地形地貌對(duì)莫高窟區(qū)域微環(huán)境的影響

內(nèi)容摘要：本文通過(guò)對(duì)莫高窟窟前、窟頂氣象資料與敦煌的氣象資料的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)地形地貌對(duì)莫高窟區(qū)域微環(huán)境的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度等有一定的影響，主要為莫高窟河谷內(nèi)南風(fēng)大幅度增加，北風(fēng)和東風(fēng)增多，西風(fēng)明顯減少。2004年窟前平均風(fēng)速為0.61m/s，窟頂為4.43m/s，莫高窟日較差小于敦煌綠洲473℃。2000～2004年莫高窟窟前平均氣溫高于敦煌市區(qū)0.84℃，考慮海拔的降溫作用2.07℃，窟前小區(qū)域的實(shí)際綜合增溫效應(yīng)年平均可達(dá)2.91℃，地形地貌的增溫作用是主要原因，窟前、窟頂溫度差異較小，處于同一變溫層內(nèi)。

關(guān)鍵詞：莫高窟；地形地貌；微環(huán)境

中圖分類號(hào)：X820.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2008)03-0098-05

莫高窟是我國(guó)重要的佛教遺存，因其具有獨(dú)一無(wú)二的價(jià)值被列入世界文化遺產(chǎn)清單。這些文物絕大多數(shù)使用泥質(zhì)材料建造，非常脆弱，具有不可再生性。文物保護(hù)與外界氣候環(huán)境的關(guān)系密切，氣候環(huán)境直接決定著文物壽命的長(zhǎng)短。莫高窟干燥少雨的氣候條件非常有利于泥質(zhì)文物的保存，然而這里還存在風(fēng)沙頻繁、晝夜溫差大、光照強(qiáng)烈等對(duì)文物保護(hù)不利的因素。地形地貌對(duì)區(qū)域微環(huán)境的小氣候有一定的影響。弄清楚地形地貌與莫高窟的風(fēng)向、風(fēng)速、溫度之間的關(guān)聯(lián)性，對(duì)莫高窟文物的保護(hù)具有一定的意義。

一 研究方法

通過(guò)對(duì)莫高窟地形地貌的調(diào)查，利用莫高窟所采集的氣象資料，對(duì)窟前和窟頂?shù)娘L(fēng)向、風(fēng)速、氣溫進(jìn)行對(duì)比分析。需要說(shuō)明的是根據(jù)氣象學(xué)的要求，要確切地反映一個(gè)地區(qū)的氣候特征，氣候資料要有相當(dāng)長(zhǎng)的年限，如溫度資料一般要在20年以上，這樣計(jì)算出的平均結(jié)果才具有代表性，可以不標(biāo)注年代。莫高窟要得到20年以上的氣象資料，目前尚有困難。因此本文用同期的敦煌的氣象資料和莫高窟窟前和窟頂?shù)臍庀筚Y料進(jìn)行對(duì)比，側(cè)重探討形成差異的原因。重點(diǎn)對(duì)比了溫度的日變化，即對(duì)日最高溫度、日最低溫度的月平均值和年平均值進(jìn)行對(duì)比分析。利用大量的氣象資料，通過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，結(jié)合莫高窟的地貌特征，初步弄清了莫高窟的地形地貌與風(fēng)向、風(fēng)速、溫度之間的相互關(guān)系和影響程度。

二 敦煌地區(qū)、莫高窟的地形地貌

敦煌位于河西走廊的最西端，處在東經(jīng)92°13′至95°.30′，北緯39°40′至41°.5′之間，海拔1138.7m(敦煌氣象站)。敦煌東南有黨河南山，屬祁連山；西南有阿爾金山。它們?cè)谀厦嫘纬闪艘坏榔骄０胃哌_(dá)4000m的屏障。北部的馬鬃山區(qū)系天山余脈，平均海拔2000m左右。中間呈狹長(zhǎng)的西高東低的傾斜帶，南接南疆盆地東沿，東連瓜州縣境，平均海拔在1200m以下，是典型的狹管地帶。這種大的地形格局對(duì)于主要季風(fēng)西北風(fēng)，在西南高山區(qū)有強(qiáng)烈的抬升作用，使其中的水汽凝結(jié)產(chǎn)生降水。

敦煌境內(nèi)地勢(shì)四周高中間低，所以又有盆地之稱。莫高窟地處敦煌盆地的南邊緣，距敦煌市區(qū)25km，遠(yuǎn)離敦煌綠洲。東面是三危山，西面是鳴沙山，三危山和鳴沙山形成了一個(gè)喇叭形。東邊的三危山，是從瓜州至敦煌綿延140余km的一列直線型斷層隆起的斷塊山，主峰海拔1947m，高出莫高窟600m，一般地段相對(duì)高300—500m。西邊的鳴沙山，是一片沙漠區(qū)，海拔1100—1500m，沙山相對(duì)高不足百米。

三危山和鳴沙山交接處有大泉河水自南向北流淌，由于大泉河水的長(zhǎng)期沖刷和地質(zhì)變遷，在酒泉組的膠結(jié)巖上形成了北偏東約15°南北走向的河谷，全長(zhǎng)約7km，寬50—300m不等。莫高窟就開(kāi)鑿于大泉河西岸的崖面上，位于偏南地段，崖面高約30—40米?？咔肮鹊爻柿~形，葉柄朝北，長(zhǎng)1600m，園林綠地面積為14hm2。東岸偏北的新區(qū)是敦煌研究院的辦公生活區(qū)，有園林綠地14.4hm²。莫高窟的海拔在1320—1380m之間。這就是莫高窟的小地形結(jié)構(gòu)。

本文的“地形地貌”是以上三個(gè)空間尺度上的綜合。

三 地形地貌對(duì)莫高窟風(fēng)向、風(fēng)速的影響

1 對(duì)風(fēng)向的影響

由于三危山、鳴沙山左右遮擋，在莫高窟南邊兩山相連形成了一道天然的屏障，可以阻擋東南風(fēng)對(duì)莫高窟的侵入，但對(duì)敦煌盛行的西北風(fēng)卻沒(méi)有阻擋作用。莫高窟面東背西，南北走向。西岸的洞窟“隱藏”于大泉河河谷內(nèi)，避開(kāi)了西北風(fēng)侵襲，尤其是主要的災(zāi)害性天氣——沙塵暴的侵襲。另一個(gè)對(duì)莫高窟有重要影響的是北風(fēng)，由于高大防風(fēng)林帶的側(cè)向流線型分布以及崖體和南邊山體對(duì)氣流阻擋抬升的作用，使北風(fēng)對(duì)洞窟的危害大大減弱。崖體的影響使窟頂與崖下河谷的風(fēng)向產(chǎn)生了明顯的變化，河谷內(nèi)南風(fēng)大幅增加，北風(fēng)和東風(fēng)增多，西風(fēng)明顯減少(圖1)。

對(duì)于偏北風(fēng)，窟區(qū)喇叭形的地形結(jié)構(gòu)，使北偏西風(fēng)被三危山阻擋切變后，在向南的過(guò)程中加強(qiáng)，在莫高窟以南的山體之間變?yōu)槠珫|風(fēng)，使得東風(fēng)頻率增多；同樣，北偏東風(fēng)被鳴沙山阻擋切變后，加強(qiáng)為西風(fēng)，再經(jīng)三危山阻擋，在窟區(qū)以南形成攪動(dòng)與交鋒。由于風(fēng)力的不同、風(fēng)的波動(dòng)性變化，在莫高窟以南至山體之間的區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力較強(qiáng)而復(fù)雜多變，攪動(dòng)性較大。根據(jù)流體力學(xué)原理，在這種喇叭形地形結(jié)構(gòu)中，必然存在氣流進(jìn)入過(guò)程中逐漸加強(qiáng)的作用，并在終點(diǎn)復(fù)雜多變。從千百年來(lái)人為選擇的結(jié)果看，莫高窟避開(kāi)了強(qiáng)風(fēng)多變的區(qū)域，開(kāi)鑿于避風(fēng)較好的北邊。

2 對(duì)風(fēng)速的影響

莫高窟窟頂(小區(qū)域外圍)長(zhǎng)年多風(fēng)，年平均風(fēng)速為3.5m/s，春季3—5月平均風(fēng)速4.1m/s，最大風(fēng)速20.2m/s，大風(fēng)和沙塵天氣分別占全年48％和47.5％。

莫高窟小地形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速有較大影響，從圖2可以看出，窟前2004年平均風(fēng)速為0.61m/s，窟頂為4.43m/s?？咔帮L(fēng)速明顯小于窟頂，顯示了窟前很好的“藏風(fēng)”性能和林帶的防風(fēng)性能。在這里，將林木防風(fēng)性能作為“地形結(jié)構(gòu)”的一部分(下墊面)來(lái)看待?？唔斚募撅L(fēng)速較大時(shí)，窟前風(fēng)速反而下降，反映了林木對(duì)風(fēng)速減弱的影響。風(fēng)速的減弱程度與林木的茂密程度有關(guān)。夏季樹(shù)葉茂密，有較強(qiáng)的防風(fēng)性能。反過(guò)來(lái)，地形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的改變，進(jìn)而影響到植被種類的分布和樹(shù)木的形態(tài)。高大的銀白楊生長(zhǎng)在避風(fēng)較好的谷地里，樹(shù)形常年受南、北山谷風(fēng)的作用，側(cè)向生長(zhǎng)很明顯。

從圖3風(fēng)速的日變化看，雖然窟頂風(fēng)速大于窟前，但窟前風(fēng)速變動(dòng)大，曲線擺動(dòng)幅度大于窟頂，體現(xiàn)了河谷小地形結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速變化的加強(qiáng)放大作用，約為2倍。兩條變動(dòng)曲線高度相關(guān)，說(shuō)明窟頂與窟前受同一氣流的控制。

敦煌盆地對(duì)太陽(yáng)輻射具有聚積作用，隨光照發(fā)生變化，當(dāng)垂直溫度每百米梯度大于3.42℃時(shí)，可造成自動(dòng)對(duì)流現(xiàn)象，在整個(gè)盆地邊緣形成山谷風(fēng)。白天，盆地邊緣坡地增溫較快，形成上山谷風(fēng)，在盆地南沿的莫高窟出現(xiàn)北風(fēng)；晚上，盆地邊緣的輻射降溫較快，形成下山風(fēng)，在莫高窟則出現(xiàn)南風(fēng)，風(fēng)向呈周期性變化。在沒(méi)有外界大風(fēng)干擾時(shí)，可以很明顯地表現(xiàn)出來(lái)。圖3中10:00是下山南風(fēng)轉(zhuǎn)為上山北風(fēng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，22:00是北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，南風(fēng)強(qiáng)度大于北風(fēng)。

四 地形地貌對(duì)莫高窟溫度的影響

1 月平均溫度的對(duì)比分析

2000—2004年，年平均氣溫窟頂是11.23℃，高于敦煌市區(qū)(10.39℃)0.84℃，圖4。莫高窟窟前平均海拔高于敦煌市區(qū)(以氣象站為準(zhǔn))211m。海拔每升高100m，一般溫度下降0.65℃，敦煌地區(qū)的空氣濕度很小，極少有水汽凝結(jié)，相當(dāng)于絕熱變化，升高每百米下降0.98℃，理應(yīng)下降2.07℃，而實(shí)際上比敦煌市區(qū)高0.84℃，也就是說(shuō)，窟前小區(qū)域的實(shí)際綜合增溫效應(yīng)年平均值可達(dá)2.91℃。

這樣大的增溫作用，主要與河谷的地形結(jié)構(gòu)有關(guān)。這種地形結(jié)構(gòu)只要向陽(yáng)，就能較好地聚集太陽(yáng)輻射，有“藏風(fēng)聚氣”的作用。莫高窟谷地南北走向，中午以前的光照有較強(qiáng)的增溫作用，午后谷地則沒(méi)有這樣的作用。光照是增溫的主要熱量來(lái)源，因此增溫作用隨季節(jié)變化，夏天作用強(qiáng)，冬季弱。海拔的降溫作用則不受這方面的影響。

2 日最高溫度月平均值的對(duì)比分析圖5中，莫高窟窟前日最高溫度的年平均是17.32℃，窟頂是16.50℃，敦煌市區(qū)是18.91℃。窟前比窟頂?shù)娜兆罡邷囟饶昶骄?.82℃，考慮到海拔因素(高差按照40m計(jì)算)的降溫0.39℃，小地形結(jié)構(gòu)的升溫作用是0.43℃。窟頂?shù)陀诙鼗褪袇^(qū)2.4l℃，如果考慮窟頂海拔(與敦煌市區(qū)相差251m)的降溫作用2.46℃，基本相當(dāng)。一般地形地貌的升溫作用應(yīng)當(dāng)在中午光照最強(qiáng)時(shí)(也是溫度最高時(shí))最大，應(yīng)有大于年平均增溫效應(yīng)的2.91℃，但是這一效應(yīng)并未出現(xiàn)。那么，是什么平衡了地形地貌的增溫效應(yīng)呢?

這主要是因?yàn)椋?)大量的水耗散和吸收熱量，使得小區(qū)內(nèi)的日最高溫度明顯受到了抑制。這一時(shí)期正是大量澆灌期和樹(shù)木生長(zhǎng)期，耗水量高于敦煌市農(nóng)田4倍以上，強(qiáng)烈的耗散降溫正是耗散結(jié)構(gòu)的主要體現(xiàn)。2)莫高窟的數(shù)萬(wàn)株樹(shù)木白天阻擋陽(yáng)光，部分直接反射出小區(qū)，同時(shí)遮陰作用使地面溫度不致于升得太高。3)敦煌盆地內(nèi)的垂直溫度梯度大于3.42℃時(shí)，形成山谷風(fēng)，帶走小區(qū)內(nèi)的熱空氣，使海拔效應(yīng)顯現(xiàn)出來(lái)。4)山谷風(fēng)同時(shí)引發(fā)小區(qū)域強(qiáng)烈的水分耗散，進(jìn)而吸收小區(qū)內(nèi)的大量熱能，使耗散降溫作用加強(qiáng)。5)由于河谷是南北走向，午后西邊崖體產(chǎn)生遮光作用，使增溫作用不至于太強(qiáng)。

3 日最低溫度月平均值的對(duì)比分析

圖6中，崖下窟前日最低溫度的年平均是6.26℃，與崖頂?shù)?.48℃相比較，窟前要高0.78％，排除海拔(40re)的影響0.39℃，窟前高出的0.39℃與地形地貌的增溫效應(yīng)有關(guān)。

莫高窟窟前日最低溫度年平均值(6.27℃)高于敦煌市區(qū)日最低溫度年平均值(3.13℃)3.14℃?？紤]海拔因素，實(shí)際增高達(dá)5.21℃。日最低溫度年平均值形成這樣大差異的主要原因是：1)莫高窟處在敦煌盆地的暖溫層，最為直觀的是對(duì)莫高窟霜降期的影響。1995—2005年對(duì)植物霜凍的10年連續(xù)觀察記錄，莫高窟的早霜日期為10月23日霜降節(jié)氣前后，晚霜日期為4月25日左右(前后相差不過(guò)兩天)，敦煌地區(qū)霜期以全國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(氣溫2℃，或地溫0℃)計(jì)算，早霜日期9月27日，與這10年的觀測(cè)結(jié)果一致。莫高窟較敦煌綠洲無(wú)霜期延后39天，這是由于盆地地面輻射散熱，使在盆地上面的空氣形成溫度較高的暖氣層。莫高窟全年正好處在敦煌盆地地勢(shì)較高的暖溫層內(nèi)。2)通過(guò)地形的增溫效應(yīng)，白天土壤水分、崖體、樹(shù)木等吸收較多的熱量，在晚上釋放，使日最低溫度保持較高的水平。3)地形“藏風(fēng)”，大大減少了熱量散失。4)大量的洞窟如蜂窩狀排列，空氣內(nèi)外相連，對(duì)保持溫度穩(wěn)定有一定的作用。反過(guò)來(lái)，這也說(shuō)明小氣候?qū)Χ纯邇?nèi)的溫度、濕度等有直接的影響，因此小氣候的研究對(duì)文物保護(hù)很重要。5)樹(shù)木對(duì)熱輻射的阻擋。沒(méi)有樹(shù)木的戈壁，熱量一到晚上就很快向天空輻射，地表溫度降得很低。莫高窟大量的樹(shù)木晚上有阻擋和吸收地面的輻射作用，同時(shí)具有擋風(fēng)作用，使小區(qū)內(nèi)的溫度保持穩(wěn)定。6)地?zé)嵋部赡軐?duì)莫高窟氣溫有一定的潛在影響。近年來(lái)在距莫高窟15公里的伊塘湖地下1100—1500m發(fā)現(xiàn)了地?zé)豳Y源，初步估算面積有150km²，水溫達(dá)50—65℃。

4 溫度日較差的月平均值對(duì)比分析

將日最高溫度圖5與日最低溫度圖6合并，或從相應(yīng)的日較差比較圖7來(lái)看，莫高窟窟前日較差11.05℃，窟頂11.02℃，敦煌市區(qū)15.78℃。莫高窟日溫度變化范圍小，氣溫更穩(wěn)定。莫高窟窟前日較差年平均值小于敦煌綠洲4.73℃，小的溫差非常有利于文物的保護(hù)。當(dāng)然，莫高窟與敦煌綠洲日較差的差異是由多方面的原因形成的，地形地貌是其中的主要因素之一。

5 2004年莫高窟窟頂、窟前與敦煌同期的月平均溫度的對(duì)比分析

2004年，崖下窟前年平均溫度是11.41℃，窟頂是11.23℃，敦煌市區(qū)是10.65℃。由于海拔原因，窟頂應(yīng)低于窟前0.39℃，而實(shí)際窟頂?shù)陀诳咔?.18℃，有0.21℃的海拔效應(yīng)被地形地貌的增溫效應(yīng)等所抵消。從圖8可以看出：莫高窟的月平均溫度與敦煌市區(qū)有較明顯的差異，說(shuō)明在較大尺度上地形地貌等對(duì)年平均溫度的影響大于小尺度上的影響?？咔芭c窟頂?shù)哪昶骄鶞囟惹€較一致，窟頂、窟前處在莫高窟同一小氣候區(qū)域內(nèi)，在空氣流動(dòng)中是一體的。這也可從圖7、圖6等中看出來(lái)。

這里要特別指出的是，在以敦煌市區(qū)氣象資料為基礎(chǔ)的對(duì)比分析中，我們將敦煌市區(qū)的氣候數(shù)據(jù)作為一個(gè)客觀的參考基點(diǎn)。雖然數(shù)據(jù)是客觀的，但是敦煌市區(qū)的氣候受自身“綠洲效應(yīng)”的影響，在溫度上受“冷島效應(yīng)”的影響。敦煌的“冷島效應(yīng)”程度尚不清楚，目前的分析只是初步的、單方面的，是將敦煌市區(qū)的氣溫看作具有一定穩(wěn)定性的參照點(diǎn)。代表性結(jié)果(數(shù)據(jù)方面)尚需對(duì)敦煌和莫高窟自身的氣候內(nèi)在的影響做長(zhǎng)期的進(jìn)一步的研究。

五 初步結(jié)論

通過(guò)以上的對(duì)比分析，可以得出地形地貌對(duì)莫高窟區(qū)域微環(huán)境的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度產(chǎn)生較為顯著的影響，總結(jié)如下：

1 敦煌盆地能夠產(chǎn)生具有穩(wěn)定周期性日變化的山谷風(fēng)。莫高窟的地形地貌對(duì)風(fēng)向的影響顯著，窟頂與窟前河谷相比較，河谷內(nèi)南風(fēng)大幅增加，北風(fēng)和東風(fēng)增多，西風(fēng)明顯減少。莫高窟的地形地貌對(duì)風(fēng)速也有較大影響，2004年窟前平均風(fēng)速為0.61m/s，窟頂為4.43m/s，減小了3.82m/s，崖頂承受著較強(qiáng)的風(fēng)蝕作用。

2 2000—2004年，莫高窟年平均氣溫(11.23℃)高于敦煌市區(qū)(10.39℃)0.84℃?？唔敽０蔚慕禍刈饔檬?.46℃。莫高窟的地形地貌、下墊面為區(qū)域小環(huán)境提供了一個(gè)物理模板，光照使地形結(jié)構(gòu)具有增溫效應(yīng)，起到“增溫器”的作用。

3 2004年莫高窟日較差(11.05℃)小于敦煌綠洲(15.78℃)4.73℃，形成了適宜于文物保護(hù)和人居的環(huán)境，這可能是古人選擇在莫高窟建窟和千年文物能夠保存至今的一個(gè)主要原因。

4 2004年窟前日最低溫度的年平均值是6.27℃，高于敦煌市區(qū)日最低溫度年平均值(3.13℃)3.14℃；窟前日最高溫度的年平均值比窟頂高0.82℃，日最低溫度的年平均值要比窟頂高0.78℃，小地形結(jié)構(gòu)等的綜合增溫作用對(duì)日極值的影響是0.40℃左右(除去海拔影響0.39℃，分別是0.43℃、0.39℃)，對(duì)年平均值的影響是0.21℃?？咔啊⒖唔敎囟炔町愝^小，是一體的，處于同一變溫層內(nèi)。

(責(zé)任編輯 齊雙吉)