內(nèi)容摘要：本文通過對莫高窟窟前、窟頂氣象資料與敦煌的氣象資料的對比分析，發(fā)現(xiàn)地形地貌對莫高窟區(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)域的實際綜合增溫效應(yīng)年平均可達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：X820.1 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106(2008)03-0098-05

莫高窟是我國重要的佛教遺存，因其具有獨一無二的價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、光照強烈等對文物保護不利的因素。地形地貌對區(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，對莫高窟文物的保護具有一定的意義。

一 研究方法

通過對莫高窟地形地貌的調(diào)查，利用莫高窟所采集的氣象資料，對窟前和窟頂?shù)娘L(fēng)向、風(fēng)速、氣溫進行對比分析。需要說明的是根據(jù)氣象學(xué)的要求，要確切地反映一個地區(qū)的氣候特征，氣候資料要有相當長的年限，如溫度資料一般要在20年以上，這樣計算出的平均結(jié)果才具有代表性，可以不標注年代。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料進行對比，側(cè)重探討形成差異的原因。重點對比了溫度的日變化，即對日最高溫度、日最低溫度的月平均值和年平均值進行對比分析。利用大量的氣象資料，通過數(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。它們在南面形成了一道平均海拔高達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于主要季風(fēng)西北風(fēng)，在西南高山區(qū)有強烈的抬升作用，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，一般地段相對高300—500m。西邊的鳴沙山，是一片沙漠區(qū)，海拔1100—1500m，沙山相對高不足百米。

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，全長約7km，寬50—300m不等。莫高窟就開鑿于大泉河西岸的崖面上，位于偏南地段，崖面高約30—40米。窟前谷地呈柳葉形，葉柄朝北，長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”是以上三個空間尺度上的綜合。

三 地形地貌對莫高窟風(fēng)向、風(fēng)速的影響

1 對風(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)對莫高窟的侵入，但對敦煌盛行的西北風(fēng)卻沒有阻擋作用。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。另一個對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氣流阻擋抬升的作用，使北風(fēng)對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，在向南的過程中加強，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，加強為西風(fēng)，再經(jīng)三危山阻擋，在窟區(qū)以南形成攪動與交鋒。由于風(fēng)力的不同、風(fēng)的波動性變化，在莫高窟以南至山體之間的區(qū)域內(nèi)，風(fēng)力較強而復(fù)雜多變，攪動性較大。根據(jù)流體力學(xué)原理，在這種喇叭形地形結(jié)構(gòu)中，必然存在氣流進入過程中逐漸加強的作用，并在終點復(fù)雜多變。從千百年來人為選擇的結(jié)果看，莫高窟避開了強風(fēng)多變的區(qū)域，開鑿于避風(fēng)較好的北邊。

2 對風(fēng)速的影響

莫高窟窟頂(小區(qū)域外圍)長年多風(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)來看待。窟頂夏季風(fēng)速較大時，窟前風(fēng)速反而下降，反映了林木對風(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)。夏季樹葉茂密，有較強的防風(fēng)性能。反過來，地形結(jié)構(gòu)對風(fēng)速風(fēng)向的改變，進而影響到植被種類的分布和樹木的形態(tài)。高大的銀白楊生長在避風(fēng)較好的谷地里，樹形常年受南、北山谷風(fēng)的作用，側(cè)向生長很明顯。

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)速變動大，曲線擺動幅度大于窟頂，體現(xiàn)了河谷小地形結(jié)構(gòu)對風(fēng)速變化的加強放大作用，約為2倍。兩條變動曲線高度相關(guān)，說明窟頂與窟前受同一氣流的控制。

敦煌盆地對太陽輻射具有聚積作用，隨光照發(fā)生變化，當垂直溫度每百米梯度大于3.42℃時，可造成自動對流現(xiàn)象，在整個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。在沒有外界大風(fēng)干擾時，可以很明顯地表現(xiàn)出來。圖3中10:00是下山南風(fēng)轉(zhuǎn)為上山北風(fēng)的轉(zhuǎn)折點，22:00是北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)的轉(zhuǎn)折點，南風(fēng)強度大于北風(fēng)。

四 地形地貌對莫高窟溫度的影響

1 月平均溫度的對比分析

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)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)，相當于絕熱變化，升高每百米下降0.98℃，理應(yīng)下降2.07℃，而實際上比敦煌市區(qū)高0.84℃，也就是說，窟前小區(qū)域的實際綜合增溫效應(yīng)年平均值可達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，就能較好地聚集太陽輻射，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的增溫作用，午后谷地則沒有這樣的作用。光照是增溫的主要熱量來源，因此增溫作用隨季節(jié)變化，夏天作用強，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℃?？咔氨瓤唔?shù)娜兆罡邷囟饶昶骄?.82℃，考慮到海拔因素(高差按照40m計算)的降溫0.39℃，小地形結(jié)構(gòu)的升溫作用是0.43℃?？唔?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。一般地形地貌的升溫作用應(yīng)當在中午光照最強時(也是溫度最高時)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?

這主要是因為：1)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。這一時期正是大量澆灌期和樹木生長期，耗水量高于敦煌市農(nóng)田4倍以上，強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)萬株樹木白天阻擋陽光，部分直接反射出小區(qū)，同時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，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。4)山谷風(fēng)同時引發(fā)小區(qū)域強烈的水分耗散，進而吸收小區(qū)內(nèi)的大量熱能，使耗散降溫作用加強。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。

3 日最低溫度月平均值的對比分析

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℃。考慮海拔因素，實際增高達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，最為直觀的是對莫高窟霜降期的影響。1995—2005年對植物霜凍的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(前后相差不過兩天)，敦煌地區(qū)霜期以全國統(tǒng)一標準(氣溫2℃，或地溫0℃)計算，早霜日期9月27日，與這10年的觀測結(jié)果一致。莫高窟較敦煌綠洲無霜期延后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較高的暖溫層內(nèi)。2)通過地形的增溫效應(yīng)，白天土壤水分、崖體、樹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，對保持溫度穩(wěn)定有一定的作用。反過來，這也說明小氣候?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文物保護很重要。5)樹木對熱輻射的阻擋。沒有樹木的戈壁，熱量一到晚上就很快向天空輻射，地表溫度降得很低。莫高窟大量的樹木晚上有阻擋和吸收地面的輻射作用，同時具有擋風(fēng)作用，使小區(qū)內(nèi)的溫度保持穩(wěn)定。6)地?zé)嵋部赡軐δ呖邭鉁赜幸欢ǖ臐撛谟绊?。近年來在距莫高?5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50—65℃。

4 溫度日較差的月平均值對比分析

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。當然，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，說明在較大尺度上地形地貌等對年平均溫度的影響大于小尺度上的影響。窟前與窟頂?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)，在空氣流動中是一體的。這也可從圖7、圖6等中看出來。

這里要特別指出的是，在以敦煌市區(qū)氣象資料為基礎(chǔ)的對比分析中，我們將敦煌市區(qū)的氣候數(shù)據(jù)作為一個客觀的參考基點。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。代表性結(jié)果(數(shù)據(jù)方面)尚需對敦煌和莫高窟自身的氣候內(nèi)在的影響做長期的進一步的研究。

五 初步結(jié)論

通過以上的對比分析，可以得出地形地貌對莫高窟區(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℃。窟頂海拔的降溫作用是2.46℃。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℃)，對年平均值的影響是0.21℃?？咔?、窟頂溫度差異較小，是一體的，處于同一變溫層內(nèi)。

(責(zé)任編輯 齊雙吉)