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系统分室模型与流(2)

时间:2010-01-29 02:11 来源:地理教师网 作者:云中雪 责任编辑:地理教师
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  式中λij是代表转移系数的一个常量。在以上所举的这个例子中,大气分室与表面海水分室之间的流规定为:

  F18=λ18X1 (4.15)

  事实上,在实施系统的流分析时,应当在观测中得知分室的贮存量以及流的数量,这样即可较容易地计算出转移系数λij,它等于

  λij=Fij/Xi (4.16)

  如图4—7所示的数值,可以计算出:

  λ18=2.5×107/1.75×108=0.143 (4.17)

  其单位是一个无量纲的比例系数,意味着大气分室中的碳贮存量,每年将有0.143倍转移到表面海水这个分室当中。

  有时,也称转移系数λij为转移速率常数。转移系数的倒数,被定名为时间常数,这是一个很有用的参数,它意味着在一种稳定条件下,某个源分室中所贮存的物质被全部置换出来后所要花费的时间。针对上例将所举生态系统各分室的转移系数列表4-2。

  

  如果知道了每一个分室的转移系数,并且也知道在稳定态下的各分室对碳的贮存量,即可变换方程式的书写形式,将具体的数值代入。这时该数学模型就包含了有关这个系统行为的全部信息。只要给出状态变量的初始数值,就能解出这一组方程并且描绘出各个状态变量是如何随着时间变化的。有相当多的途径可以挑选出来实行计算,本节只是介绍了一种最基本最常用的方法,有时也称此种方法为尤拉方法或矩形方法。该种方法的采用,并不要求具备描述该生态系统的动态特性的复杂方程组,只是应用一个简单的方程形式,即

  Xt 1=Xt-(λXt)△t (4.18)

  这个方程通常也被用来描述其他的动态过程,例如描述在森林中有一棵被伐倒的树,在林地上逐渐被腐烂的过程。其中Xt 1为在t 1时刻该树的质量大小;λ为其转移系数,描述了树木的腐烂速率(也可以理解为该树木腐烂部分占总体的比例)。为了获得以上方程的解,需要注意以下3个方面:

  其一,当树木刚刚伐倒时的质量,即系统的初始状态,用t=0时的X数值X0表示,如果予以具体的赋值,我们可以假定X0=100(吨);

  其二,求取转移系数λ,仍然假定它在每年期间等于0.50;

  其三,时间步长△t,赋值为1年。

  根据以上的赋值,即可按照公式加以解算:

  X1=100-(0.5×100)×1.0=50

  

  此种形式往复下去,可望得到任意步长的数值。但在此方法中也包含着一定的误差,而且随着所设定的时间步长越大,其误差相应地也就越大。

  在图4-8中,角度θ由(-λX0)加以标识;直线Ⅱ为计算值,即依照式(4.18)算出;曲线Ⅰ为实际值,二者随着步长△t的加大,误差值越来越大。这样一来,计算的误差大小可以直接由步长的长度控制,步长△t越小,所产生的误差也越小,如图4-9所示:

  由以上的分析知道,在对方程实行数值解时,步长△t的取值应当尽可能地小,以便最大限度地提高其精确程度。即使如此,当时间远离t0之后,也还是会增大误差的数值。这些在进行系统中流的解算时,应当引起特别的注意。

  以上简要地叙述了在一个系统中的流分析,它在深刻揭示系统的性质和行为方面,显然比以往有了很大的进步。


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