性的;(2)它们大都是不适定的数学问题。非线性问题常常通过逐步线性化来解决。但由子实际问题非线性性很强,逐步线性化的办法往往不符合实际物理背景,也得不到好的结果。近年来,开展非线性研究,主要是通过将观测数据与理论正演模拟数据的最佳拟合来确定介质的物性参数。但由于介质参数的模型空间非常大,加之问题的非线性性很强,求目标函数的全局最小的问题困难很大。在地震数据反演中,由于数据的不完备,噪音的存在,源的情况复杂且未知等原因,要求得目标函数的全局最小值是不现实的。我们只能求一定意义下的最佳解。本文中,我们介绍地震反演问题求解的主要方法,重点讨论:(1)线性迭代解法;(2)非线性迭代解法;(3)模拟退火法;(4)生物基     

基于数字地球的地理学研究

“数字地球”是一个地球信息模型，它首先是一个地球表层信息模型。从这点说它与地理学研究的对象地球表层有紧密的联系，因此，地理学研究可以借助数字地球的科学思想与平台。传统的地理学研究模式遵循着点一线一面的路径，这种认识路径不符合人的认识规律。因而需要建立符合人对地物认识规律的研究路线——从宏观到微观，从整体到局部。这种地理学的研究路线在数字化时代可以得到实现。     

低浓度颗粒流Boltzmann方程的同伦分析方法解

同伦分析方法(homotopy analysis method, HAM)是求解强非线性问题的有力手段. 针对颗粒流的动理学理论中的非线性微分积分方程——?Boltzmann方程, 采用 HAM方法选取局域Maxwell速度分布函数作为初始猜测解, 得到了低浓度颗粒流的Boltzmann方程的一阶近似解, 与传统的Chapman-Enskog方法得到的一阶近似解表达式的结构一致, 初步显示了HAM方法求解Boltzmann方程的有效性, 为一般Boltzmann方程的HAM方法求解奠定了基础.     

周期系数的吕卡提方程的周期解

1.问题的提出 陈省身教授在中国科学院数学研究所讲学时,联系到空间曲线的封闭性问题,提出如下问题: 周期系数的吕卡提方程在什么条件下存在周期解。即吕卡提(Riccati)方程     

激波作用下非晶合金的晶化理论研究

在实验中观察到，在激波作用下非晶合金晶化成纳米晶体。本文试图对这一现象给出初步的理论上的解释。非晶合金内部微观不均匀，分布着大量微小有序原子集团（ｃｌｕｓｔｅｒ）和位错。在激波作用下，位错运动，而ｃｌｕｓｔｅｒ阻碍激波的传播，使位错堆积于ｃｌｕｓｔｅｒ周围。激波与ｃｌｕｓｔｅｒ周围局域应力场相互作用使得ｃｌｕｓｔｅｒ旋转，而ｃｌｕｓｔｅｒ周围的高应力应变能使类液区（ｉｎｔｅｒｃｌｕｓｔｅｒ）原子切变沉积于ｃｌｕｓｔｅｒ上，ｃｌｕｓｔｅｒ长大成为微晶，非晶合金晶化。     

Nested timed automata with various clocks

It is a great challenge to analyze a timed system extended with recursions,e.g.interrupt,since two dimensions of infinity,an unbounded stack,dense time recorded by clocks,occur in such a system.Furthermore,when investigating a recursive timed system,various types of clocks,such as global clocks,local clocks,frozen clocks,should be taken into consideration.The mixture of different types of clocks affects the expressiveness of recursive timed models.This paper gives detailed and complete investigation on the decidability results of a recursive timed system with different kinds of clocks,under a model named nested timed automata.These results can be naturally extended to other recursive timed systems.     

我国若干典型地区固溶体矿物中的振荡环带与时空自组织

作者首先阐述了典型地区斜长石和石榴石矿物中的振荡环带特征;尔后,根据固溶体矿物结晶生长过程中的非平衡非线性特征,熔体聚合模型和正规溶液模型,提出了固溶体矿物中振荡环带成因的动力学模型。通过建立界面状态(组成)的质量守恒方程,合理地阐明了固溶体矿物中振荡环带的可能机理——非平衡自组织,寻找界面反应三重态是研究固溶体矿物中振荡环带的一条相当普遍的途径。     

一种基于定量驱动策略和18O标记方法的比较蛋白质组学分析平台

定量蛋白质组学技术是一种高通量的蛋白质分析技术, 有望大大推动生物学和医学研究的发展. 最近提出了一种基于定量驱动的定量蛋白质组学分析新策略, 它采用定量和定性分析分开的模式, 先通过液相色谱一级质谱(LC-MS)定量分析确定差异肽段, 然后针对这些差异肽段再做液相色谱串联质谱(LC-MS/MS)定性分析, 最后通过定性和定量数据的匹配来获得差异蛋白结果. 这种策略被证明可以针对性地鉴定差异肽段, 增加差异蛋白的检测个数. 我们基于该策略和18O标记方法建立了一种新的定量蛋白质组学分析平台. 研究证明了该分析平台在定量蛋白质组学研究中的可行性. 本文还根据此研究在理论上提出了一种新的MS/MS分析的数据依赖模式, 即实时定量依赖的MS/MS离子选择模式.     

月球巨撞击起源的最新模拟

月球的起源与地球有密切关系。自1880年提出月球是从地球分裂出去的假说以来,科学家们提出了多种假说。近30多年来流行的是巨撞击假说,认为有颗称为忒伊亚(Theia)的星体撞击原地球,抛出的物质很快聚集形成地球的卫星--月球。行星形成过程的观测和理论研究确信地球吸积晚期经历过巨撞击,而月球的探测资料提供其起源的约束,计算机模拟方法的发展可以量化地跟踪撞击演变过程,得到符合约束的合理情况的可能范围。介绍三种最新的最佳模拟及其结果,虽然有所不同,但在很多关键问题上取得了重要进展,并得到一些普遍的结论。解决了地球和月球起源的基本问题,但还需要进一步研究遗留的或可能提出的新问题。     

东雷二级泵站水锤防护措施研究

长距离输水过程的水锤计算，已经成为供水过程安全运行的重要技术问题之一，本研究应用特征线法理论计算水锤偏微分方程，通过数值模拟东雷二级泵站程进行水锤防护计算，为该工程的优化设计及安全运行提供必要的技术支持。     

人工神经网络在土石坝安全监测系统中的应用

介绍了土石坝安全监测系统研究的目的、内容以及人工神经网络BP模型的建立,论述了人工神经网络在土石坝监测资料分析中的应用,可以给大坝管理带来新的技术,有助于充分发挥工程效益,有效地改善工作人员的劳动条件和减轻劳动强度。