莫高窟窟区微气候环境研究

柴宗香 牛贺强

内容摘要：通过实测对比莫高窟六种不同下垫面对窟区微气候环境的影响，分析研究表明：窟前绿化采用滴灌形式的乔木林带效果最佳；微气流带走了水汽，使0.2m以下区域的绝对湿度值偏低；沙地与戈壁的空气绝对湿度与温度关系不大；草坪与地被植物更换成沙地灌木，既节约水源又不影响其降温效果。研究验证了莫高窟绿化对窟区微气候环境的缓冲作用，并提出了窟区景观绿化的合理建议。

关键词：莫高窟；下垫面；微气候；现场测试

中图分类号：P901 文献标识码：A 文章编号：1000-4106（2016）03-0117-07

Abstract： This research is a comparative analysis on the influence of six different underlying surfaces on the micro-climate environment of Mogao Grottoes by in-situ test. The results are as follows： for the trees in front of the caves， the best environmental effect can be achieved by drip irrigation； micro airflow takes away water vapor， which lowers the absolute humidity of areas under 0.2 meters； the absolute humidity of sand and Gobi has little relationship with air temperature； and finally， water consuming grass plots should be replaced with local sand shrubs that can save water and will not influence cooling effects. This research has preliminarily verified the buffer effect of reforestation on the micro-climate environment of the Mogao Grottoes， and subsequently puts forward suggestions for further landscaping efforts.

Keywords： Mogao Grottoes； underlying surface； micro-climate environment； in-situ test

0 引 言

莫高窟地处敦煌盆地东南缘，东邻三危山，西接鸣沙山，在大尺度荒漠和戈壁背景基质上依水而建，为典型的绿洲景观。由于荒漠、戈壁、绿化等不同下垫面影响着空气中的物理特性，莫高窟绿洲形成其特有的微气候环境。这种微气候环境与窟内的微气候环境之间有着极强的联动性[1-5]，是引起文物劣化的重要因素[6]。张强等[7-8]对敦煌绿洲及周围沙漠戈壁的陆面湍流特征、绿洲边缘内外的水汽输送特征进行了分析；部分学者 [9-11]对绿洲、戈壁和沙漠三个不同下垫面夏季辐射和地表能量收支及闭合特征进行时空对比分析，但这些研究绿洲测点仅为农田，测试结论相对宏观。李红寿等[12-13]、秦全胜等[14-15]直接或间接证明莫高窟的地形地貌、水系统、植被等环境因子对窟区温湿度有重要影响；马淑静[16]对窟区绿化的温湿度做了简单分析，但其测点较少，不能有效解释下垫面温湿度的变化规律。基于上述不足，本文着重对比窟前广场、乔木林带、戈壁、沙地、乔木+草坪、沙地灌木等六种下垫面的微气候环境，初步验证莫高窟绿化对窟区微气候环境的缓冲作用，指出合理的绿化形式，并为后期莫高窟景观微气候参数化设置提供模拟依据。

1 测试方案

本次测试选用仪器为台湾群特热电偶center309共2台合计8个探头及美国HOBO温湿度记录仪U-23-001共计8个。热电偶探头及温湿度记录仪分别用通风百叶箱（外贴铝箔胶带）罩住，防止阳光直射。

本次测试为24h连续加密观测，测试时间从2015年9月21日开始到2015年9月30日截止，观测地段选在莫高窟窟区及周边小部分沙地范围，测试对象为窟前广场、林带、戈壁、沙地、乔木+草坪、沙地灌木等六种不同下垫面（图1），测试内容为地表温度及不同高度（2m及以下）的空气温湿度。测试共分六轮，每轮两组，每组各一台热电偶（4个探头）及4个温湿度记录仪，布点方式为梯度法（图2），测点位置以现场布点状况为准。测试间隔为15min/频次。

2 测试结果分析

2.1 各观测点温湿度分析

基于地表与空气的热交换过程主要集中在距地0.2m以下的区间（图 3），从分析热量交换的角度出发对0.2m处的空气温度与地表温度进行比较。由于第96窟窟前广场草坪修剪高度均低于0.05m，这里取0.05m处温度为草温[17]。1.3m高的沙地灌木在0.5m和0.2m处温度出现明显的分层现象，这里取0.2m处温度为灌木温度。为直观解释大气中的水汽与温度的变化关系，本文将不同高度处的空气相对湿度换算为绝对湿度值。测试结果如下：

（1）在研究地表温度对空气温度的影响中发现：窟前广场上午对0.2m处空气有降温作用，下午及夜间为增温；林带、戈壁、沙地等三种下垫面对0.2m处空气白天为增温作用，夜间为降温；乔、草结合的绿化形式（0.05m处草温）对0.2m处空气无论何时均有降温作用；沙地灌木（0.2m处灌木温度）对0.5m处空气在午后及夜间均有降温作用。

（2）在研究空气温度与绝对湿度的极值阔线（图3）中发现：无论何时，0.15m处空气绝对湿度均小于0.2m处空气绝对湿度；0.2m处与0.15m处温差越大，这两处的绝对湿度差值越大，温差越小，绝对湿度差值越小。初步推测这种现象是由于温度差引起的微气流带走了该区域的水汽，使其绝对湿度降低。

（3）在研究空气温度与绝对湿度的变化趋势（图4）中发现：窟前广场、滴灌乔木林带、乔木+草坪、沙地灌木等四种下垫面的绝对湿度与温度呈正相关；沙地与戈壁的绝对湿度与温度关系不大。沙地与戈壁表面过于干燥，即使温度再高，地表蒸散量有限，其潜热过程可以忽略，地表面热量平衡过程中感热通量占绝对优势。这也是沙地与戈壁昼夜温差较大的主要原因。

2.2 不同下垫面温湿度比较

基于1.5m处空气温度对人体的热舒适影响较大，且0.2m—1.5m处温度波动不大，这里选择各下垫面地表温度与1.5m（部分测点为1.4m）处空气温度进行比较。六轮测试中：窟顶戈壁23日23：15—24日14：15数据缺失，窟前乔木林带24日5：30-24日9：15数据缺失；29日日间晴、夜间有雨、30日早晨有降雪，故而认为沙地灌木与戈壁C测点的有效数值从29日14：00开始，29日23：45截止；其余四轮测试时间均超过24h。测试结果如下。

（1）与戈壁C同等高度处的温度相比，1.3m高的沙地灌木分别在地表位置、0.1m和0.2m处降低了2.8℃、0.8℃和0.7℃，而对0.5m及以上的空气温度基本无影响；沙地灌木0.5m处与0.2m处空气温度出现明显的分层现象（图5），两者相差1.5℃左右；沙地灌木绝对湿度均高于戈壁，这与灌木的蒸腾作用有关。

（2）不考虑沙地灌木：乔木+草坪温度最为稳定，空气绝对湿度高但波动幅度大；林带温度相对稳定，绝对湿度的平均值大于窟前广场，波动幅度则小于窟前广场；戈壁与沙地的昼夜温差大，绝对湿度接近，戈壁绝对湿度波动幅度大于沙地（图6）。可见，莫高窟水系统的潜热交换过程使莫高窟窟区温度趋于稳定。

3 结 论

测试研究表明窟区绿化对保护区整个赋存环境的过渡缓冲作用，得出结论如下：

（1）莫高窟水系统的潜热交换与乔木的遮阴、挡风作用共同决定了乔、草结合的绿化形式最利于窟区微气候环境趋于稳定，但从节水及防止窟前林带灌溉水测渗的角度[12-15]出发，窟前绿化采用滴灌形式的乔木林带效果最佳。

（2）各下垫面与空气交换过程主要集中在0.2m以下的区域，且0.15m处空气绝对湿度始终小于0.2m处空气绝对湿度。初步推测这种现象是由于该区域较大的温度差形成了微气流带走了该区域的水汽所致。

（3）沙地与戈壁的绝对湿度与温度关系不大，其余四种下垫面与温度呈正相关。沙地与戈壁表面过于干燥，潜热过程可以忽略，这也是沙地与戈壁昼夜温差较大的主要原因。

（4）乔木+草坪与沙地灌木对空气均有降温作用，但沙地灌木的需水量明显少于乔木+草坪，且沙地灌木的降温效果可影响至距地0.2m（草坪为0.05m）左右的位置，建议将需水量较高的草坪与地被植物更换成本土沙地灌木，既能节约水源，又不影响其降温效果。

参考文献：

[1]王江丽，闫增峰，王旭东，等.莫高窟自然通风测试研究[J].敦煌研究，2015（8）：30-35.

[2]王江丽，闫增峰，王旭东，等.敦煌莫高窟洞窟自然通风实验研究[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版）， 2015（11）：296-299.

[3]王江丽，闫增峰.强降雨天气下的莫高窟洞窟环境调控方案初步研究[J].建筑与文化，2014（3）：62-65.

[4]尚瑞华，闫增峰，王江丽.敦煌莫高窟区景观微气候调节技术研究[J].云南建筑，2014，增刊：296-299.

[5]李哲伟.莫高窟洞窟前室对窟内热湿环境调控机理研究[D].西安：西安建筑科技大学，2014.

[6]张正模.环境监测系统在莫高窟保护与利用中的建立[D].兰州：兰州大学，2012.

[7]张强，周毅.敦煌绿洲夏季典型晴天地表辐射和能量平衡及小气候特征[J].植物生态学报，2002，26（6）： 717-723.

[8]张强，卫国安，黄荣辉.西北干旱区敦煌戈壁局地陆面过程野外试验研究[G]//青藏高原与西北干旱区对气候灾害的影响.北京：气象出版社，2003.

[9]胡隐樵，奇跃进，杨选利.河西戈壁（化音）小气候和热量平衡特征的初步分析[J].高原气象，1990，9（1）：113-119.

[10]单机坤，吕世华，奥银焕，等.沙漠绿洲不同下垫面夏季能量收支对比分析[J].干旱区地理，2008，31（3）： 355-363.

[11]邹基玲，侯旭宏，季国良.黑河地区夏末太阳辐射特征的初步分析[J].高原气象，1992，11（4）：381-388.

[12]李红寿，汪万福，张国彬，等.水系统对莫高窟小气候的影响[J].敦煌研究，2009（3）：110-113.

[13]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.

[14]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.

[15]秦全胜.莫高窟窟区主要绿化树木水分关系研究[D]. 北京：北京林业大学，2003.

[16]马淑静.敦煌莫高窟区绿化现状及对文物的影响研究[D].兰州：兰州大学，2014.

[17]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京：气象出版社，2003：11.