永定客家土樓氣象服務綜合指數分析

袁靖凱 鄧宇陽 賴宇昕

摘 要：將ERA5再分析資料與永定客家土樓所在地的湖坑鎮氣象數據做相關分析，結果表明：兩者降水日數據呈強相關，月數據呈極強相關，日平均氣溫數據呈現極強相關。并利用ERA5再分析資料分析了湖坑鎮的氣候背景，再運用文獻研究法、層次分析法確定了氣象致災因子的選取和權重，在“致災因子—暴露度—脆弱性—適應力”的風險概念框架下建立了土樓氣象服務綜合指數。

關鍵詞：客家土樓；ERA5再分析資料；相關分析；綜合指數

中圖分類號：P49 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）01–0-03

永定客家土樓位于福建省西南部的龍巖市永定區，被稱為“中國古建筑的一朵奇葩”，永定土樓的設施布局既有蘇州園林印跡，也有古希臘建筑特點，是中西合璧的建筑典范。永定分布著2萬多座土樓，其中清代以前的約占1/3。2008年7月，以永定客家土樓為主體的福建土樓被列入《世界遺產名錄》，2010年4月，永定土樓獲“最古老、最多、最大、最高”等4項吉尼斯紀錄。近年來，由于客家土樓均為土木結構，經歷數載風雨，加之土樓居住人口較少、年久失修，許多墻體出現裂縫，木結構因雨水侵蝕出現糟朽現象，客家土樓的保存現狀令人擔憂。其中，氣象要素對土樓的影響較為復雜，學術界在古建筑保護和氣候相關性上進行了深入研究分析，提出了很多有價值的古建筑保護建議[1-3]。針對古建筑的修繕和日常維護的研究較多，缺乏小范圍地區氣候對當地古建筑保護的一些影響研究。永定客家土樓保護的相關研究中又缺乏涉及各類氣象要素等氣象因子。因此，以龍巖市永定區客家土樓所在地湖坑鎮為研究區域，研究土樓保護與氣象要素、氣象服務等的相關性，凝練出氣象服務綜合指數，為土樓日常維護和修繕提供一定指導。

1 研究內容和方法

從水分侵蝕、鹽損害與凍融、熱運動3個物理機理方面出發，采用文獻研究法、綜合指數法及層次分析法等分析氣象要素對土樓的影響。降水、空氣濕度或地下水的水分可滲透進土樓建筑內部引發潮濕破壞，造成裂縫、鹽結晶等，危害石材、磚砌體、土、混凝土等材料。低溫可使材料孔隙內部水分反復凍融形成的凍脹應力，破壞材料微觀結構，使其質地酥脆易碎而產生粉化，改變土樓顏色和形狀，而且來自太陽輻射或溫度變化引起的不均勻環境溫度帶來的膨脹或收縮會引起土樓結構變形、開裂和隆鼓，熱運動與潮濕共同作用加重危害。因永定區湖坑鎮常年平均風力較小，植被覆蓋率高，風蝕影響較小，所以主要考慮降水、溫度、濕度對土樓的影響。系統梳理了永定湖坑鎮1991—2020年溫度、濕度、降水等多種氣候要素對磚、石、木等不同質地建筑土樓的影響機制，從氣象角度出發，建立客家土樓保護預報模型，建立客家土樓氣象服務綜合指數，為福建土樓乃至全國各地土樓保護提供借鑒。

2 永定客家土樓的氣候特征分析

通過湖坑區域自動站溫度、降水量等指標，建立土樓保障的氣象背景，但由于區域自動站建站時間較晚，先通過收集整理永定區湖坑鎮自動氣象站2018年建站以來氣象資料，與ERA5 0.25°×0.25°逐日再分析資料進行相關分析，由圖1可知，ERA5降水數據與湖坑站降水日數據呈強相關，相關系數為0.69，與月數據呈極強相關，相關系數為0.96；氣溫方面，ERA5再分析資料的日平均氣溫數據與湖坑站日平均氣溫數據呈極強相關，相關系數為0.98。因此，ERA5數據可以較好地體現永定湖坑鎮的降水過程及氣溫分布特征。將采用ERA5再分析資料，利用線性回歸方程來分析永定區湖坑鎮近30年氣溫、降雨量、相對濕度等的年、月變化特征。

2.1 溫度的年、月變化特征分析

通過統計得到，永定湖坑鎮1991—2020年期間的年平均氣溫為20.3 ℃，且近30年平均氣溫呈顯著線性上升趨勢（通過0.05顯著性檢驗），趨勢為0.4 ℃/10年；

最低年均溫距平在1993年，為-1.05 ℃，最高年均溫距平在2019年，為0.93 ℃。由5年滑動平均可知，永定區湖坑鎮在1991—2000年和2012—2020年呈上升趨勢，2000—2012年轉為波動下降趨勢。從1991—2020年湖坑鎮日平均氣溫月分布可知，湖坑鎮1—7月平均氣溫逐月遞增，7月最高，為27.2 ℃，8—12月逐月遞減，其中1月最低，為11.9 ℃。

利用Morlet小波變換分析方法分析1991—2020年湖坑鎮年均氣溫周期性特征，橫坐標為時間t，縱坐標為時間尺度，通過計算得到小波方差圖，在小波方差曲線的峰值處被認為是周期信號強烈。由圖2可知，湖坑鎮在2000—2012年期間氣溫經歷了“低溫—高溫—低溫”3次準周期震蕩，小波方差曲線圖顯示，16年的氣溫變化為其主周期，10年為其次周期。

2.2 降水的年變化特征分析

永定區湖坑鎮緯度較低，屬亞熱帶海洋性季風氣候，1991—2020平均年降水量1 699.3 mm，降水量充沛，但整體呈下降趨勢，降水量傾向率為-65.8 mm/10年（通過0.05顯著性檢驗）。年降水量在2009年達到最低，為1 217.8 mm，最高值在2006年，為2 503.8 mm。從五年滑動平均值可知，1991—2003年大多數年份降水大于多年平均值，但平均年降水量趨于波動下降，2007—2014年整體降水量相對偏少，但降水量呈上升趨勢。

年均降水量時間序列進行小波變換后，得到小波系數實部時頻分布圖，在圖3中可以進行周期變化特征分析，橫坐標為時間t，縱坐標為時間尺度，得益于小波變換在時頻兩域表現信號局部特征的能力，分析每一個時間尺度下的周期變化特征，其中紅色表示降水偏多，為豐水期，藍色表示降水偏少，為枯水期。同時，直觀表現氣象要素存在的周期性，通過計算得到小波方差圖。由圖3可知，9 a處年降水量經歷了由“枯水—豐水—枯水”3次準周期震蕩和5年處年均降水量經歷明顯的“豐水-枯水-豐水”的兩次準周期震蕩。由小波方差曲線圖可知，9年降水量變化為其主周期。

3 永定客家土樓的氣象服務綜合指數

氣候變化引發的風險分為兩類：一類為極端性天氣事件，如暴雨、臺風引發的洪澇、干旱、滑坡等物理事件造成的災害風險。該類風險破壞大，破壞范圍廣，具有特發性，是威脅土樓安全的主要因素，需通過完善土樓的應急管理機制、提升應急管理能力加以應對。另一類為氣溫上升、濕度變化等漸進變化帶來的風險。該類風險具有潛在性和蠕變性，平時不易察覺，但逐步演變為威脅土樓的主要風險，需要通過系統的風險管理手段進行風險控制[4]。為促進不同量綱的指標之間的數據運算，采用極差標準化法對致災因子進行處理。正向指標、負向指標計算公式分別為：

式（1）中，Xi表示i項評價指標的數值，max（Xi）、min（Xi）分別表示第i項評價指標的最大值和最小值。在權重設置上，運用層次分析法處理數據，確定各指標權重，主要包括以下步驟：

（1）將決策的目標、考慮的因素（決策準則）和決策對象按照他們的相互關系分為最高層、中間層和最低層，繪制層次結構圖。

（2）構造判斷矩陣。層次分析法中構造判斷矩陣的方法是一致矩陣法，即：兩兩因素相互比較，對比時采用相對尺度，盡可能降低性質不同因素相互比較的難度，以提高準確度。

一致性檢驗是基于比對矩陣的判斷矩陣進行的。決策者根據主觀判斷或經驗，通過比較不同準則或選擇之間的重要性，構建比對矩陣。然后，通過計算一致性指標（CI）和一致性比率（CR），判斷比對矩陣是否具有一致性。一致性指標（CI）表示比對矩陣的一致性程度，其計算公式為：CI=（λ-n）/（n-1），其中λ表示最大特征值，n表示矩陣的階數。一致性比率（CR）用于判斷一致性指標是否在隨機一致性范圍內。其計算公式為：CR=CI/RI，其中RI是一個根據矩陣階數n查找的隨機一致性指標。如果一致性比率（CR）小于等于某個事先設定的一致性閾值，則可認為比對矩陣具有一致性；反之，如果一致性比率大于一致性閾值，則需要重新調整比對矩陣，或者重新進行一致性檢驗。

將降水、溫度、濕度等致災因子從極端氣候事件和氣候動態2個維度進行評估，提取前5%最大累計降水量、中雨以上降水頻率、平均年降水量、年降水變化率、相對濕度及年平均溫度變化率等6個指標，并做無量綱化處理。用SPSS軟件計算致災因子指標層權重，計算原理依據上文所述，權重結果如表1所示，6個指標權重計算得出的其中最大特征根為6.307，根據RI表查到對應的RI值為1.25，因此，CR=CI/RI=0.049≤0.1，通過一致性檢驗，指標賦權合理。

最終總的危險性大小根據公式為：H=h1×Wh1+h2×Wh2+h3×Wh3+h4×Wh4+h5×Wh5+h6×Wh6（2）

在“致災因子—暴露度—脆弱性—適應力”的風險概念框架下，分析4種風險因素，土樓氣候風險是地區氣候危險性、脆弱性、暴露度以及氣候適應力綜合作用的結果[5]。由于永定土樓集中在永定區湖坑鎮，因此脆弱性和暴露度相同情況下，綜合指數主要由致災因子和適應力決定。土樓的氣候變化適應力主要來自人們對其主動的保護管理，也與人類社會的適應力緊密相關。從土樓修繕費用、永定的GDP2個指標評估永定潛在氣候變化適應力，計算公式為R=u1v1+u2v2，其中v1、v2分別表示土樓修繕費用和永定的GDP數值，u1、u2分別表示其權重，根據層次分析法分別給予0.8和0.2的系數。

致災因子危險性、脆弱性、暴露性為風險評價正向因子，其值越高危險性越大；適應力是風險評價的逆向因子，故定義綜合風險指數為：

式（3）中，Z為永定客家土樓保護氣象綜合指數，指數越大、風險越大，H為氣象致災因子危險性指數，R為氣候變化適應力指數。

4 結論

通過對永定土樓所在的湖坑鎮的氣候條件進行分析，得到了土樓所在地的氣候背景；并采用文獻研究法、綜合指數法、層次分析法，在“致災因子—暴露度—脆弱性—適應力”的風險概念框架下，著重對致災因子和適應力進行分析，形成了土樓氣象服務綜合指數。并未在脆弱性上進行區分，實際上不同類型的土樓在構成上存在差異，導致了對降水、溫度等的敏感性的不同，存在不同的脆弱性，需要對土樓的材料層面（木材、石頭、混凝土等）及建筑年代進行深入劃分，以便得到更精細的評估結果。

參考文獻

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[2] 王心源，陳一仰，駱磊.氣候變化對文化遺產的影響：基于空間信息的認知與應對[J].自然與文化遺產研究，2022，7（4）：3-11.

[3] 劉松茯，陳思.氣象參數對磚構文物建筑酥堿的影響[J].建筑學報，2017（2）：11-15.

[4] 郝爽，喬云飛.氣候變化視角下我國不可移動文物暴雨災害風險變化趨勢研究[J].中國文化遺產，2023（1）：81-90.

[5] 王夕默.省域尺度建筑遺產氣候風險評估及適應機制研究[D].北京：北京建筑大學，2023.