三 城市系统复杂性的时空表现

复杂系统的主体都具有自主性，并且存在非线性相互作用。从时间上来说不同的时刻具有不同的状态，从空间上来说不同的空间也具有不同的状态。时间上呈现的系统涌现性表现为不断有新结构、新功能或新状态出现；空间上呈现的系统多样性表现为在不同的空间，系统的结构、功能或状态也不一样。城市作为一个开放的复杂系统，其复杂性主要表现在以下几个方面。

（一）城市子系统数量巨大、层次众多、紧密关联

随着城市的演化，一方面城市内部的子系统不断增多，子系统下还有次一级的子系统；另一方面，城市越来越趋向综合，各子系统更加密切相依、紧密协作，不仅使城市这个大系统得以协调发展，而且也使各个子系统得以顺利运转。“城市层层叠叠的大系统中套着小系统，既有串行树枝状结构，也有横向蔓延的网络状、链状、原子结构状的‘系统元’；各子系统之间既有统一性，又有非均质性和各向异性，如经济系统、生活系统，实际上都是一种以人的活动和意识作为子系统而构成的社会系统，可算是一种特殊复杂的系统。”在城市系统中，各个层次之间、各个子系统之间不是独立的，而是一个相互联系相互包容的整体，而城市的每一个子系统（或更小的子系统）、每一个层次、每一种关联都代表着城市的某一个方面。利用数学分析的方法，如果将城市中每一个子系统、每一个层次、每一种关联都看作城市的一“维”，那么，城市就是一个“N维”的巨大系统。

构成复杂系统的众多要素并非是单一同质的，它们有各自的结构和功能，从城市要素的组成看，主要包括物质要素和非物质要素两大类。这两大类要素包含广泛，其中物质要素包括生态的各种要素如土壤、空气、阳光、水和生物体等一系列复杂的子要素，而非物质要素则包含了思想、意识、信仰、宗教、社会和经济等同样复杂的子要素。这些要素不但种类繁多，而且相互之间都有着千丝万缕的联系，形成了各种各样的耦合机制，共同服务于城市这样一个大系统。

城市的子系统结构上呈现多层次性，各种层次错综复杂、联系紧密，层次越多，复杂性的标度就越大。如果我们把细胞作为最基础的层次，由若干个细胞组成了器官这样一个系统，在器官这个层次又由若干个器官组成了人体，而“人—家庭—邻里—街道—社区—功能区—城市”这样一个过程又经历了若干的层次，形成了若干的系统，最后组合成城市这样一个系统。

（二）城市系统演化过程复杂多变，充满不确定性

城市系统的演化是有序与无序的统一，影响城市发展的诸多因素都具有随机性和偶然性。由于社会类型、国家、民族和地域环境等诸多的不同，各个城市产生、发展的条件和过程也不同，因此而形成了不同的城市风貌、职能、形态和城市文化，所以在世界上不可能有两个相同的城市。城市作为一个群体也具有共同的本质和特征，有类似的内在发展规律，在系统构成、功能和信息等方面具有自相似性，城市系统内部有着自组织的规律性，对外部环境有自适应的能力。

城市系统的演化所达到的阶段和进程不同，对应的性质和规律也不同，因此城市有着各异的结构和形态。这些阶段和进程、性质和规律、结构和形态并非全是系统自身演化的结果，而是与更高层次的系统和并列的其他系统相互包含、相互制约和相互影响的结果。每个层次的不同系统或每个系统的子系统在演化过程中均具有不同的尺度、方向和速度，正是这样形成了城市系统演化的多样性和复杂性，形成了难以简单描述的复杂演化机制。

（三）城市系统对外部环境产生反馈，具有永恒的开放性

城市的生成和发展都是建立在与外界（或一定区域）联系的基础上的，是一定区域内能量、物质和信息的聚集和淀积，是人类社会生活中人口、权力、文化和财富等在地球表面聚集的节点。城市每时每刻都与所处的自然环境、社会环境和工程技术环境发生着千丝万缕的联系。“城市不仅仅是个容器，还是一个形态和结构不断变化的核反应堆。”当外部的能量、物质和信息不停地输入城市这个反应堆时，会引起城市内部能量、物质和信息的振荡、涨落和激化，生成新的能量、物质和信息，并向外部系统输出和辐射。城市越大，需要与外界交换的物质、能量和信息就越多，其聚集和辐射能力就越强。这种交换量的大小是城市生命力强弱的标志之一。

城市系统同时具备内开放与外开放两个特性。城市内部各子系统的不断交流与协作可以看作城市系统的内开放；而城市系统与外部生态环境、社会环境和文化环境之间不断进行的物质、能量和信息的交换等，是城市的外开放。城市系统正是如此日夜不息地进行开放活动，不断自我调整和自我整合，使得新事物、新联系和新信息不断涌现，才能保持其正常发展。城市和围绕城市的腹地有着密不可分的骨肉关联，随着城市化的演化，城市腹地区域与城市的结构区别将进一步弱化，它们不再是城市发展的乡村背景，而是由多个城镇群组成、由各类网络相连接的庞大的发展实体。