永定客家土楼气象服务综合指数分析

袁靖凯 邓宇阳 赖宇昕

摘 要：将ERA5再分析资料与永定客家土楼所在地的湖坑镇气象数据做相关分析，结果表明：两者降水日数据呈强相关，月数据呈极强相关，日平均气温数据呈现极强相关。并利用ERA5再分析资料分析了湖坑镇的气候背景，再运用文献研究法、层次分析法确定了气象致灾因子的选取和权重，在“致灾因子—暴露度—脆弱性—适应力”的风险概念框架下建立了土楼气象服务综合指数。

关键词：客家土楼；ERA5再分析资料；相关分析；综合指数

中图分类号：P49 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）01–0-03

永定客家土楼位于福建省西南部的龙岩市永定区，被称为“中国古建筑的一朵奇葩”，永定土楼的设施布局既有苏州园林印迹，也有古希腊建筑特点，是中西合璧的建筑典范。永定分布着2万多座土楼，其中清代以前的约占1/3。2008年7月，以永定客家土楼为主体的福建土楼被列入《世界遗产名录》，2010年4月，永定土楼获“最古老、最多、最大、最高”等4项吉尼斯纪录。近年来，由于客家土楼均为土木结构，经历数载风雨，加之土樓居住人口较少、年久失修，许多墙体出现裂缝，木结构因雨水侵蚀出现糟朽现象，客家土楼的保存现状令人担忧。其中，气象要素对土楼的影响较为复杂，学术界在古建筑保护和气候相关性上进行了深入研究分析，提出了很多有价值的古建筑保护建议[1-3]。针对古建筑的修缮和日常维护的研究较多，缺乏小范围地区气候对当地古建筑保护的一些影响研究。永定客家土楼保护的相关研究中又缺乏涉及各类气象要素等气象因子。因此，以龙岩市永定区客家土楼所在地湖坑镇为研究区域，研究土楼保护与气象要素、气象服务等的相关性，凝练出气象服务综合指数，为土楼日常维护和修缮提供一定指导。

1 研究内容和方法

从水分侵蚀、盐损害与冻融、热运动3个物理机理方面出发，采用文献研究法、综合指数法及层次分析法等分析气象要素对土楼的影响。降水、空气湿度或地下水的水分可渗透进土楼建筑内部引发潮湿破坏，造成裂缝、盐结晶等，危害石材、砖砌体、土、混凝土等材料。低温可使材料孔隙内部水分反复冻融形成的冻胀应力，破坏材料微观结构，使其质地酥脆易碎而产生粉化，改变土楼颜色和形状，而且来自太阳辐射或温度变化引起的不均匀环境温度带来的膨胀或收缩会引起土楼结构变形、开裂和隆鼓，热运动与潮湿共同作用加重危害。因永定区湖坑镇常年平均风力较小，植被覆盖率高，风蚀影响较小，所以主要考虑降水、温度、湿度对土楼的影响。系统梳理了永定湖坑镇1991—2020年温度、湿度、降水等多种气候要素对砖、石、木等不同质地建筑土楼的影响机制，从气象角度出发，建立客家土楼保护预报模型，建立客家土楼气象服务综合指数，为福建土楼乃至全国各地土楼保护提供借鉴。

2 永定客家土楼的气候特征分析

通过湖坑区域自动站温度、降水量等指标，建立土楼保障的气象背景，但由于区域自动站建站时间较晚，先通过收集整理永定区湖坑镇自动气象站2018年建站以来气象资料，与ERA5 0.25°×0.25°逐日再分析资料进行相关分析，由图1可知，ERA5降水数据与湖坑站降水日数据呈强相关，相关系数为0.69，与月数据呈极强相关，相关系数为0.96；气温方面，ERA5再分析资料的日平均气温数据与湖坑站日平均气温数据呈极强相关，相关系数为0.98。因此，ERA5数据可以较好地体现永定湖坑镇的降水过程及气温分布特征。将采用ERA5再分析资料，利用线性回归方程来分析永定区湖坑镇近30年气温、降雨量、相对湿度等的年、月变化特征。

2.1 温度的年、月变化特征分析

通过统计得到，永定湖坑镇1991—2020年期间的年平均气温为20.3 ℃，且近30年平均气温呈显著线性上升趋势（通过0.05显著性检验），趋势为0.4 ℃/10年；

最低年均温距平在1993年，为-1.05 ℃，最高年均温距平在2019年，为0.93 ℃。由5年滑动平均可知，永定区湖坑镇在1991—2000年和2012—2020年呈上升趋势，2000—2012年转为波动下降趋势。从1991—2020年湖坑镇日平均气温月分布可知，湖坑镇1—7月平均气温逐月递增，7月最高，为27.2 ℃，8—12月逐月递减，其中1月最低，为11.9 ℃。

利用Morlet小波变换分析方法分析1991—2020年湖坑镇年均气温周期性特征，横坐标为时间t，纵坐标为时间尺度，通过计算得到小波方差图，在小波方差曲线的峰值处被认为是周期信号强烈。由图2可知，湖坑镇在2000—2012年期间气温经历了“低温—高温—低温”3次准周期震荡，小波方差曲线图显示，16年的气温变化为其主周期，10年为其次周期。

2.2 降水的年变化特征分析

永定区湖坑镇纬度较低，属亚热带海洋性季风气候，1991—2020平均年降水量1 699.3 mm，降水量充沛，但整体呈下降趋势，降水量倾向率为-65.8 mm/10年（通过0.05显著性检验）。年降水量在2009年达到最低，为1 217.8 mm，最高值在2006年，为2 503.8 mm。从五年滑动平均值可知，1991—2003年大多数年份降水大于多年平均值，但平均年降水量趋于波动下降，2007—2014年整体降水量相对偏少，但降水量呈上升趋势。

年均降水量时间序列进行小波变换后，得到小波系数实部时频分布图，在图3中可以进行周期变化特征分析，横坐标为时间t，纵坐标为时间尺度，得益于小波变换在时频两域表现信号局部特征的能力，分析每一个时间尺度下的周期变化特征，其中红色表示降水偏多，为丰水期，蓝色表示降水偏少，为枯水期。同时，直观表现气象要素存在的周期性，通过计算得到小波方差图。由图3可知，9 a处年降水量经历了由“枯水—丰水—枯水”3次准周期震荡和5年处年均降水量经历明显的“丰水-枯水-丰水”的两次准周期震荡。由小波方差曲线图可知，9年降水量变化为其主周期。

3 永定客家土楼的气象服务综合指数

气候变化引发的风险分为两类：一类为极端性天气事件，如暴雨、台风引发的洪涝、干旱、滑坡等物理事件造成的灾害风险。该类风险破坏大，破坏范围广，具有特发性，是威胁土楼安全的主要因素，需通过完善土楼的应急管理机制、提升应急管理能力加以应对。另一类为气温上升、湿度变化等渐进变化带来的风险。该类风险具有潜在性和蠕变性，平时不易察觉，但逐步演变为威胁土楼的主要风险，需要通过系统的风险管理手段进行风险控制[4]。为促进不同量纲的指标之间的数据运算，采用极差标准化法对致灾因子进行处理。正向指标、负向指标计算公式分别为：

式（1）中，Xi表示i项评价指标的数值，max（Xi）、min（Xi）分别表示第i项评价指标的最大值和最小值。在权重设置上，运用层次分析法处理数据，确定各指标权重，主要包括以下步骤：

（1）将决策的目标、考虑的因素（決策准则）和决策对象按照他们的相互关系分为最高层、中间层和最低层，绘制层次结构图。

（2）构造判断矩阵。层次分析法中构造判断矩阵的方法是一致矩阵法，即：两两因素相互比较，对比时采用相对尺度，尽可能降低性质不同因素相互比较的难度，以提高准确度。

一致性检验是基于比对矩阵的判断矩阵进行的。决策者根据主观判断或经验，通过比较不同准则或选择之间的重要性，构建比对矩阵。然后，通过计算一致性指标（CI）和一致性比率（CR），判断比对矩阵是否具有一致性。一致性指标（CI）表示比对矩阵的一致性程度，其计算公式为：CI=（λ-n）/（n-1），其中λ表示最大特征值，n表示矩阵的阶数。一致性比率（CR）用于判断一致性指标是否在随机一致性范围内。其计算公式为：CR=CI/RI，其中RI是一个根据矩阵阶数n查找的随机一致性指标。如果一致性比率（CR）小于等于某个事先设定的一致性阈值，则可认为比对矩阵具有一致性；反之，如果一致性比率大于一致性阈值，则需要重新调整比对矩阵，或者重新进行一致性检验。

将降水、温度、湿度等致灾因子从极端气候事件和气候动态2个维度进行评估，提取前5%最大累计降水量、中雨以上降水频率、平均年降水量、年降水变化率、相对湿度及年平均温度变化率等6个指标，并做无量纲化处理。用SPSS软件计算致灾因子指标层权重，计算原理依据上文所述，权重结果如表1所示，6个指标权重计算得出的其中最大特征根为6.307，根据RI表查到对应的RI值为1.25，因此，CR=CI/RI=0.049≤0.1，通过一致性检验，指标赋权合理。

最终总的危险性大小根据公式为：H=h1×Wh1+h2×Wh2+h3×Wh3+h4×Wh4+h5×Wh5+h6×Wh6（2）

在“致灾因子—暴露度—脆弱性—适应力”的风险概念框架下，分析4种风险因素，土楼气候风险是地区气候危险性、脆弱性、暴露度以及气候适应力综合作用的结果[5]。由于永定土楼集中在永定区湖坑镇，因此脆弱性和暴露度相同情况下，综合指数主要由致灾因子和适应力决定。土楼的气候变化适应力主要来自人们对其主动的保护管理，也与人类社会的适应力紧密相关。从土楼修缮费用、永定的GDP2个指标评估永定潜在气候变化适应力，计算公式为R=u1v1+u2v2，其中v1、v2分别表示土楼修缮费用和永定的GDP数值，u1、u2分别表示其权重，根据层次分析法分别给予0.8和0.2的系数。

致灾因子危险性、脆弱性、暴露性为风险评价正向因子，其值越高危险性越大；适应力是风险评价的逆向因子，故定义综合风险指数为：

式（3）中，Z为永定客家土楼保护气象综合指数，指数越大、风险越大，H为气象致灾因子危险性指数，R为气候变化适应力指数。

4 结论

通过对永定土楼所在的湖坑镇的气候条件进行分析，得到了土楼所在地的气候背景；并采用文献研究法、综合指数法、层次分析法，在“致灾因子—暴露度—脆弱性—适应力”的风险概念框架下，着重对致灾因子和适应力进行分析，形成了土楼气象服务综合指数。并未在脆弱性上进行区分，实际上不同类型的土楼在构成上存在差异，导致了对降水、温度等的敏感性的不同，存在不同的脆弱性，需要对土楼的材料层面（木材、石头、混凝土等）及建筑年代进行深入划分，以便得到更精细的评估结果。

参考文献

[1] 乔云飞.不可移动文物自然灾害风险管理研究[J].中国文化遗产，2021（4）：4-11.

[2] 王心源，陈一仰，骆磊.气候变化对文化遗产的影响：基于空间信息的认知与应对[J].自然与文化遗产研究，2022，7（4）：3-11.

[3] 刘松茯，陈思.气象参数对砖构文物建筑酥碱的影响[J].建筑学报，2017（2）：11-15.

[4] 郝爽，乔云飞.气候变化视角下我国不可移动文物暴雨灾害风险变化趋势研究[J].中国文化遗产，2023（1）：81-90.

[5] 王夕默.省域尺度建筑遗产气候风险评估及适应机制研究[D].北京：北京建筑大学，2023.