Введение к работе
Состояние вопроса и актуальность темы исследования. Работа посвящена решению фундаментальной проблемы - разработке нового универсального междисциплинарного подхода (метода и методологии) анализа эволюции сложных систем типа Опасных Природных Процессов (ОПП), для совершенствования моделирования и повышения эффективности систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты от них.
Актуальность проблемы определяется ростом потерь общества и природы от Опасных Природных Процессов. Основными причинами роста риска бытия являются демографическая проблема, высокие темпы урбанизации, расслоение стран по уровню развития, специфика техногенной инфраструктуры социума, глобальное потепление, несовершенство прогнозов и отсутствие подходов к управлению ОПП. Потери природы связаны с гибелью экосистем при воздействиях ОПП.
На основе анализа мировой статистики жертв и ущерба от ОПП (данные Бельгийского исследовательского центра за период 1965 - 1999 гг., результаты международной конференции в Иокогаме в 1994 г. и результаты исследований страховых агенств мира) показано, что для наводнений, землетрясений, ураганов и торнадо тенденции роста ущерба и жертв социума стали приближаться к степенным закономерностям [Мазур И.И., Иванов О.П., 2004]. Современное глобальное потепление увеличивает число метеорологических ОПП и ущерб от них. Возросло число циклонов 4-й и 5-й категории (Головко В.А., 2006), увеличились масштабы наводнений и засух. Девять из 10 стихийных бедствий связаны с гидрометеорологическими опасными явлениями, в результате которых с 1980 по 2000 гг. в мире погибло 1,2 млн. человек, а ущерб от последствий таких явлений насчитывает более чем 900 млрд. долл. США (Бедрицкий А.И., 2008).
Несовершенство прогнозов связано с превалированием узконаучных классических подходов, не позволяющих перейти к комплексному анализу таких сложных явлений как ОПП, несущих в себе нелинейную динамику и сложные сочетания газодинамических, термодинамических и электромагнитных явлений.
Нужен принципиально новый подход с учетом всех пространственно-временных уровней взаимосвязи таких процессов.
Перечисленные выше проблемы, а также опыт работы автора в области системного анализа ОПП стали основой выбора темы диссертационной работы.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - Опасные Природные Процессы (ОПП), как сложные системы.
ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - разработка универсального подхода (метода и методологии) для анализа специфики эволюции любых сложных систем ОПП, включая ОПП, с целью совершенствования моделирования и рекомендаций по улучшению систем мониторинга, прогноза и превентивной защиты.
Обоснование и разработка принципиально нового междисциплинарного подхода для анализа специфики эволюции любых сложных систем, включая ОПП, на базе структурно-фазовых переходов. Разработка метода исследований индивидуальных структурно-фазовых переходов. Анализ общих принципов эволюции. Создание методологии анализа эволюции сложных систем. Практическое применение нового подхода.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Теоретическая часть
1. Провести ретроспективный анализ достижений в области смежных наук,
для разработки междисциплинарного подхода по исследованию различных ОПП.
2. Разработать и обосновать новый междисциплинарный подход
представления процесса эволюции сложных систем как последовательности
структурно-фазовых переходов. Создать способ индивидуального и обобщенного
анализа переходов. Исследовать принципы эволюции различных сложных систем
и рассмотреть возможность управления эволюцией в структурно-фазовых зонах.
3. Исследовать и обосновать источники энергетического развития ОПП на
базе взаимодействия сложных систем между собой и с окружающей средой.
Изучить специфику взаимодействия систем ОПП и предложить способы оценки
степени их взаимодействия и неравновесных состояний.
Показать, что ОПП являются подклассом кумулятивно-диссипативных процессов, управляются законами кумуляции и кумулятивной диссипации и образуют аналогичные структуры и формы. Разработать принципы и прогностические признаки возникновения экстремальных фаз эволюции.
Разработать новую междисциплинарную методологию комплексного системного анализа ОПП с позиций взаимодействия систем.
Практическая часть
6. Использовать кумулятивно-диссипативный подход для разработки новых
моделей ОПП и сформулировать для них предложения по повышению
эффективности прогноза, мониторинга и превентивных мер защиты.
1. Разработан новый междисциплинарный подход представления
эволюции сложных систем ОПП в виде диаграмм и сценариев распределения
структурно-фазовых переходов в процессе эволюции. Обоснована структура
универсального алгоритма для анализа нелинейной динамики любых
структурно-фазовых переходов и доказана его применимость для оценки
устойчивости и адаптивности систем к нарушению пространственно-временной
симметрии в точках бифуркации. Сформулированы основные закономерности
эволюции сложных систем ОПП. Рассмотрена специфика моделирование
развития сложных систем на междисциплинарной основе. Показана
возможность управления эволюцией любой сложной системы в кризисных
зонах структурно-фазовых переходов.
Доказано, что основой энергетической обеспечения процесса эволюции сложных систем ОПП являются взаимодействия между системами и с окружающей средой. Показано, что взаимодействия базируются на общих принципах и отражаются на внутренних (нелинейность, самоорганизация), внешних (формы) и пограничных (фликкер-шумы, фрактальность, автоволновые явления) состояниях систем-мишеней. Установлена применимость фрактального анализа, фликкер-шумов и универсального алгоритма для оценки степени взаимодействий и неравновесности состояний систем. Сформулированы принципы и признаки этих взаимодействий.
Впервые показано, что достижение экстремальных фаз эволюции ОПП
управляется обобщенными законами и принципами кумуляции силовых и потенциальных полей с образованием конечного ряда кумулятивно-диссипативных форм и структур. Доказано, что специфика форм экстремальных фаз ОПП является прогностическим признаком крайне неравновесных состояний систем. Установлено, что процессы вращения вызывают кумуляцию вещества и энергии и, как следствие, максимизацию углового момента инерции системы.
Впервые разработана основа новой естественнонаучной методологии комплексного междисциплинарного системного анализа возникновения, эволюции и проявления ОПП как сложных систем. Методология основана на совокупности принципов и признаков эволюции, взаимодействия, кумуляции и кумулятивной диссипации, а также их целостной взаимосвязи.
На основе нового подхода систематизирована иерархия взаимодействий сложных природных систем и создана генетическая классификация ОПП. Разработаны новые качественные модели возникновения сильных прибрежных землетрясений и тектонических мегацунами, универсальная модель русловых и устьевых наводнений, а также модели цунамигенных и нагонных наводнений. Сформулированы рекомендации по совершенствованию систем прогнозирования, мониторинга и повышения эффективности превентивных мер защиты.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА 1. Впервые разработан новый научный подход, позволяющий рассматривать сложные системы (на примере ОПП) как кумулятивно-диссипативные диалектически взаимосвязанные явления, возникающие и развивающиеся в условиях взаимодействия с другими системами и окружающей средой. Показано, что открытость систем к обмену энергией обеспечивает системам в процессе их развития вхождение в неравновесные состояния и переход к новым равновесным состояниям через структурно-фазовые переходы. Эволюция системы представлена как последовательность структурно-фазовых переходов, которую можно изобразить в виде диаграммы или сценария. На основе анализа смены механизмов структурно-фазовых переходов в процессе эволюции любой системы утверждается необходимость моделирования процесса эволюции на основе междисциплинарного подхода и комплексных систем уравнений, сочетающих газодинамические, термодинамические и электромагнитные параметры и
аргументы с запаздыванием.
Предложен универсальный алгоритм феноменологического типа для исследования отдельных структурно-фазовых переходов, позволяющий соединить переход к неравновесному состоянию через процесс хаотизации в зоне бифуркации с последующей самоорганизацией через адаптацию и устойчивость системы на выходе из структурно-фазового перехода. Алгоритм позволяет анализировать структурные переходы и выбирать наиболее неравновесные из ьих для воздействия с целью управления энергетикой ОПП.
На основе сопоставления диаграмм и сценариев эволюции различных сложных систем сформулированы обобщенные принципы и признаки эволюции в условиях взаимодействий. На этой базе созданы концептуальные основы междисциплинарной методологии системного анализа ОПП, представляющей собой целостную взаимосвязанную систему принципов, признаков, свойств и методов исследования, объединенных принципом кольцевой связи.
Предложенный комплексный кумулятивно-диссипативный системный подход позволил систематизировать иерархию взаимодействий сложных систем и создать новую классификацию ОПП, а также разработать ряд новых моделей различных ОПП. Для них разработаны рекомендации по повышению эффективности мониторинга, прогноза и превентивных мер по защите от ЧС.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется использованием апробированных методов математического моделирования, согласием полученных результатов с данными экспериментов и наблюдений и теоретическими работами других авторов, непротиворечивостью результатов и выводов, их четким физическим смыслом и согласованностью с современными представлениями о предмете исследования. Все результаты прошли апробацию путем научных публикаций и докладов на конференциях и научных семинарах.
Личный вклад автора. Разработана кумулятивно-диссипативная основа для создания единой междисциплинарной теории ОПП на базе комплексного универсального подхода исследования эволюции сложных систем по зонам структурно-фазовых переходов и универсального алгоритма. Создана
генетическая классификация ОПП с позиций иерархии взаимодействия сложных открытых систем и предложены новые модели ОПП. Внесены конструктивные предложения по повышению эффективности систем мониторинга, прогноза, превентивной защиты и управления уровнем опасности ОПП.
Апробация работы. По результатам исследований разработан курс «Опасные Природные Процессы», читаемый в АГЗ МЧС, выпущены учебник с аналогичным названием, 3 учебных пособия и 2 монографии. Материалы диссертации докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, обсуждались на различных научных семинарах.
Список конференций.
Международные: третий советско-японский симпозиум по геодинамике и вулканическим зонам перехода от азиатского континента к Тихому океану, 1975; Международная конференция ICAM, Геологическое Общество Аляски, Анкоридж, 1992 г.; Международная научная конференция «Геофизика и современный мир», 1993 г.; Международный форум «Информатизация и Экология», 1994; Московский международный форум «Устойчивое развитие в изменяющемся мире», 1996 г.; Международный экологический форум «Инвестиции в экологию - шаг в будущее», Москва, 2001; Международный симпозиум и школа «Синергетика геосистем», 2007 г.; Международные симпозиумы «Фракталы и прикладная синергетика» 2002,2004, 2006,2008 гг.
Всесоюзные: седьмая Всесоюзная н/т геофизическая конференция г. Львов, 1976 г.; Всесоюзное совещание «Геодинамика и полезные ископаемые, 1976 г.; Восьмое Всесоюзное совещание по изучению современных движений земной поверхности, 1977 г.; Первый съезд советских океанологов «Геология морей и океанов»,1977 г.; Всесоюзное совещание «Структура, геодинамика и сейсмичность земной коры Северо-Востока СССР, ГИН РАН, 1990 г.; Всесоюзная конференция «Катастрофы и человечество, Суздаль, 1991 г.; Всесоюзные совещания «Прогнозы и циклы», 1991,1992,1993,1995 гг., Вторая Всесоюзная н/п конференция по проблемам реабилитации населения в зонах экологических нарушений, 1995 г.
Основные публикации по теме.
По теме диссертации опубликовано 2 монографии, 1 учебник, 3 учебных пособия, 37 научных статей в отечественных журналах и трудах конференций, 9 научных статей опубликовано в рецензируемых журналах по перечню ВАК. Список основных работ представлен в конце автореферата. Общее количество научных публикаций автора около 160 наименований.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа объемом 324 страницы состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 258 наименований.
