敦煌西千佛洞氣象環(huán)境變化特征分析

[摘要]為明確西千佛洞文物的賦存環(huán)境，本研究選取了2019-2020年氣象站監(jiān)測數據集，分析西千佛洞各氣象要素如太陽輻射、氣溫、相對濕度、降水、風向、風速的年、季、月、日變化特征及相互關系。研究表明：西千佛洞太陽輻射、氣溫、風向、風速年際較差小，降水、相對濕度年際變化較大。各氣象要素的季、月、日波動幅度較大。太陽輻射與氣溫變化趨勢一致，夏季最高，冬季最低，太陽輻射年均182.7W/m2，氣溫年均11.9℃，溫差最大54℃。年降水低于100mm，集中在6、7月，以小雨為主。相對濕度四季呈遞增趨勢，RH≥67%占比20%，相對濕度最大100%，濕差最大98%。文物處在干濕交替、冷熱大幅度變化的環(huán)境中，易引發(fā)塑像壁畫粉化、起甲等病害。區(qū)域主風向為西南風，風速小對石窟影響較小；強風集中在東北～東南（NNE～SE）方向，最大風速17.9m/s，東南方向強風對崖面產生強烈風蝕作用，東北方向強風形成的風沙流對石窟文物本體及環(huán)境危害最大。該研究結果可為西千佛洞預防性保護和壁畫病害機理研究提供基礎數據。

[關鍵詞]敦煌西千佛洞；氣象因子；環(huán)境監(jiān)測；壁畫病害

[中圖分類號]K879.2 [文獻標識碼]A [文章編號]1005-3115（2023）04-0172-09

西千佛洞位于甘肅省敦煌市西南約35公里處黨河北岸的崖壁上，洞窟分布在東西長2.5公里的崖壁上，現存北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、回鶻、西夏、元代洞窟22個。1961年，西千佛洞被國務院列為第一批全國重點文物保護單位。

西千佛洞始鑿于北魏，經歷了1500多年自然和人為因素影響，巖體存在風化、裂隙、沖溝等問題，壁畫存在起甲、脫落、酥堿、變色等多種病害。李最雄2、張博叫等研究表明，石窟巖體風化受多重因素共同作用，包括巖體自身特性和自然環(huán)境，降雨、光照、溫濕度變化會引起巖體礦物質吸水膨脹、失水收縮，膠結物質老化，周期性的干濕交替使得巖體結構受損，強度降低，最終導致巖體風化。季節(jié)性的凍融循環(huán)作用，使得巖體也出現開裂、脫落現象。西千佛洞屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，日照強，降水少，蒸發(fā)量大，突發(fā)性強降雨會產生地表徑流，沖蝕崖壁形成沖溝，威脅洞窟文物保存。敦煌地區(qū)風沙活動研究表明，偏西風形成的強風沙流造成洞前嚴重積沙，偏東風對崖面造成強烈風蝕。

洞窟微環(huán)境變化主要受外界環(huán)境影響，陳海玲等@對莫高窟微環(huán)境研究指出，熱壓和濕度差驅動的洞窟內外熱濕交換造成了溫濕度波動。張正模等、王逢睿等W研究表明降雨對洞窟相對濕度影響明顯，引起洞窟濕度變化頻率和變化幅度的增加。石窟壁畫彩塑顏料層中的礦物顏料和有機膠結材料屬于對環(huán)境因素敏感的脆弱材質，溫濕度的波動會引起壁畫和支撐體中可溶鹽反復溶解、結晶變化，導致壁畫產生各種病害10-4。以上研究主要集中在敦煌莫高窟，有關敦煌西千佛洞環(huán)境方面的研究較少，文物的保存狀態(tài)與氣象環(huán)境息息相關，為全面了解西千佛洞的氣象環(huán)境，本次研究選取2019-2020年西千佛洞氣象站監(jiān)測數據集，分析西千佛洞的氣象環(huán)境及各氣象因子的變化特征，為文物預防性保護和壁畫病害機理研究提供基礎數據。

一、監(jiān)測設備與數據采集

西千佛洞氣象站位于窟區(qū)對面辦公樓頂部（圖1），距離石窟區(qū)不足100米，該氣象站為美國CAMPELL SCIENTIFIC公司生產的全自動氣象站（型號：TR-525M）， 包括CR1000數據采集器、CS300總輻射表、HC2S3空氣溫濕度傳感器、TE525MM雨量桶、1405-PK-052二維超聲風速儀.SI-111紅外表面溫度探頭， CS616土壤水分探頭.CS106大氣壓力傳感器等。監(jiān)測氣象要素為太陽輻射﹑溫度﹑相對濕度、降水﹑風速、風向等。數據選自2019-2020年監(jiān)測數據集，采集頻率為10min，使用Origin2017繪圖分析數據。氣象站傳感器性能參數見表1。

二.結果與討論

（一）太陽輻射變化分析

古代壁畫繪制時，常以動物膠或植物膠作為膠結材料，隨著時間推移，在光照等因素影響下，膠結材料老化失去膠結力，導致壁畫出現粉化﹑褪色、起甲現象\"5。圖2a顯示西千佛洞太陽輻射年際變化小，2019、2020年太陽輻射總量分別為9604163.1W/m2、 9920271.4W/m2，年均值分別為182.7W/m2、188.2W/m2，年際較差5.5W/m2。太陽輻射季節(jié)變化明顯﹐夏季最高249.3W/m2？，春季220.9W/m2、秋季152.9W/m2次之，冬季最低106.5W/m2。

太陽輻射月變化呈單峰型（圖2b）。1-7月太陽輻射月均呈上升趨勢，6、7月達到峰值，最高值為269.4 W/m2，8-12月太陽輻射呈下降趨勢，12月降至最低93.9 W/m2。1月和12月太陽輻射量月均在100 W/m2以下，其余月份高于100 W/m2，5-8月太陽輻射量最大，保持在250 W/m2左右。

兩年太陽輻射日變化基本一致（圖2c）。0：00-5：00太陽輻射量為0，6：00-8：00緩慢上升，8：00-14：00大幅上升，14：00達到峰值637.4W/m2， 14：00-19：00大幅下降，19：00-0：00逐漸降至0。一天8小時（22：00-05：00）太陽輻射量為0，13：00-15：00為全天太陽輻射最強時段，日均保持在600W/m2以上。西千佛洞大部分洞窟壁畫存在褪色、變色現象，與早期洞窟缺乏保護管理，無窟門遮擋，太陽直接照射有關。

（二）氣溫變化分析

西千佛洞2019年氣溫波動范圍為-15.9℃-38.1℃，年均氣溫11.9℃，溫差最大54℃。圖3a 顯示氣溫季節(jié)變化顯著，變化趨勢與太陽輻射一致，夏季氣溫最高24.9℃，春季14.5℃、秋季12.1℃次之，冬季氣溫最低-4.2℃。春、秋季氣溫接近年均值，夏季氣溫是春、秋季的2倍。

氣溫月變化呈單峰型（圖3b），1-7月氣溫呈上升趨勢，8-12月呈下降趨勢，其中1-4月上升較快，5-7月上升緩慢，7月達峰值25.3℃，8-9月緩慢下降，10-12月快速下降，翌年1月下降至最低，最低氣溫為-7.1℃。1、2、12月氣溫月均在0℃以下，3-11月氣溫月均在0℃以上。

氣溫日變化呈余弦曲線（圖3c），0：00-7：00氣溫緩慢下降，7：00氣溫降至最低6.9℃，8：00-16：00呈上升趨勢，16：00達到峰值17.8℃，17：00-0：00又快速下降，氣溫最高時刻較太陽輻射滯后2h。白天日均氣溫最高22.8℃，夜間降至-0.2℃，日較差最大23℃（2019年3月31日）。成玉祥等響研究高寒地區(qū)巖石風化提出，在干燥條件下，溫差作用對巖石風化影響更顯著。馬贊峰對莫高窟起甲病害研究表明，相對于濕度而言，溫度變化更容易引起起甲病害。西千佛洞距離莫高窟近60公里，氣候與莫高窟基本一致，太陽輻射強，晝夜溫差大，白天升溫快、夜晚降溫快，高溫差是引起石窟賦存巖體風化和壁畫起甲病害的主要原因之一。

（三）降水變化分析

圖4a 顯示西千佛洞降水量少，2019年、2020年降水分別為56.2mm、10.7mm，年際較差45.5 mm。降水季節(jié)變化顯著，夏季降水為43.3mm， 占全年降水量的77%，秋季、春季降水分別為6.4mm、5.8mm，冬季降水最少0.7mm。夏季降水對全年降水貢獻最大，2019年夏季降水較2020年多40.8mm，年際降水差異主要由夏季降水所致。

降水月變化明顯（圖4b）， 主要集中于4-9月，強降水集中在6-7月，其余月份降水稀少。2019年降水發(fā)生38d， 其中6、7月降水20d，7月降水最多，為29.6mm，占全年降水量的53%。2020年降水少，僅發(fā)生12d，5、7月降水分別7.7mm、2.3mm，其余月份基本無降水。

新疆降雨量等級劃分標準：日降雨量≤0.2mm 為微雨，0.3mm≤日降雨量≤6.0mm為小雨，6.1mm≤日降雨量≤12.0mm為中雨，12.1 mm≤日降雨量≤24.0mm 為大雨8。按照新疆降雨等級標準，2019年西千佛洞全年微雨7d、小雨31d（其中6、7月小雨18d）， 日最大降水5.9mm， 降水強度最大為2.1mm/h。2020年微雨4d、小雨8d，日最大降水3.8mm，降水強度最大2mm/h，兩年未出現中、大雨天氣。從降水分析來看，西千佛洞降水量少，以小雨為主，降水天氣對文物影響較小。

降水日變化大（圖4c）。2019年日降水較大出現三次（11：00時0.8mm、2：00時0.7mm、20：00時0.7mm）。2020年日降水較大出現兩次（1：00和9：00均為0.6mm）。

（四）相對濕度變化分析

圖5a 顯示，相對濕度2019年波動范圍2.3%-100%，年內較差98%，相對濕度最高達100%（2019年7月7日2：10至8：10），持續(xù)時長6小時。季節(jié)變化表現為遞增趨勢，冬季最高46.9%，其次是夏季34.6%、秋季32.2%，春季最低20.6%。2019年降水較2020年明顯偏多，相對濕度2019年、2020年均值分別為33.6%、29%， 年際較差4.6%，相對濕度變化與年降水有直接關系。張明泉等1、陳港泉等120研究表明，相對濕度飽和狀態(tài)下空氣中易形成凝結水，造成巖體表面水汽含量增加，促使壁畫和支撐體中可溶鹽的溶解遷移，誘發(fā)壁畫發(fā)生酥堿、起甲等病害。西千佛洞2019年7月發(fā)生連續(xù)降水，小雨從7月6日12：40開始持續(xù)到7月9日12：50，累計降雨18.4mm，溫度波動范圍14.24℃-29.72℃，相對濕度波動范圍27.28%-100%，呈現低溫高濕和高溫低濕的變化特征，在夜間低溫和連續(xù)降雨的情況下，空氣相對濕度飽和狀態(tài)長達6小時，由降雨引發(fā)的大幅度濕度波動和高濕環(huán)境是導致彩塑壁畫鹽害發(fā)育的重要誘因。

相對濕度月變化呈谷型，1、12月相對濕度月均最高57.4%，3、4月最低15.1%，月較差最大42.3%（圖5b）。全年RH≥67%有76天，占全年總天數的20%，集中在6、7月。王錦芳等21研究發(fā)現，可溶性鹽廣泛存在于敦煌莫高窟壁畫材料中，壁畫中聚集的鹽分很大一部分來自崖體中可溶鹽，對壁畫材料的劣化影響很大。敦煌壁畫試驗表明，當相對濕度超過67%，含鹽壁畫吸附水分的速度顯著提高，得出引起壁畫潮解空氣相對濕度的臨界值2。在高濕環(huán)境下圍巖或壁畫地仗中的可溶鹽發(fā)生溶解、結晶變化，導致壁畫內部結構材料受損，引起壁畫酥堿、脫落2。因此，在降雨和低溫條件下，大氣環(huán)境RH≥67%時應密切關注窟內相對濕度變化情況，必要時關閉窟門，防止高濕空氣進入引起洞窟環(huán)境劇烈波動。

相對濕度日變化呈正弦曲線（圖5c）。0：00- 8：00相對濕度緩慢升高，8：00達到峰值43.6%， 9：00-16：00快速下降，16：00降至最低23.2%， 17：00-0：00又緩慢爬升，日均較差20.3%。圖3c 和圖5c 顯示，降水對相對濕度影響顯著，2019年降水較多，相對濕度日均值較2020年明顯偏高，濕度差最大4.8%。相對濕度與氣溫變化呈相反變化，7：00氣溫最低，相對濕度8：00最高，相對濕度極值較氣溫滯后1小時。

（五）風向變化分析

圖6顯示，西千佛洞主風向為西南偏西（WSW）方向，西南風（SW）和西風（W）次之，年際間變化小。春季盛行西南偏西風，西南風和西風次之；夏季盛行東北風（NE）， 西南偏西風和西風次之；秋季盛行西南偏西風，西南風和西風次之；冬季盛行西南偏西風和西南風，西風次之。年內7個月（3-9月）主風向為西南偏西風。由表2可知，2019、2020年西千佛洞主風向西南偏西風出現頻率分別為10.7%、11.3%，西南風和西風頻率分別為9.8%、10.1%和9.7%、9.5%，其余方向風頻率在5%左右。

西千佛洞全年風速相對較小，2m/s以下風速在各方向均有分布，全年出現頻次最高，兩年占比分別為97.9%、98.1%，2m/s～5m/s 風速集中在西南～西（SW～W）方向，出現頻度分別為2.1%、1.9%。大風集中在東北偏北～東南（NNE～SE） 方向，2019年強風天氣出現8次，風速為17～17.5m/s，其中西南偏西和東北偏北（NNE）方向各出現1次，東北方向出現2次，東南偏東（ESE）方向出現4次；2020年強風天氣出現5次，風速為17.2～17.9m/s，其中西北偏西（WNW）、東南和東（E）方向各出現1次，東北方向出現2次。

（六）風速變化分析

圖7a 顯示，西千佛洞2019年、2020年風速波動范圍分別為0-17.5m/s、0-17.9m/s，年均風速0.73m/s、0.71m/s，最大風速17.9m/s 。全年以1級風（0.3m/s≤風速≤1.5m/s）為主，占全年風頻率的87.8%。風速年、季節(jié)差異較小，春季風速均值最大0.9m/s，夏、冬季次之，秋季風速最小0.6 m/s。

風速月變化如圖7b所示，1-5月呈上升趨勢，5月風速最大0.9m/s，6-10月風速呈下降趨勢，10月風速最小0.6m/s，11-12月又呈上升趨勢。全年2-5月風速較高，月均風速基本在0.8 m/s以上。

風速日變化呈單峰型，與太陽輻射正相關（圖7c）。0：00-5：00變化平緩，6：00-14：00大幅上升，14：00風速最大1.1m/s，15：00-22：00大幅下降，22：00風速最小0.5m/s，23：00-0：00又緩慢上升。夜間（21：00至次日8：00）風速均小于0.6m/s， 白天風速波動大，最高風速出現在13：00-17：00，均高于1m/sc

西千佛洞坐北朝南，位于鳴沙山西北側，直線距離約1700米，窟頂北側是一望無際的戈壁灘，窟前黨河水自西向東流過，樹木蔥蘢，高大的喬木對SE方向風速有一定減緩作用。試驗研究表明，干燥的天然混合沙的起動風速在5m/s 左右24，西千佛洞主風向為西南偏西（WSW）， 風速小于起沙風速，對石窟影響較小；東北（NE）、東南（SE）方向風頻次少，但風力強勁，對石窟威脅大。張偉民等29對莫高窟頂戈壁輸沙量監(jiān)測發(fā)現，當風速大于11m/s時，戈壁風沙發(fā)生長距離的輸送。黃翠華等9通過實地觀測得出一場強風（gt;12m/s）對沙的吹蝕搬運量相當于日常風況下幾周乃至幾個月時間的吹蝕搬運量。西千佛洞強風集中在東北（NE）、東南（SE）方向，洞窟頂部為礫石戈壁灘，東北（NE）方向強風裹挾砂礫形成的風沙流運移至窟區(qū)，致使石窟棧道、窟前、景區(qū)道路積滿砂礫（圖8）。ESE方向風從水平方向風蝕石窟崖面，造成崖面風化坍塌。懸浮于空氣中的沙塵通過門縫和紗網進入窟內，沉降在塑像和壁畫表面，影響文物展示，同時，攜帶其中的水溶性離子如硫酸鹽、硝酸鹽等也會對文物材料產生物理化學侵蝕破壞。

三、結論

通過對2019-2020年西千佛洞氣象要素太陽輻射、氣溫、降水、相對濕度、風向、風速分析，基本明確了西千佛洞的氣象環(huán)境和各要素間的變化特征。

其一，各氣象要素變化特征。西千佛洞區(qū)域太陽輻射、氣溫、風向、風速的年際較差小，降水和相對濕度年際較差大。各氣象要素的季節(jié)、月、日波動幅度較大。太陽輻射與氣溫的季節(jié)變化趨勢一致，夏季最高，冬季最低，春秋季次之，氣溫峰值較太陽輻射滯后一個月。西千佛洞降水量稀少，年際較差大，以小雨為主，集中在6、7月，降水對石窟影響較小。相對濕度受氣溫、降水、風速影響顯著，四季呈遞增變化趨勢。主風向為西南偏西（WSW）， 西南風（SW）和西風（W）次之，強風集中在東北（NE）、東南（SE）方向。風速春季最大，秋季最小，白天大，夜間小。

其二，氣象要素變化對文物的影響。西千佛洞太陽輻射高達9920271.4W/m2， 氣溫最高38.1℃，溫差最大54℃。相對濕度最高100%，濕差最大98%，文物處在干濕交替、冷熱大幅度波動的環(huán)境中，易引發(fā)巖體崩解，塑像壁畫粉化、褪色、起甲等病害。相對濕度RH≥67%占比 20%，最高可達100%，降水引發(fā)相對濕度驟增，是導致彩塑壁畫鹽害發(fā)育的重要誘因之一。東北（NE）、東南（SE）方向風力強勁（gt;17m/s）， 東南方向強風對崖面產生強烈風蝕作用，東北方向強風形成的風沙流沉積在洞前、棧道和景區(qū)道路上，對石窟文物本體和環(huán)境危害最大。另外，為全面了解西千佛洞的氣象環(huán)境，建議在窟頂戈壁區(qū)設立氣象站，為西千佛洞文物保護提供全方位數據支撐。

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