環(huán)境模擬

前言

這本書是專門針對那些對系統(tǒng)和環(huán)境感興趣的大學(xué)生編寫的。本書主要介紹了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型在理解和管理環(huán)境系統(tǒng)中的應(yīng)用。本書可以作為兩個(gè)學(xué)期的大學(xué)本科教材，也可以作為環(huán)境系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模擬方向的研究生教材。開卷有益學(xué)習(xí)本書的前提是，讀者具備初等代數(shù)的基礎(chǔ)，懂得怎樣統(tǒng)一計(jì)算過程中的單位。然而，通過本書的學(xué)習(xí)，也可能會(huì)使你在初等代數(shù)和統(tǒng)一計(jì)算單位這兩個(gè)領(lǐng)域的一些最初觀念得到更新。附錄A介紹了如何定義和組合單位。附錄B描述了兩個(gè)在你先前數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)中的重要主題：指數(shù)增長和指數(shù)衰減。使用本書，你不需要知道微積分或者微分方程組。相反，你將學(xué)會(huì)如何在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。你的工作要集中于模型結(jié)構(gòu)；單調(diào)乏味的數(shù)值模擬將由計(jì)算機(jī)來完成。Stella（附錄C）、Dynamo（附錄D）、Vensim（附錄E）和Powersire（附錄F）等軟件，使得計(jì)算機(jī)模擬變得簡單。本書用的是Stella軟件，所以如果你使用stella，將會(huì)發(fā)現(xiàn)你的工作和本書所講內(nèi)容之間有最直接的匹配。然而，你也可以使用本書中提到的其他任何一個(gè)軟件包。每個(gè)軟件都很容易學(xué)習(xí)，而且都可以用來構(gòu)建環(huán)境系統(tǒng)的強(qiáng)大模型。第一部分導(dǎo)論第1章介紹了建模的一般過程以及系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的具體應(yīng)用領(lǐng)域。第2章解釋了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的基本構(gòu)建模塊：庫和流。第3章闡述了在計(jì)算機(jī)上完成模型的數(shù)值模擬。第一次構(gòu)建和使用一個(gè)真實(shí)環(huán)境系統(tǒng)模型的機(jī)會(huì)出現(xiàn)在第4章，該章描述了一個(gè)加利福尼亞北部莫諾盆地（Mono Basin）的水流模型。第5～9章完成了導(dǎo)論的介紹資料部分。第5章描述的是平衡圖，一個(gè)變化的庫一流圖，表明在動(dòng)態(tài)平衡下維持系統(tǒng)的各種流。第6章描述的是看似不同的兩個(gè)系統(tǒng)的模型，但是隨時(shí)間的變化都展示出s形增長。它們行為的相似性是來源于其結(jié)構(gòu)的相似性。第7章介紹了觀察系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的另一種方法。書中介紹了因果回路圖，并演示了這種圖是怎樣刻畫系統(tǒng)的反饋結(jié)構(gòu)的。第8章提供了應(yīng)用新的圖表形式來解釋體內(nèi)平衡的機(jī)會(huì)。第9章以“牛眼圖”的一些介紹資料作為導(dǎo)論部分的結(jié)束。牛眼圖是描繪模型邊界條件的一種便捷方法。

內(nèi)容概要

環(huán)境問題的解決需要理解環(huán)境系統(tǒng)行為，而環(huán)境系統(tǒng)行為的研究離不開各種各樣模擬方法的應(yīng)用。本書詳細(xì)講解了系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立的過程、步驟與方法以及在模擬過程中可能遇到的問題與解決途徑，并結(jié)合20世紀(jì)美國面臨的一些生態(tài)和環(huán)境問題，運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型常用的一個(gè)有效工具——SteHa進(jìn)行了大量的實(shí)例演示與分析。本書附錄還簡略介紹、對比分析了六種目前常用的模擬軟件，包括Stella、Dynamo、Vensim、Powersim軟件、電子表格和特殊函數(shù)。環(huán)境系統(tǒng)模擬對于幫助理解社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等問題的過程、機(jī)制和關(guān)系，解決環(huán)境系統(tǒng)各層面尤其是復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)中的各種動(dòng)力學(xué)關(guān)系具有重要作用。本書突出了模型在環(huán)境模擬中的作用，并且對模擬工具也有較完整的說明和應(yīng)用，便于廣大研究者與實(shí)踐人員更好地掌握系統(tǒng)模擬工具，理解模型的運(yùn)用，對于推動(dòng)環(huán)境系統(tǒng)模擬在我國地球系統(tǒng)研究和實(shí)踐領(lǐng)域特別是環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用均有積極作用。    本書可供高等院校相關(guān)專業(yè)的本科生、研究生參考，也可供相關(guān)領(lǐng)域的科研人員和教師參考。

作者簡介

作者：(美國) 福特 (Ford.A.)  譯者：唐海萍 史培軍

書籍目錄

序言致謝第一部分 導(dǎo)論  第1章 概述  第2章 庫和流  第3章 數(shù)值模擬  第4章 莫諾盆地的水流模型  第5章 平衡圖  第6章 S形增長  第7章 因果回路圖  第8章 因果回路與體內(nèi)平衡  第9章 牛眼圖第二部分 物質(zhì)流模擬  第10章 物質(zhì)流簡介  第11章 步長的取值  第12章 模擬DDT流  第13章 幼鮭的春季洄游  第14章 圖坎嫩河鮭魚模型第三部分 建模過程  第15章 建模步驟  第16章 凱巴布高原鹿群模型第四部分 模擬周期系統(tǒng)  第17章 振蕩導(dǎo)論  第18章 凱巴布高原上的捕食者-獵物振蕩  第19章 鋁生產(chǎn)的波動(dòng)性第五部分 管理飛行模擬器  第20章 空氣污染、清潔車輛和費(fèi)用減免  第21章 雛菊世界的氣候控制第六部分 結(jié)論  第22章 驗(yàn)證  第23章 來自電力工業(yè)的教訓(xùn)回顧  附錄A 計(jì)量單位  附錄B 數(shù)學(xué)回顧軟件  附錄C Stella  附錄D Dynamo  附錄E Vensim  附錄F Powersim  附錄G 電子表格  附錄H 特殊函數(shù)專題  附錄I 空間動(dòng)態(tài)  附錄J 綜合靈敏度分析  附錄K Idagon參考文獻(xiàn)譯者編目  圖中變量的中英文對照  地名和機(jī)構(gòu)名的中英文對照譯后記

章節(jié)摘錄

插圖：模型是用來代替真實(shí)系統(tǒng)的。當(dāng)對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行操作比較困難時(shí)，就需要用模型這個(gè)替代系統(tǒng)。建筑師的藍(lán)圖、工程師的風(fēng)洞和經(jīng)濟(jì)學(xué)家的圖表都是模型。它們代表了一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的某些方面——建筑物、航空器或國家經(jīng)濟(jì)。當(dāng)這些模型能夠幫助我們學(xué)到一些關(guān)于它們所代表的真實(shí)系統(tǒng)的新知識(shí)時(shí)，模型就是有用的。我們當(dāng)中的許多人已經(jīng)建立和使用過模型。最初的經(jīng)驗(yàn)可能已經(jīng)涉及物理模型，如紙飛機(jī)或紙板滑翔機(jī)，這些模型易于組裝和使用，使實(shí)驗(yàn)操作變得有趣。我們進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后再嘗試。通過這種方法，我們了解了飛行動(dòng)力學(xué)。如果我們的經(jīng)驗(yàn)一致，就會(huì)知道，要想使紙飛機(jī)飛得更遠(yuǎn)，不能簡單地用力投擲，每只飛機(jī)在空中飛行時(shí)似乎都遵循其自然滑翔路徑。通過實(shí)驗(yàn)，我們了解到飛行的自然軌跡能在多大程度上得到改進(jìn)。本書側(cè)重于環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型用方程來表示系統(tǒng)內(nèi)的相互聯(lián)系。我們將集中關(guān)注一類特殊的數(shù)學(xué)模型，它們是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行“模擬”的。因?yàn)榇罅糠爆嵉挠?jì)算交由計(jì)算機(jī)來執(zhí)行，故稱其為計(jì)算機(jī)模擬模型。我們的工作就是思考建立描述環(huán)境系統(tǒng)模型的最佳途徑。如果工作做得很好，就能利用模型來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們嘗試實(shí)驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后再重復(fù)實(shí)驗(yàn)。通過這種方法，將會(huì)提高我們對于環(huán)境系統(tǒng)里自然軌跡的理解。通過使用計(jì)算機(jī)模型的模擬實(shí)驗(yàn)，我們將了解到系統(tǒng)運(yùn)行的自然軌跡能在多大程度上得到改進(jìn)。非正規(guī)模型我們隨時(shí)都在使用模型，但大部分時(shí)候用的都不是正規(guī)的模型。我們腦海中浮現(xiàn)的是一個(gè)簡化了的復(fù)雜系統(tǒng)圖像，有時(shí)稱之為“心理模型”。Senge（1990）這樣描述心理模型：“根深蒂固的假設(shè)、概括，甚至圖像，影響我們?nèi)绾握J(rèn)識(shí)世界，如何采取行動(dòng)。”我們常用心理模型來解釋周圍的世界。

后記

ModelingtheEnvironment中文翻譯稿終于完稿，即將付梓出版，欣喜之情難以言表。這部著作最早是2000年由史培軍教授從美國為他的博士后們帶回來的。當(dāng)時(shí)我博士后剛出站留校任教，為研究生講授《系統(tǒng)工程》這門課程，這本書就恰似及時(shí)雨，一直作為我給學(xué)生授課的主要參考書之一。這部著作理論體系完整，講解深入淺出，更有很多研究實(shí)例，使我受益匪淺，于是就萌生了想將此書翻譯成中文稿，讓更多的同行和研究生了解和掌握系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法在資源與環(huán)境管理研究中應(yīng)用的念頭。從2005年起，我承擔(dān)了此書的翻譯工作，并和史培軍教授一起組織校訂。正如史培軍教授所言，翻譯一本書比寫作一本書難度要大得多。在翻譯和校訂過程中，我們遇到了許多困難，但還是咬牙堅(jiān)持下來了。為了能夠準(zhǔn)確翻譯書中的內(nèi)容，努力做到信、達(dá)、雅，我們字斟句酌，利用寒暑假的時(shí)間集中進(jìn)行研討，梳理國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，請教該領(lǐng)域的大師名家，以期忠實(shí)地將這部著作呈現(xiàn)給讀者。書中大量的專有詞匯和不同學(xué)科領(lǐng)域的專業(yè)詞匯，還有地名、人名、機(jī)構(gòu)名等，看懂輕而易舉，可是要準(zhǔn)確查找出來，并非易事，有時(shí)候一個(gè)詞就要查找半天。雖然發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)資源為我們提供了快速獲取信息的途徑，但是甄別可靠的信息和獲取所需知識(shí)的瀏覽過程是極度費(fèi)時(shí)費(fèi)力的。2008年上半年，在對全部譯稿統(tǒng)稿修改三遍之后，最后由史培軍教授于百忙之中撥冗審閱定稿，順利完成了全書的譯稿。雖竭盡所能，但本譯稿一定還存在許多欠缺和不足之處。如部分術(shù)語的翻譯，可能會(huì)存在譯法分歧，望讀者見諒，其他缺憾肯定也在所難免。懇請廣大讀者在閱讀過程中不吝賜教，批評指正，特別是誠請本書原作者能夠諒解。以下同志參加了本書部分章節(jié)的翻譯，他們是：閆玉春、常瑞英、李薇、陳海濱、顏莉娟、李濱勇、劉亮、李新宇、蔡寅和李嶸。馬駿、李濱勇、顏莉娟和袁素芬同志參加了本譯稿修訂的討論。此書得以順利出版，得益于多方的幫助和支持。本書的面世首先應(yīng)該感謝原著作者——華盛頓州立大學(xué)地球與環(huán)境學(xué)院的AndrewFord教授，在我們2006年9月20日向他發(fā)郵件征詢是否同意出版該書中文版時(shí)，他馬上就和Island出版社的AngelaOsborn女士聯(lián)系，并于10月2日回復(fù)我們，欣然同意將此書譯成中文并給了一些獲取版權(quán)所需要的程序建議；感謝科學(xué)出版社幫助聯(lián)系Island出版社獲得譯著版權(quán)；感謝國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“內(nèi)蒙古典型草原退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建的機(jī)理及在碳貿(mào)易中的價(jià)值評估”（批準(zhǔn)號(hào)：40571057）和地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京師范大學(xué)）資助出版此書。

編輯推薦

《環(huán)境模擬:環(huán)境系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型導(dǎo)論》是由科學(xué)出版社出版的。

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