莫高窟不同地貌區(qū)域氣象要素變化分析

摘 要：基于2013—2022年近10年莫高窟氣象站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析莫高窟不同地貌區(qū)域（山頂、窟區(qū)）氣象要素的變化特征及差異。結(jié)果表明：2013—2022年，莫高窟山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射、氣溫、風(fēng)速呈緩慢升高趨勢(shì)，降水、相對(duì)濕度呈先上升后下降趨勢(shì)，風(fēng)向年際變化小。兩區(qū)域氣象要素值差異明顯。溫度、相對(duì)濕度、降水差異較小，太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向差異明顯，受地形地貌影響顯著。崖體和窟前灌木林帶的圍護(hù)作用顯著降低了窟區(qū)輻照和風(fēng)速，有效防止了崖體和洞窟受照度劣化和強(qiáng)風(fēng)蝕風(fēng)化作用。

關(guān)鍵詞：莫高窟；氣象要素；環(huán)境監(jiān)測(cè)；變化特征

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.02.025

敦煌莫高窟地處河西走廊西端沙漠腹地，在自然營(yíng)力和人為雙重因素作用下，呈現(xiàn)出各種不同的病害現(xiàn)象，如顏料層起甲、酥堿等①。研究表明，壁畫(huà)彩塑病害的產(chǎn)生與窟內(nèi)微氣候環(huán)境密切相關(guān)，而窟內(nèi)微環(huán)境又直接受外界大環(huán)境影響②。壁畫(huà)彩塑顏料層中的礦物顏料、有機(jī)顏料等長(zhǎng)時(shí)間受溫濕度、光照等自然環(huán)境作用，易降解老化形成多種病害③。因此，筆者開(kāi)展莫高窟地區(qū)氣象要素的變化特征及不同地貌區(qū)域氣象環(huán)境的差異研究，以期為莫高窟洞窟壁畫(huà)病害機(jī)理模擬試驗(yàn)研究中環(huán)境參數(shù)的設(shè)置提供參考依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與分析

選擇山頂?shù)[石戈壁區(qū)域和窟前綠洲區(qū)域的氣象環(huán)境為研究對(duì)象。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于莫高窟山頂戈壁區(qū)氣象站和窟區(qū)氣象站（72窟前），主要監(jiān)測(cè)太陽(yáng)輻射、氣溫、相對(duì)濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速，數(shù)據(jù)采集頻率為10 min。本文采用2013—2022年氣象監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析不同地形地貌區(qū)域氣象要素的變化特征。

2 結(jié)果與分析

①氣象要素年際變化。圖1為莫高窟山頂、窟區(qū)各氣象因子年際變化對(duì)比圖。從圖1（a）可以看出，山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射年際間變化小，礫石戈壁形貌的山頂全年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度遠(yuǎn)高于有樹(shù)木和崖體遮擋的窟區(qū)綠洲區(qū)域。2013—2022年，山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度均值分別為192.9 W/m2、94.1 W/m2，年均變化范圍在176～202.36 W/m2、88～102.3 W/m2。山頂2013年太陽(yáng)輻射強(qiáng)度最低，2020年最高，年際較差26.3 W/m2；窟區(qū)2018年最低，2013年最高，年際較差14.3 W/m2。每年山頂太陽(yáng)輻射強(qiáng)度約是窟區(qū)的2倍，受地貌影響，太陽(yáng)輻射極值在兩區(qū)域出現(xiàn)年份不同。從變化趨勢(shì)上看，近10年山頂戈壁區(qū)太陽(yáng)輻射呈緩慢上升趨勢(shì)，而窟區(qū)變化趨勢(shì)不明顯。

由圖1（b）可知，山頂、窟區(qū)年際溫度變化差異不大，近10年氣溫均值分別為11.9 ℃、12 ℃。2013—2022年山頂年均溫度變化范圍為11.3～12.5 ℃，2022年溫度最高，2018年溫度最低，年際較差1.2 ℃；窟區(qū)年均溫度變化范圍為11.2～13.2 ℃，2016年溫度最高，2018年溫度最低，年際較差2.0 ℃。近10年山頂和窟區(qū)氣溫整體呈上升趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為上升—下降—上升的變化趨勢(shì)，即2013—2016年氣溫緩慢上升，2017—2018年溫度下降，2019—2022年氣溫又呈上升變化。窟區(qū)溫度2013—2016年略高于山頂，2017—2022年略低于山頂。降水較多的2016年山頂和窟區(qū)年氣溫相差最大，窟區(qū)較山頂溫度高1.1 ℃。

莫高窟區(qū)域年降水稀少，干旱沙漠氣候特征明顯，大多年份降水在30 mm以下。圖1（c）顯示，山頂、窟區(qū)年際間降水變化大，變化趨勢(shì)一致，且山頂年降水相對(duì)較多。2013—2022年山頂、窟區(qū)累計(jì)降水量分別為359.4 mm、290.3 mm，總降水山頂比窟區(qū)多69.1 mm，降水變化范圍分別為7.3～81.8 mm、11～67 mm，年際較差分別為74.5 mm、56 mm，多年平均降水量分別為36 mm、29 mm，平均每年山頂比窟區(qū)多降水約7 mm。近10年出現(xiàn)兩次較大降水，分別是2016、2019年，兩區(qū)域各降水73 mm、55.1 mm和81.8 mm、67 mm，降水較多的年份山頂與窟區(qū)降水量相差更大。

2013—2022年山頂、窟區(qū)相對(duì)濕度年際變化趨勢(shì)一致，呈先升高后降低的變化，見(jiàn)圖1（d）。相對(duì)濕度變化范圍分別為24.1%～31.9%、26.8%～33.1%，窟區(qū)濕度均高于山頂，年濕度差在1.2%～2.8%，多年平均相對(duì)濕度分別為27.9%、30.2%，窟區(qū)比山頂濕度高2.3%。年相對(duì)濕度與降水正相關(guān)，山頂、窟區(qū)濕度極值出現(xiàn)的年份一致，2016年相對(duì)濕度最高（31.9%、33.1%），2022年濕度最低（24.1%、26.8%）。

山頂、窟區(qū)風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定，山頂戈壁區(qū)常年盛行南風(fēng)，窟區(qū)受崖體阻隔作用，以東南風(fēng)為主，見(jiàn)圖1（e）。由圖1（f）可知，兩區(qū)域年際間風(fēng)速變化相對(duì)較小，但山頂風(fēng)速遠(yuǎn)高于窟區(qū)，其年風(fēng)速是窟區(qū)的4倍多。2013—2022年山頂、窟區(qū)多年平均風(fēng)速為4.4 m/s、1.0 m/s，風(fēng)速波動(dòng)范圍分別在4.1～5.6 m/s、0.5～1.2 m/s，2022年出現(xiàn)近10年最大風(fēng)速，山頂、窟區(qū)平均風(fēng)速為5.6 m/s、1.2 m/s，2014年風(fēng)速最低。風(fēng)速極值在兩區(qū)域出現(xiàn)的年份一致。

②氣象要素季節(jié)變化。山頂四季太陽(yáng)輻射顯著高于窟區(qū)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是窟區(qū)的2倍多。夏季太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射分別為261.2 W/m2、126.2 W/m2；春、秋季次之，分別為230.6 W/m2、118.1 W/m2和166.1 W/m2、80.2 W/m2；冬季太陽(yáng)輻射最低，為115.2 W/m2、50.4 W/m2。兩區(qū)域太陽(yáng)輻射季較差分別為146.0 W/m2、75.8 W/m2，夏季山頂與窟區(qū)太陽(yáng)輻射值相差最大（135 W/m2），冬季最小（64.8 W/m2）。

氣溫季節(jié)變化與太陽(yáng)輻射一致，山頂、窟區(qū)夏季氣溫最高，分別為26.1 ℃、25.7 ℃，其次是春、秋季，分別為14.1 ℃、14.2 ℃和11.6 ℃、11.4 ℃，冬季氣溫最低，分別為-4.12 ℃、-4.05 ℃。山頂、窟區(qū)四季氣溫基本接近，夏、秋季山頂氣溫略高于窟區(qū)，春、冬季窟區(qū)略高。兩區(qū)域?qū)?yīng)季節(jié)氣溫差絕對(duì)值在0.07～0.4 ℃。

山頂、窟區(qū)降水主要集中在夏、春兩季，占比達(dá)92%、89%。其中夏季降水最多，累計(jì)降水分別為222.9 mm、143.8 mm，占總降水量的62%、50%，春季次之（106.7 mm、114.4 mm）；秋季較少（23.6 mm、23.5 mm），冬季基本無(wú)降水，10年累計(jì)降水量?jī)H為6.2 mm、8.7 mm。夏季山頂累計(jì)降水明顯多于窟區(qū)，比窟區(qū)降水多79.1 mm，春季降水多7.7 mm，秋、冬季基本接近。夏季降水是導(dǎo)致兩區(qū)域年降水差異的主要因素。

山頂、窟區(qū)相對(duì)濕度季節(jié)變化呈遞增趨勢(shì)，窟區(qū)各季節(jié)濕度均高于山頂。氣溫是影響濕度高低的主要因素，氣溫最低的冬季相對(duì)濕度相應(yīng)最高，山頂、窟區(qū)的最高濕度值分別為40.1%、41.7%；其次是秋、夏季，濕度分別為25.7%、28.4%和25.6%、29.3%；春季最低，濕度為20%、21.6%。由于受溫度、降水及植被灌溉蒸發(fā)等影響，夏季兩區(qū)域濕度值相差最大（3.7%）。

山頂、窟區(qū)風(fēng)向季節(jié)變化小，山頂戈壁區(qū)四季盛行南風(fēng)，窟區(qū)以東南風(fēng)為主。四季山頂風(fēng)速遠(yuǎn)高于窟區(qū)，春、夏、秋、冬季依次呈遞減變化，風(fēng)速春季5.1 m/s＞夏季4.2 m/s＞秋季4.1 m/s＞冬季4.0 m/s，夏、秋、冬季風(fēng)速基本接近，春季風(fēng)速明顯高于其他三季，各季節(jié)風(fēng)速是窟區(qū)的3～5倍。由于冬季窟前灌木林帶枝葉脫落、樹(shù)冠變小、林間隙變大，抗風(fēng)能力減弱，使得窟區(qū)冬、春季風(fēng)速較高（1.3 m/s、1.1 m/s）。夏季窟前林帶灌溉量大、枝葉繁茂，抗風(fēng)能力強(qiáng)，窟區(qū)風(fēng)速最低（0.8 m/s）。窟前灌木林帶和崖體的阻擋作用顯著降低了窟區(qū)風(fēng)速，有效防止了石窟受強(qiáng)風(fēng)蝕風(fēng)化損害。

③氣象要素月變化。山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射月變化呈單峰型，見(jiàn)圖2（a），1～7月太陽(yáng)輻射呈上升趨勢(shì)，5、6、7月太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，山頂達(dá)270 W/m2，窟區(qū)約130 W/m2；8～12月太陽(yáng)輻射快速下降，12月降至最低，分別為96.4 W/m2、37.7 W/m2。一年中4～9月太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，山頂在200 W/m2以上，窟區(qū)在100 W/m2以上，月均太陽(yáng)輻射山頂是窟區(qū)的2～3倍。

山頂、窟區(qū)月氣溫變化與太陽(yáng)輻射一致，見(jiàn)圖2（b），1～7月氣溫逐漸上升，8～12月快速下降，其中1～4月上升較快，5～7月上升緩慢，7月達(dá)峰值，氣溫月均最高值分別為27.5 ℃、27 ℃；8～9月緩慢下降，10～12月迅速下降，翌年1月降至最低，最低氣溫均為-6.1 ℃。山頂、窟區(qū)月均氣溫基本接近，12～次年2月氣溫月均在0 ℃以下，3～11月在0 ℃以上。兩區(qū)域?qū)?yīng)月均差在0～0.5 ℃，最大月均差出現(xiàn)在氣溫最高的7月。

降水月變化差異大，見(jiàn)圖2（c），山頂、窟區(qū)降水主要集中于4～8月，占比分別為89%、84%，其余月份降水稀少。6～8月山頂降水明顯多于窟區(qū)，其余月份相差不大。10～次年2月兩區(qū)域降水稀少，月累計(jì)降水不足10 mm。7月山頂和窟區(qū)降水最多，分別為98.4 mm、71.8 mm，占全年總降水量的1/4以上（山頂27%、窟區(qū)25%）。

山頂、窟區(qū)相對(duì)濕度呈“W”形變化，見(jiàn)圖2（d），窟區(qū)月相對(duì)濕度略高于山頂。1月和12月相對(duì)濕度最高，山頂、窟區(qū)濕度超40%，分別為43%、45%；其次是2月和11月，濕度約為33%、35%；其余月份濕度均在30%以下。山頂、窟區(qū)相對(duì)濕度月變化范圍分別為19.6%～27.2%、20.8%～30%，干燥多風(fēng)的3、4月濕度最低（約20%）。兩區(qū)域?qū)?yīng)月濕度差為1.2%～3.9%，相對(duì)濕度最低的3月濕度差最小（1.2%），降水最多的7月濕度差最大（3.9%）。

山頂、窟區(qū)風(fēng)向月變化小，月風(fēng)速變化明顯，見(jiàn)圖2（e）、圖2（f），全年月風(fēng)速山頂是窟區(qū)的3～5倍。山頂3～5月風(fēng)速較高，在4.5 m/s以上，3月風(fēng)速最高，達(dá)5.9 m/s，其余月份相差不大，為4.0～4.3 m/s。窟區(qū)10～次年4月風(fēng)速較高，為1.0～1.3 m/s，2月風(fēng)速最高（1.3 m/s）；5～10月風(fēng)速較低，在1.0 m/s以下，8月風(fēng)速最低（0.7 m/s）。山頂、窟區(qū)對(duì)應(yīng)月風(fēng)速差在2.7～4.6 m/s，山頂風(fēng)速最高的3月兩區(qū)域風(fēng)速值相差最大，1月和12月風(fēng)速差最小。

④氣象要素日變化。山頂、窟區(qū)日太陽(yáng)輻射近似呈正態(tài)曲線變化，且山頂太陽(yáng)輻射日變化幅度顯著高于窟區(qū)，見(jiàn)圖3（a）。22：00—次日6：00山頂和窟區(qū)太陽(yáng)輻射量為0；7：00—10：00開(kāi)始緩慢上升，而且山頂太陽(yáng)輻射強(qiáng)度比窟區(qū)上升速率快；11：00—14：00大幅上升，14：00達(dá)峰值，最高值分別為635.4 W/m2、498.1 W/m2。山頂太陽(yáng)輻射14：00—19：00大幅下降，20：00—21：00逐漸降至0；窟區(qū)14：00—16：00大幅下降，17：00—21：00緩慢降至0。一天中13：00—15：00為全天太陽(yáng)輻射最強(qiáng)時(shí)段，山頂在600 W/m2以上，窟區(qū)在400 W/m2以上。

山頂、窟區(qū)氣溫日變化呈余弦曲線，日變化幅度相差不大，見(jiàn)圖3（b）。0：00—7：00氣溫緩慢下降，7：00降至最低，山頂日均氣溫最低6.9 ℃，窟區(qū)最低7.4 ℃；8：00—17：00氣溫逐漸上升，窟區(qū)氣溫較山頂提前2h達(dá)到峰值，15：00窟區(qū)氣溫最高16.9 ℃，山頂17：00最高16.8 ℃，18：00—0：00又逐漸下降。氣溫峰值較太陽(yáng)輻射滯后，窟區(qū)滯后1 h，山頂滯后3 h。一天中山頂氣溫最高時(shí)段在15：00—18：00，窟區(qū)在14：00—16：00，溫度均在16 ℃以上。

降水日變化大，山頂日降水整體略多于窟區(qū)，見(jiàn)圖3（c）。日均降水量山頂在0～9.3 mm之間波動(dòng)，最大降水出現(xiàn)在15：40；窟區(qū)日降水為0～6.6 mm，最大降水出現(xiàn)在16：10。兩區(qū)域日降水時(shí)間上分布較分散，較大強(qiáng)度降水多發(fā)生在白天。

山頂、窟區(qū)相對(duì)濕度日變化與氣溫相反，呈正弦曲線變化，窟區(qū)日均相對(duì)濕度整體高于山頂，見(jiàn)圖3（d）。0：00—8：00相對(duì)濕度逐漸升高，山頂7：00濕度達(dá)到峰值35%，窟區(qū)峰值較山頂滯后1 h，8：00最高36.9%；9：00—17：00相對(duì)濕度快速下降，窟區(qū)16：00降至最低23%，山頂17：00最低20.8%；18：00—0：00相對(duì)濕度又緩慢爬升，晝夜經(jīng)歷了低—高—低—高4次變化過(guò)程。

山頂、窟區(qū)風(fēng)向日變化明顯，夜間風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定，午間波動(dòng)大，窟區(qū)日風(fēng)向波動(dòng)頻率較山頂高，見(jiàn)圖3（e）。山頂日風(fēng)向在南東南～南（SSE～S）方向波動(dòng)，0：00—10：00盛行南風(fēng)，11：00—14：00盛行偏東南風(fēng)（SSE），15：00—0：00又盛行南風(fēng)。窟區(qū)日風(fēng)向在東～南東南（E～SSE）方向波動(dòng)，0：00—7：00盛行偏東南風(fēng)，8：00—10：00盛行東南風(fēng)（SE），11：00—16：00盛行東風(fēng)，17：00—18：00盛行東南風(fēng)，19：00—0：00又盛行偏東南風(fēng)。

由圖3（f）可知，山頂日均風(fēng)速遠(yuǎn)高于窟區(qū)。21：00—次日7：00山頂風(fēng)速緩慢上升，上升幅度最大1.8 m/s，最大風(fēng)速5.4 m/s；8：00—12：00迅速下降，12：00風(fēng)速降至最低3.1 m/s，最大降幅2.1 m/s；13：00—17：00又緩慢爬升，最大上升幅度為0.9 m/s；18：00—21：00又緩慢下降，最大降幅0.6 m/s，日均風(fēng)速差為2.3 m/s。窟區(qū)日風(fēng)速波動(dòng)比山頂小，21：00—次日7：00緩慢上升，最大上幅1.0 m/s，風(fēng)速最大1.7 m/s；8：00—12：00緩慢下降，12：00風(fēng)速降至最低0.6 m/s，最大降幅1.1 m/s；13：00—21：00風(fēng)速較穩(wěn)定，在0.6～0.8 m/s之間平緩波動(dòng)，日均風(fēng)速差為1.1 m/s。

3 結(jié)論

①2013—2022年，山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射、氣溫、風(fēng)速呈緩慢升高趨勢(shì)，降水、相對(duì)濕度呈先上升后下降變化。山頂太陽(yáng)輻射強(qiáng)，風(fēng)速大，年太陽(yáng)輻射是窟區(qū)的2倍多，風(fēng)速是窟區(qū)的4倍多。山頂較窟區(qū)降水多，平均每年比窟區(qū)多降水約7 mm。山頂年氣溫與窟區(qū)相差不大，相對(duì)濕度比窟區(qū)低。風(fēng)向年變化小，山頂戈壁區(qū)盛行南風(fēng)，窟區(qū)以東南風(fēng)為主。②山頂、窟區(qū)太陽(yáng)輻射、氣溫、降水、相對(duì)濕度季節(jié)變化與月變化一致。太陽(yáng)輻射、氣溫、降水表現(xiàn)為夏季＞春季＞秋季＞冬季，峰值均出現(xiàn)于7月；相對(duì)濕度春、夏、秋、冬呈遞增變化，干燥多風(fēng)的春季最低。風(fēng)速變化差異大，山頂風(fēng)速四季呈遞減變化；窟區(qū)春、冬季風(fēng)速較高，夏、秋季風(fēng)速較低。③山頂、窟區(qū)各氣象要素日變化基本一致。白天山頂太陽(yáng)輻射顯著高于窟區(qū)。氣溫日變化相差不大，相對(duì)濕度窟區(qū)較山頂高。風(fēng)向夜間相對(duì)穩(wěn)定，午間波動(dòng)大，山頂日風(fēng)向在SSE～S，窟區(qū)在E～SSE波動(dòng)。風(fēng)速變化表現(xiàn)為夜間高，白天低。④莫高窟山頂、窟區(qū)各氣象要素值差異明顯。溫度、相對(duì)濕度、降水差異較小，太陽(yáng)輻射、風(fēng)速、風(fēng)向差異大，受地形地貌影響顯著。

注釋

①王進(jìn)玉.敦煌莫高窟洞窟現(xiàn)狀調(diào)查與病害分類[J].敦煌研究，2005（6）：113-117.

②胡軍艦，賀東鵬，武發(fā)思，等.麥積山石窟第32窟內(nèi)外溫濕度比較研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2021，35（6）：66-72；牟銳，李榮華，高文強(qiáng)，等.莫高窟關(guān)閉洞窟溫濕度變化分析研究[J].文物鑒定與鑒賞，2024（3）：29-33.

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