氣候移民預(yù)測(cè)建模與決策

摘" 要：針對(duì)全球變暖導(dǎo)致海平面上漲而引起的氣候移民預(yù)測(cè)和保護(hù)問(wèn)題，利用最小二乘擬合結(jié)合灰色預(yù)測(cè)理論得到海平面高度的預(yù)測(cè)與人口時(shí)間響應(yīng)方程，為預(yù)測(cè)某個(gè)地區(qū)或國(guó)家的氣候移民需要的遷移時(shí)間及產(chǎn)生的規(guī)模提供方法與理論依據(jù)。同時(shí)，利用種群競(jìng)爭(zhēng)模型分析本地文化與氣候移民文化的關(guān)系，得到建立氣候移民聚集區(qū)對(duì)保護(hù)文化有積極作用的結(jié)論。最后，以H地區(qū)為例，利用層次分析法制訂綜合性考慮的移民安置方案。

關(guān)鍵詞：氣候移民;灰色預(yù)測(cè);最小二乘擬合;種群競(jìng)爭(zhēng);層次分析法

中圖分類(lèi)號(hào)：O29" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2023）18-0010-05

Abstract： Aiming at the prediction and protection of climate migration caused by sea level rise caused by global warming， the prediction of sea level height and population time response equation are obtained by using least square fitting and grey prediction theory， which provides a method and theoretical basis for predicting the migration time and scale of climate migration in a region or country. At the same time， the population competition model is used to analyze the relationship between local culture and climate immigration culture， and it is concluded that the establishment of climate migration gathering areas plays a positive role in protecting culture. Finally， taking H area as an example， a comprehensive resettlement plan is formulated by using analytic hierarchy process （AHP）.

Keywords： climate migration; grey prediction; least square fitting; population competition; analytic hierarchy process

氣候變化會(huì)引起海平面上漲等一系列環(huán)境問(wèn)題。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）指出，自19世紀(jì)末以來(lái)，全球海平面持續(xù)上漲，海平面上升會(huì)淹沒(méi)大量的陸地及海平面低的諸多島嶼，導(dǎo)致大量的人群被迫遷移。在一個(gè)地區(qū)的居民遷移到另一個(gè)新地區(qū)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生移民的安置和原有地區(qū)民族文化的保護(hù)和傳承等相關(guān)問(wèn)題[1]。因此，如何對(duì)氣候變化導(dǎo)致的海平面上漲進(jìn)行有效預(yù)測(cè)，并研究相應(yīng)的移民安置和文化保護(hù)策略一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

灰色系統(tǒng)理論和層次分析法是自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)研究中常用的預(yù)測(cè)與決策方法[2-3]。本文利用最小二乘擬合結(jié)合灰色預(yù)測(cè)理論得到海平面高度的預(yù)測(cè)與人口時(shí)間響應(yīng)方程模型，預(yù)測(cè)某區(qū)域氣候移民的需遷移時(shí)間及產(chǎn)生規(guī)模。運(yùn)用種群競(jìng)爭(zhēng)模型對(duì)不同情形下氣候移民文化的發(fā)展進(jìn)行描述并給出保護(hù)措施，并根據(jù)層次分析法來(lái)制訂氣候移民的安置方案，最后以H地區(qū)為例進(jìn)行實(shí)證分析。

1" 預(yù)測(cè)方法建模及檢驗(yàn)

1.1" 海平面高度預(yù)測(cè)

利用NASA發(fā)布的1880—2009年海平面的測(cè)量數(shù)據(jù)[4]，采用SPSS軟件的最小二乘曲線擬合法對(duì)海平面高度隨時(shí)間的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，得到海平面輸出如圖1所示，模型匯總和參數(shù)估計(jì)值見(jiàn)表1、表2。

由表1、表2可知，該模型的預(yù)測(cè)精度接近98%，F(xiàn)值很大，Sig值很小，說(shuō)明模型擬合度較好，可以用該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)。由此可得海平面高度預(yù)測(cè)方程為

h=-12.053t+1.197×10-6t3+1.452 9×104 ， （1）

式中：t為自變量年份;h為因變量海平面。

1.2" 人口預(yù)測(cè)模型

為了得到人口預(yù)測(cè)模型，采用灰色預(yù)測(cè)的理論，對(duì)相關(guān)原始數(shù)據(jù)作一次累加處理，建立GM（1，1）模型[5]。建模的具體過(guò)程如下。

步驟1：數(shù)據(jù)預(yù)處理。對(duì)原始數(shù)據(jù)序列x（0）={x（0）（1），x（0）（2），...，x（0）（N）}進(jìn)行一次累加x（1）（i）=x（0）（j），得到新的數(shù)據(jù)序列x（1）={x（1）（1），x（1）（2），...，x（1）（N）}。

步驟2：假設(shè)x（1）滿(mǎn)足一階微分方程+ax（1）=u，其中a為常數(shù)，u為發(fā)展灰數(shù)，求解一階微分方程得時(shí)間響應(yīng)方程x（1）（k+1）=[x（1）（1）-]e-ak+。

步驟3：當(dāng)有多個(gè)值代入一階微分方程，可以寫(xiě)出數(shù)據(jù)離散化后的數(shù)量積形式

3）計(jì)算后驗(yàn)比值C=S2/S1及小誤差概率P=PE（k）-

lt;0.674 5S1，再通過(guò)表3判別模型預(yù)測(cè)等級(jí)。

1.3" 移民的預(yù)測(cè)方法

對(duì)某一地區(qū)移民預(yù)測(cè)的方法為：根據(jù)海平面的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)求出該地區(qū)被完全淹沒(méi)時(shí)的年份，設(shè)為Yi，代入灰色預(yù)測(cè)模型中時(shí)間響應(yīng)方程，算出在Yi下該區(qū)域的人口數(shù)量，并將該值近似定義為氣候移民數(shù)量，以衡量該區(qū)域潛在氣候移民的規(guī)模。

2" 移民文化保護(hù)及安置方案

2.1" 文化發(fā)展描述與分析

對(duì)于接收地區(qū)而言，當(dāng)一種外來(lái)文化進(jìn)入時(shí)，勢(shì)必會(huì)對(duì)本土文化造成一定的影響，同時(shí)本土文化亦會(huì)影響到外來(lái)文化，這些影響包括文化同化和文化發(fā)展抑制等方面。下面基于種群競(jìng)爭(zhēng)模型來(lái)對(duì)所述現(xiàn)象進(jìn)行描述與分析。

假設(shè)X，Y代表2種不同的文化，以x（t）， y（t）分別代表X，Y的文化強(qiáng)度，其在各自環(huán)境下的發(fā)展?fàn)顩r服從Logistic規(guī)律。

式中：r1和r2為其固有發(fā)展趨勢(shì);t為時(shí)間;n1，n2為區(qū)域文化承載量，可近似為對(duì)應(yīng)的文化繼承人的數(shù)量。

根據(jù)種群競(jìng)爭(zhēng)模型[6]，當(dāng)2種文化共同匯集在某一區(qū)域時(shí)，Y對(duì)X的發(fā)展的阻滯作用與Y的文化強(qiáng)度有關(guān)，反之亦然。設(shè)s1表示在n2下Y文化的活動(dòng)和傳播對(duì)在n1下X文化的影響程度，s2表示在n1下X文化的活動(dòng)和傳播對(duì)在n2下Y文化的影響程度。則（4）式可修正為

為了模擬出移民文化在新區(qū)域下的發(fā)展?fàn)顩r，將外來(lái)者的文化以X表示，區(qū)域原有文化以Y表示?；诒３治幕l(fā)展的公平性和盡可能還原X，Y文化的競(jìng)爭(zhēng)情景，設(shè)r1=r2，n2gt;n1，y（0）=10%，x（0）=0%。且在該情景下，Y文化對(duì)X文化的影響程度更顯著，有s1gt;s2且s1gt;1，用MATLAB計(jì)算可得X，Y的發(fā)展變化，無(wú)保護(hù)的文化競(jìng)爭(zhēng)模型如圖2所示。

可見(jiàn)，該情況下X文化在Y文化區(qū)域中的發(fā)展?fàn)顩r很差，X文化強(qiáng)度隨著時(shí)間的推移僅在初期有所起伏隨后逐漸下滑，最終消減為零。而Y文化強(qiáng)度則不斷上漲，最后到達(dá)100%并保持穩(wěn)定。

2.2" 文化保護(hù)策略

為了盡可能避免移民文化的消失，可以采取在移民接收地區(qū)建立民族聚居區(qū)的措施，為移民文化提供相對(duì)獨(dú)立的發(fā)展空間。在其他條件不變的情況下，由于民族聚居區(qū)的建立使得2種文化相互間作用減小，文化Y對(duì)X的影響程度不再顯著，故可假設(shè)s2lt;s1lt;1，且由于文化存在區(qū)域的相對(duì)獨(dú)立性，可令y（0）=100%，x（0）=0%。通過(guò)MATLAB計(jì)算得到有保護(hù)的文化競(jìng)爭(zhēng)模型如圖3所示。

圖3表明，民族聚居區(qū)的建立使Y文化強(qiáng)度短期內(nèi)受到?jīng)_擊而快速降低，但第5年開(kāi)始下降放緩并在第50年時(shí)保持穩(wěn)定，而X文化強(qiáng)度則持續(xù)上升至第50年時(shí)保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，民族聚居區(qū)的建立能夠保護(hù)移民文化的延續(xù)，避免了移民文化遺產(chǎn)面臨消失的危機(jī)。

特別地，當(dāng)n1=2n2時(shí)，可得到函數(shù)輸出如圖4所示。X文化強(qiáng)度隨Y文化強(qiáng)度下降而上升，至第70年時(shí)，兩者相等且保持穩(wěn)定，由此可知，當(dāng)民族聚居區(qū)中原始文化群體數(shù)量近似為新遷入文化群體數(shù)量的一半時(shí)，2種文化最終會(huì)獲得同樣的文化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)共同繁榮。

2.3" 移民安置方案分析

因氣候變化很大程度上源于碳排放量增加所導(dǎo)致的溫室效應(yīng)，因此，可以考慮人均碳排放量大的地區(qū)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先接收其能力允許范圍內(nèi)的移民[7]，而接收能力主要由經(jīng)濟(jì)實(shí)力和人均土地面積衡量，其經(jīng)濟(jì)實(shí)力越強(qiáng)，人均土地面積越大，接收能力就越強(qiáng)。同時(shí)，一個(gè)地區(qū)的人文發(fā)展水平高，將極有利于對(duì)移民文化的包容。故可以采用人均碳排放量、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人文發(fā)展指數(shù)、人均土地面積作為制訂氣候移民安置方案的關(guān)鍵因素。下面采用層次分析法[8]進(jìn)行分析。

2.3.1" 模型建立及檢驗(yàn)

根據(jù)人均碳排放量、經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人文發(fā)展指數(shù)和人均土地面積的情況，將移民接收地區(qū)劃分為A，B，C，D，E 5種類(lèi)型，并以此構(gòu)建氣候移民遷移策略的層次結(jié)構(gòu)模型，如圖5所示。

確定各層各因素的權(quán)重可通過(guò)構(gòu)建成對(duì)比較矩陣來(lái)完成，步驟如下。

1）用aij表示2個(gè)因素xi與xj的相對(duì)優(yōu)勢(shì)比，即準(zhǔn)則層中2個(gè)不同因素相對(duì)于同一目標(biāo)層的選擇權(quán)重比。有：aij=1/aij，aijgt;0，i，j=1，…，n。

2）由此在準(zhǔn)則層各因素之間建立一個(gè)成對(duì)比較矩陣A=1 1/3 1/5 1/5

3）設(shè)λmax為矩陣最大特征根，n為矩陣階數(shù)，計(jì)算矩陣一致性指標(biāo)CI=。

4）根據(jù)隨機(jī)一致性指標(biāo)RI計(jì)算一致性比CR=。

5）求解矩陣A特征向量為β=（0.068 9" 0.171 3" 0.358 7" 0.401 1）T。

6）得到λmax=4.004 2，CI=0.011 4，CR=0.012 8，因?yàn)镃Rlt;1，故接受矩陣的一致性。

同理，以準(zhǔn)則層各因素為依據(jù)將地區(qū)劃分為特定幾類(lèi)，得到方案層的成對(duì)比較矩陣如下

1。 矩陣中的元素bij代表不同兩地區(qū)在準(zhǔn)則層下的優(yōu)勢(shì)比較。由方案層的成對(duì)比較矩陣計(jì)算權(quán)重向量wk，最大特征根λk和一致性指數(shù)CR，結(jié)果見(jiàn)表4。

2.3.2" 安置策略分析

由表4可知，所有矩陣都通過(guò)了一致性測(cè)試，從而得出每種方案對(duì)最終目標(biāo)的影響程度。

最終的計(jì)算結(jié)果代表了五類(lèi)地區(qū)接收移民能力的綜合評(píng)估，可以依此作為制訂移民安置方案的依據(jù)，各類(lèi)型的地區(qū)可接收移民的權(quán)重比例為

A∶B∶C∶D∶E=0.330 1∶0.292 9∶0.127 5∶0.100 1∶0.149 4。（7）其中A類(lèi)地區(qū)通常具有強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，超高的人文發(fā)展水平，人均土地面積較大且人均碳排放量較多，有較大的能力為移民提供聚居區(qū)和文化保護(hù)。B類(lèi)地區(qū)同樣具有超高的人文發(fā)展水平和強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，但人均土地面積較小，故權(quán)重小于A類(lèi)地區(qū)。權(quán)重占比較小的地區(qū)C、D、E是各方面的指標(biāo)通常較為一般或落后的一些發(fā)展中地區(qū)，但E類(lèi)地區(qū)有較大的人均土地面積和長(zhǎng)期短缺的勞動(dòng)力，這為移民的融入和發(fā)展提供了一定的保障，故其權(quán)重較大。

3" 實(shí)證分析

下面以某個(gè)H地區(qū)為例求解移民的預(yù)測(cè)模型。假設(shè)H地區(qū)的面積為90 000 km2，其中陸地面積300 km2，平均海拔為1.2 m。以1.2 m作為目標(biāo)參量代入到前文所得海平面預(yù)測(cè)方程 （1），得到Y(jié)i=2 045，即在2045年時(shí)，H地區(qū)現(xiàn)有陸地區(qū)域?qū)⒋蟛糠直缓Ｋ蜎](méi)，大量居民面臨搬遷問(wèn)題。

假設(shè)H地區(qū)2010—2018年總共9年的人口數(shù)量分別為365 700、380 500、397 200、415 600、435 000、454 900、475 500、496 400、515 700人，數(shù)據(jù)量少，適合灰色預(yù)測(cè)模型，代入1.2的人口預(yù)測(cè)模型求得時(shí)間響應(yīng)方程為

（1）（k+1）=[365 700+8.141 552×106]e0.043 8k-8.141 552×106，k=1，2，3，…，N。 （8）

求得后驗(yàn)差比值為3.886 6×10-6，小概率誤差為P值為1，符合預(yù)測(cè)等級(jí)為好的標(biāo)準(zhǔn)。由表5可知相對(duì)誤差小于1%，預(yù)測(cè)結(jié)果精確，時(shí)間響應(yīng)方程合理。

根據(jù)海平面高度預(yù)測(cè)方程，將2044年和2045年對(duì)應(yīng)的k值35與36代入預(yù)測(cè)方程（8），求得x（1）（36）=3.12 645×107，x（1）（35）=2.95 758×107，由公式（3）通過(guò)作差得到x（0）（36）=1 688 700，即為預(yù)測(cè)2045年H地區(qū)在沒(méi)有干預(yù)下的人口數(shù)量。

根據(jù)前文的氣候移民安置方案可知，在H地區(qū)潛在的1 688 700名移民中，557 440人應(yīng)當(dāng)被A類(lèi)地區(qū)接收，494 620人應(yīng)當(dāng)被B類(lèi)地區(qū)接收，而C類(lèi)、D類(lèi)、E類(lèi)地區(qū)應(yīng)接收的移民數(shù)量分別為215 309人、169 039人和252 292人。

4" 結(jié)束語(yǔ)

氣候移民問(wèn)題是全球各國(guó)面臨的挑戰(zhàn)性難題，制定科學(xué)完整的政策及策略來(lái)解決氣候移民的安置和文化保護(hù)問(wèn)題，對(duì)維護(hù)社會(huì)秩序的穩(wěn)定具有重要意義。本文針對(duì)全球變暖導(dǎo)致海平面上漲而引起的氣候移民問(wèn)題，采用最小二乘擬合結(jié)合灰色系統(tǒng)理論建立了氣候移民預(yù)測(cè)模型，并利用種群競(jìng)爭(zhēng)模型和層次分析法探討了氣候移民的文化保護(hù)和移民安置策略。最后，通過(guò)實(shí)證分析驗(yàn)證了所建立模型的可操作性和有效性。

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