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(zhèn)氣象數(shù)據(jù)做相關(guān)分析，結(jié)果表明：兩者降水日數(shù)據(jù)呈強(qiáng)相關(guān)，月數(shù)據(jù)呈極強(qiáng)相關(guān)，日平均氣溫數(shù)據(jù)呈現(xiàn)極強(qiáng)相關(guān)。并利用ERA5再分析資料分析了湖坑鎮(zhèn)的氣候背景，再運用文獻(xiàn)研究法、層次分析法確定了氣象致災(zāi)因子的選取和權(quán)重，在“致災(zāi)因子—暴露度—脆弱性—適應(yīng)力”的風(fēng)險概念框架下建立了土樓氣象服務(wù)綜合指數(shù)。

關(guān)鍵詞：客家土樓；ERA5再分析資料；相關(guān)分析；綜合指數(shù)

中圖分類號：P49 文獻(xiàn)標(biāo)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(qū)，被稱為“中國古建筑的一朵奇葩”，永定土樓的設(shè)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(chǎn)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(jì)錄。近年來，由于客家土樓均為土木結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷數(shù)載風(fēng)雨，加之土樓居住人口較少、年久失修，許多墻體出現(xiàn)裂縫，木結(jié)構(gòu)因雨水侵蝕出現(xiàn)糟朽現(xiàn)象，客家土樓的保存現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。其中，氣象要素對土樓的影響較為復(fù)雜，學(xué)術(shù)界在古建筑保護(hù)和氣候相關(guān)性上進(jìn)行了深入研究分析，提出了很多有價值的古建筑保護(hù)建議[1-3]。針對古建筑的修繕和日常維護(hù)的研究較多，缺乏小范圍地區(qū)氣候?qū)Ξ?dāng)?shù)毓沤ㄖＷo(hù)的一些影響研究。永定客家土樓保護(hù)的相關(guān)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(qū)客家土樓所在地湖坑鎮(zhèn)為研究區(qū)域，研究土樓保護(hù)與氣象要素、氣象服務(wù)等的相關(guān)性，凝練出氣象服務(wù)綜合指數(shù)，為土樓日常維護(hù)和修繕提供一定指導(dǎo)。

1 研究內(nèi)容和方法

從水分侵蝕、鹽損害與凍融、熱運動3個物理機(jī)理方面出發(fā)，采用文獻(xiàn)研究法、綜合指數(shù)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(jìn)土樓建筑內(nèi)部引發(fā)潮濕破壞，造成裂縫、鹽結(jié)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(nèi)部水分反復(fù)凍融形成的凍脹應(yīng)力，破壞材料微觀結(jié)構(gòu)，使其質(zhì)地酥脆易碎而產(chǎn)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(huán)境溫度帶來的膨脹或收縮會引起土樓結(jié)構(gòu)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(qū)湖坑鎮(zhèn)常年平均風(fēng)力較小，植被覆蓋率高，風(fēng)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(tǒng)梳理了永定湖坑鎮(zhèn)1991—2020年溫度、濕度、降水等多種氣候要素對磚、石、木等不同質(zhì)地建筑土樓的影響機(jī)制，從氣象角度出發(fā)，建立客家土樓保護(hù)預(yù)報模型，建立客家土樓氣象服務(wù)綜合指數(shù)，為福建土樓乃至全國各地土樓保護(hù)提供借鑒。

2 永定客家土樓的氣候特征分析

通過湖坑區(qū)域自動站溫度、降水量等指標(biāo)，建立土樓保障的氣象背景，但由于區(qū)域自動站建站時間較晚，先通過收集整理永定區(qū)湖坑鎮(zhèn)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(jìn)行相關(guān)分析，由圖1可知，ERA5降水?dāng)?shù)據(jù)與湖坑站降水日數(shù)據(jù)呈強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.69，與月數(shù)據(jù)呈極強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.96；氣溫方面，ERA5再分析資料的日平均氣溫數(shù)據(jù)與湖坑站日平均氣溫數(shù)據(jù)呈極強(qiáng)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.98。因此，ERA5數(shù)據(jù)可以較好地體現(xiàn)永定湖坑鎮(zhèn)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(qū)湖坑鎮(zhèn)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(tǒng)計得到，永定湖坑鎮(zhèn)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(qū)湖坑鎮(zhèn)在1991—2000年和2012—2020年呈上升趨勢，2000—2012年轉(zhuǎn)為波動下降趨勢。從1991—2020年湖坑鎮(zhèn)日平均氣溫月分布可知，湖坑鎮(zhèn)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(zhèn)年均氣溫周期性特征，橫坐標(biāo)為時間t，縱坐標(biāo)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(rèn)為是周期信號強(qiáng)烈。由圖2可知，湖坑鎮(zhèn)在2000—2012年期間氣溫經(jīng)歷了“低溫—高溫—低溫”3次準(zhǔn)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(qū)湖坑鎮(zhèn)緯度較低，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)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(dá)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(shù)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(jìn)行小波變換后，得到小波系數(shù)實部時頻分布圖，在圖3中可以進(jìn)行周期變化特征分析，橫坐標(biāo)為時間t，縱坐標(biāo)為時間尺度，得益于小波變換在時頻兩域表現(xiàn)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(lán)色表示降水偏少，為枯水期。同時，直觀表現(xiàn)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(jīng)歷了由“枯水—豐水—枯水”3次準(zhǔn)周期震蕩和5年處年均降水量經(jīng)歷明顯的“豐水-枯水-豐水”的兩次準(zhǔn)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(wù)綜合指數(shù)

氣候變化引發(fā)的風(fēng)險分為兩類：一類為極端性天氣事件，如暴雨、臺風(fēng)引發(fā)的洪澇、干旱、滑坡等物理事件造成的災(zāi)害風(fēng)險。該類風(fēng)險破壞大，破壞范圍廣，具有特發(fā)性，是威脅土樓安全的主要因素，需通過完善土樓的應(yīng)急管理機(jī)制、提升應(yīng)急管理能力加以應(yīng)對。另一類為氣溫上升、濕度變化等漸進(jìn)變化帶來的風(fēng)險。該類風(fēng)險具有潛在性和蠕變性，平時不易察覺，但逐步演變?yōu)橥{土樓的主要風(fēng)險，需要通過系統(tǒng)的風(fēng)險管理手段進(jìn)行風(fēng)險控制[4]。為促進(jìn)不同量綱的指標(biāo)之間的數(shù)據(jù)運算，采用極差標(biāo)準(zhǔn)化法對致災(zāi)因子進(jìn)行處理。正向指標(biāo)、負(fù)向指標(biāo)計算公式分別為：

式（1）中，Xi表示i項評價指標(biāo)的數(shù)值，max（Xi）、min（Xi）分別表示第i項評價指標(biāo)的最大值和最小值。在權(quán)重設(shè)置上，運用層次分析法處理數(shù)據(jù)，確定各指標(biāo)權(quán)重，主要包括以下步驟：

（1）將決策的目標(biāo)、考慮的因素（決策準(zhǔn)則）和決策對象按照他們的相互關(guān)系分為最高層、中間層和最低層，繪制層次結(jié)構(gòu)圖。

（2）構(gòu)造判斷矩陣。層次分析法中構(gòu)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(zhì)不同因素相互比較的難度，以提高準(zhǔn)確度。

一致性檢驗是基于比對矩陣的判斷矩陣進(jìn)行的。決策者根據(jù)主觀判斷或經(jīng)驗，通過比較不同準(zhǔn)則或選擇之間的重要性，構(gòu)建比對矩陣。然后，通過計算一致性指標(biāo)（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(biāo)（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(shù)。一致性比率（CR）用于判斷一致性指標(biāo)是否在隨機(jī)一致性范圍內(nèi)。其計算公式為：CR=CI/RI，其中RI是一個根據(jù)矩陣階數(shù)n查找的隨機(jī)一致性指標(biāo)。如果一致性比率（CR）小于等于某個事先設(shè)定的一致性閾值，則可認(rèn)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(diào)整比對矩陣，或者重新進(jìn)行一致性檢驗。

將降水、溫度、濕度等致災(zāi)因子從極端氣候事件和氣候動態(tài)2個維度進(jìn)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(biāo)，并做無量綱化處理。用SPSS軟件計算致災(zāi)因子指標(biāo)層權(quán)重，計算原理依據(jù)上文所述，權(quán)重結(jié)果如表1所示，6個指標(biāo)權(quán)重計算得出的其中最大特征根為6.307，根據(jù)RI表查到對應(yīng)的RI值為1.25，因此，CR=CI/RI=0.049≤0.1，通過一致性檢驗，指標(biāo)賦權(quán)合理。

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

在“致災(zāi)因子—暴露度—脆弱性—適應(yīng)力”的風(fēng)險概念框架下，分析4種風(fēng)險因素，土樓氣候風(fēng)險是地區(qū)氣候危險性、脆弱性、暴露度以及氣候適應(yīng)力綜合作用的結(jié)果[5]。由于永定土樓集中在永定區(qū)湖坑鎮(zhèn)，因此脆弱性和暴露度相同情況下，綜合指數(shù)主要由致災(zāi)因子和適應(yīng)力決定。土樓的氣候變化適應(yīng)力主要來自人們對其主動的保護(hù)管理，也與人類社會的適應(yīng)力緊密相關(guān)。從土樓修繕費用、永定的GDP2個指標(biāo)評估永定潛在氣候變化適應(yīng)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(shù)值，u1、u2分別表示其權(quán)重，根據(jù)層次分析法分別給予0.8和0.2的系數(shù)。

致災(zāi)因子危險性、脆弱性、暴露性為風(fēng)險評價正向因子，其值越高危險性越大；適應(yīng)力是風(fēng)險評價的逆向因子，故定義綜合風(fēng)險指數(shù)為：

式（3）中，Z為永定客家土樓保護(hù)氣象綜合指數(shù)，指數(shù)越大、風(fēng)險越大，H為氣象致災(zāi)因子危險性指數(shù)，R為氣候變化適應(yīng)力指數(shù)。

4 結(jié)論

通過對永定土樓所在的湖坑鎮(zhèn)的氣候條件進(jìn)行分析，得到了土樓所在地的氣候背景；并采用文獻(xiàn)研究法、綜合指數(shù)法、層次分析法，在“致災(zāi)因子—暴露度—脆弱性—適應(yīng)力”的風(fēng)險概念框架下，著重對致災(zāi)因子和適應(yīng)力進(jìn)行分析，形成了土樓氣象服務(wù)綜合指數(shù)。并未在脆弱性上進(jìn)行區(qū)分，實際上不同類型的土樓在構(gòu)成上存在差異，導(dǎo)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(jìn)行深入劃分，以便得到更精細(xì)的評估結(jié)果。

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