水系统对莫高窟小气候的影响

李红寿　汪万福　张国彬　薛　平　侯文芳　邱　飞

内容摘要：通过莫高窟水系统对小气候影响的对比分析与研究，发现水的吸热放热和水的耗散结构在系统能量动态平衡中起着重要作用，对保持小气候的稳定至关重要，具有温度“平衡器”的作用，对湿度、温度、太阳辐射强度等有显著影响。如相对湿度增加7.27％，则太阳辐射强度降低22.3％。莫高窟通过水系统等的综合作用，消耗巨大的风动能t对风力具有很强的内在消弭作用。反过来，风能是“冷岛”效应的动力源泉。水分耗散结构和海拔等的综合作用使日最高温度的实际降低较敦煌不少于3.19℃，但大多被地形结构的增温效应所掩盖。水系统和地形结构等的综合作用使莫高窟小气候具有“自组织空调”性能，冬暖夏凉，温度稳定，非常有利于文物保护。

关键词：水系统；莫高窟；小气候；影响

中图分类号：P463.21文献标识码：A文章编号：1000－4106(2009)03－0110－04

敦煌莫高窟现存精美绝伦的壁画4.5万平方米，彩塑二千余身，因具有独一无二的历史和文物价值被列入世界文化遗产清单。这些文物绝大多数是泥质材料，非常脆弱。气候环境对文物的保存具有重要影响，莫高窟的小气候是莫高窟珍贵文物保存的最基本的环境，因此开展莫高窟小环境气候的研究，对文物的保护具有重要意义。调查发现这里的园林耗水量巨大，产生的效应可能对莫高窟的小气候有一定的影响，并直接影响到文物的保护。因此，研究水系统对小气候的影响，对于莫高窟的文物保护非常重要。

一研究方法和资料

在莫高窟园林用水调查和水分耗散结构分析的基础上，我们结合莫高窟的地形地貌，应用系统分层的方法对水系统进行了能量转换和动态平衡的综合分析。同时利用莫高窟窟顶和窟前多年的气象资料对气象因子进行深入的对比，以寻求水系统影响莫高窟小气候的范围及影响程度。莫高窟第72窟前和窟顶气象站的自动数据采集设备较为先进，可以每110或15min自动对温度、湿度、光照、风向、风速等进行一次采集，这些常年不断的大量数据，为莫高窟小气候的研究提供了翔实、珍贵的基础资料。

二莫高窟的水热耦合与能量综合分析

(一)莫高窟园林用水的能量耗散

莫高窟园林用水来自大泉河，大泉河是一条长约15km的泉源河，平均流量为0.11m³/s。除冬季不能利用外，每年大约有270d用于28.4hm³的莫高窟林地、绿地的灌溉，用水量达2.38×10⁶m³。本文中水系统指分布在莫高窟土壤、植被、空气等时空区域的全部水分。

莫高窟绿地的平均耗水为8366mm，远远高于敦煌当地的农业最大用水量2250mm。莫高窟林地用水主要通过漫灌的方式以沙壤和植被为介质，与高温干燥的空气、强烈的太阳辐射和空气流动等综合作用形成了水分耗散结构，全部灌溉的水分被蒸散。蒸散的水分按汽化热(2.3×10⁶J/kg)合计为5.5×10¹⁸焦耳，相当于1.6×10⁵吨的优质煤(燃烧值为3.4×10⁷J/kg)的燃烧热量，折合每平方米绿地耗煤563kg。年耗散总能量为1.94×10¹⁰J/m²，远高于莫高窟全年太阳辐射量6.38×10⁹J/m²。

(二)水量与能量的转换和对温度的日平衡作用

水的热容量为4.2×10¹⁰J/kg℃，在自然界中最大。因此，水分可在热量动态变化中吸收和释放热量，调节温度平衡。这里的水分，理论上包括发生温度变化的所有水分，在莫高窟主要包括植被水分和土壤水分。根据对莫高窟地上生物水量的估算，约为15kg/m²，即相当于15mm的水量。植物的温度与气温接近，随气温的变化而变化。莫高窟气温的日较差是11℃。土壤水分的温度起到日平衡作用的主要在20cm内，以下的温度日变化很小，按照10％的含水量计算，相当于20mm的水量。地表温度在窟前日较差约为6℃。地上生物水与土壤水日交换热量合计为74.8×10³J/m²，这些热量主要通过热辐射和空气流动流散出莫高窟。全年流失8.52×10¹³J，占太阳辐射量(1.8×10¹⁵J)的4.7％。随着植被生物量的增长，植被对热量的平衡作用将逐渐增强。

通过物质的吸热性能和温度日变化的迟滞作用转移能量，崖体、土壤、空气等都具有这样的功能，相比较而言，莫高窟的水系统起主导作用。这种作用对热量这种能量形式具有直接的储存作用，起到“库”的功效，消弭了高温的出现。而夜间的散热起到保温的作用。深层土壤水分在日热平衡中作用较弱，但是在季节性气候变化中有重要的作用。夜间水蒸汽的热容量平衡作用可能小于水汽对地面长波辐射的吸收，更多体现的是保持气温稳定的作用。

蒸发作用与热容量“库”的效应不同，蒸散过程中通过分子化学键的作用，吸收或释放大量的能量而温度保持不变，而热容量的吸热放热伴随着水分子运动的温度变化。因此，园林用水耗能仅是从水分蒸发的角度对能量进行的计算。水分蒸发所吸收的能量从温度热表现角度来说是隐性的，而水的热容量平衡正好相反，是通过温度的变化体现能量的变化，是显性的。从计算结果看，蒸发耗散的热量占了绝对的主导地位。

(三)能量综合分析——水系统对风力的影响

我们曾对莫高窟开放系统进行过系统的划分与能量动态平衡分析。通过环境、系统、子系统的划分和分类研究，有六种能量的相互转化格局，水分的耗散结构在稳定温度和能量平衡中起着重要作用，从能量角度说明了水分耗散对系统稳定的重要性。水系统作为能量的主要载体，综合着各相关系统，在能量的转换中起到至关主要的作用。水系统年蒸散耗能是进入系统太阳辐射能量的3倍，在稳定温度中具有非常重要的作用。

水分蒸散的吸热对气温的升高有很强的抑制作用，高温时水分的耗散量大，抑制作用强，低温时较小。水的耗散结构同时又是能量的耗散结构，小气候的温度表现也是大量热量被水分的“隐性”耗散所消弭的表现。水系统与其它环境因素的共同作用，使莫高窟的日较差较敦煌低4.73℃，体现了水系统对温度的稳定作用。

对于一个封闭系统，当它外围的温度较高时，如果没有外界的做功，系统内部的水蒸发吸热在温度达到平衡后自动停止。如同没有电机做功的冰箱，很难出现自动降温而呈现“冷岛”效应。因而有必要通过能量的综合分析找出做功者。

莫高窟小区域能量的平衡是：外部环境主要以光能、风能等进入系统，系统以热辐射的形式向外流出。子系统主要是水系统耗散吸收的系统能

量。通过对进入和流出系统的太阳能、风能、热辐射、水耗散能量等进行综合分析，得出对系统做功的因子，即：

太阳辐射量f+流入时的空气热量r+流入的空气动能d=水分耗散能量h+流出时空气的热量r+系统向外热辐射能量f，+流出时的空气动能d。

整理得风动能的变化为：d－d＝(h—f)+f+(r－r)

系统对外的辐射量(不包括水系统)的能量暂不考虑。那么根据(一)、(二)节的计算，则：

风动能差(dr－dc)+风热量差(ro－rr)≈(h—ft)+(rc－rr)=3.79×10¹⁵J

因此在莫高窟每年消耗风能(动能及热能)约达3.79×10¹⁵J。据此可以说明水分蒸散对风速减小量的贡献。当然这是较粗略的估算，对植被吸收的太阳能等也忽略未计。但是通过这样的分析，我们认识到水系统对风力的确有很大的内在的影响。反过来，外部风力做功是莫高窟林地温度较戈壁低的主要动力来源。风能是“绿洲冷岛”效应的动力源泉，否则，“冷岛”效应将很难实现。

三莫高窟水系统对小气候的影响

(一)水系统对温度影响的综合分析

2004年莫高窟窟前平均温度高于敦煌0.78℃，这一结果是地形结构(包括大气逆温效应)等的平均增温作用(2.85℃)，减去海拔降温的作用(2.07℃)和水的耗散等其它降温作用后的表现。但是2004年莫高窟平均日最高温度低于敦煌2.41℃，地形结构的增温效应在午间温度最高时也应是较强的时期，但反而低2.41℃。那么综合降温作用不小于：2.41℃+0.78℃=3.19℃，因此莫高窟的“冷岛”效应大部分被地形结构的增温效应所掩盖。水系统的耗散及风力等的综合降温作用使日最高温度的降低不少于3.19℃。敦煌绿洲同样存在水分的耗散吸热降温，但不存在大范围水的耗散结构，因此对温度的抑制作用远低于莫高窟。

白天的窟前增温作用大于耗散降温作用，夜晚由于土壤、水体等的热辐射，排除海拔影响，窟前日最低温度高于窟顶0.39℃。但也有例外，如图1。图1是在2004年8月8日23：00至9日02：00有2.25mm的降雨时的气温比较。雨后出现了窟顶温度高于窟前，窟前出现了1～2℃的逆温。这是因为在干热的夏季，由于树木使水分成立体分布，在风的作用下水的耗散降温作用高于窟顶。这说明强烈水分耗散具有较强降温的潜力。另外，7月份莫高窟窟前日最高温度与敦煌接近，这说明由于某种原因降温作用受到明显的抑制。从园林用水的调查看，7月中旬至8月中旬是敦煌地区的高温季节，而且常常伴有干热风，水分的耗散使大泉河白天出现断流，林带整体严重缺水，局部树叶脱落，此时的缺水使水分的耗散降温作用显著降低。这从反面证明了水分耗散在降温中的关键作用。这也可从莫高窟植被的蒸腾速率图得到证日月，7—8月份蒸腾速率的下降，也是因为缺水。

(二)水分蒸散对相对湿度的影响

从温度、空气流动来看，窟顶与窟前是一体的，但从相对湿度看，上下层仍有较大的差异(图2)。2004年窟前35.50％，窟顶28.23％，水的蒸散使莫高窟的相对湿度增加7.27％。但这一差值使窟前湿度增高达25.75％。

(三)水系统对太阳辐射的影响

以2004年10月1—2日为例(图3)，窟前的太阳辐射强度明显低于窟顶，水系统对太阳辐射强度有重要影响。午前的辐射强度很低，并且有波动，是因为窟前林带的遮挡所致。中午的1.5小时，阳光完全直射到气象站，然而辐射强度(595w/sqm)较窟顶(768w/sqm)降低了173w/sqm。这是阳光透过崖体前的潮湿空气时有相当比例的长波辐射被水分直接吸收，部分光线被散射所致。此时，窟前相对湿度(24.15％)较窟顶(17.53％)高6.62％，辐射强度降低了22.53％。这也反过来说明空气水分吸收辐射是窟前空气增温的有效方式。午后辐射强度降低很大，且没有波动，是西边崖体的遮光所致。崖顶夜间大多数有1w/sqm的负辐射，窟前没有，是因为树木和崖体的热辐射使地表辐射的得失为零。

四小结

莫高窟微环境的水系统分析表明，莫高窟年耗散2.38×10⁶m³的水分，年耗散能量为1.94×10¹⁰J/m²。水是小气候的稳定器、平衡器，水是能量转化的最佳载体。水吸收和释放热量，在调节温度平衡，稳定环境温度、湿度方面具有不可替代的作用。此外，水对风能有很强的消弭作用。由于水的作用，使莫高窟小气候具有“自组织空调”效果，冬暖夏凉，温度稳定，非常有利于文物保护。研究证明水系统对莫高窟小气候的温度、湿度、光照、风力有显著的影响：

(1)2004年水分的耗散结构和生态等综合作用使莫高窟的日最高温度的实际降低较敦煌市区不少于3.19℃。水的耗散降温作用被地形结构的增温效应所掩盖，但在局部时间仍然可出现低于周边的“冷岛”现象。

(2)水分耗散对空气湿度有着重要影响。2004年莫高窟窟前平均相对湿度是35.50％，比窟顶的28.23％增高了7.27％。

(3)水系统对太阳辐射强度有内在的影响。在代表性天气下(2004年10月1—2日)窟前光照强度(595w/sqm)较窟顶(768w/sqm)降低了173w/sqm。

参考文献：

[1]李红寿，敦煌莫高窟园林用水资源调查及园林用水分析[J]，敦煌研究，2005(4)：92

[2]李红寿，用耗散结构理论对莫高窟园林用水的分析[J]，生态学报，2006，26(10)：3454－3462

[3]李红寿，汪万福，张国彬，等，地形地貌对莫高窟区域微环境的影响，敦煌研究[J]，2008(3)：98－102

[4]张勃，石惠春，河西地区绿洲资源优化配置研究[M]，北京：科学出版社，2004：80－83

[5]秦全胜，郑彩霞，汪万福，等，敦煌莫高窟窟区树木蒸腾耗水量的估算[J]，敦煌研究，2002(4)：97－101