柴宗香 牛賀強

內(nèi)容摘要：通過實測對比莫高窟六種不同下墊面對窟區(qū)微氣候環(huán)境的影響，分析研究表明：窟前綠化采用滴灌形式的喬木林帶效果最佳；微氣流帶走了水汽，使0.2m以下區(qū)域的絕對濕度值偏低；沙地與戈壁的空氣絕對濕度與溫度關(guān)系不大；草坪與地被植物更換成沙地灌木，既節(jié)約水源又不影響其降溫效果。研究驗證了莫高窟綠化對窟區(qū)微氣候環(huán)境的緩沖作用，并提出了窟區(qū)景觀綠化的合理建議。

關(guān)鍵詞：莫高窟；下墊面；微氣候；現(xiàn)場測試

中圖分類號：P901 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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

莫高窟地處敦煌盆地東南緣，東鄰三危山，西接鳴沙山，在大尺度荒漠和戈壁背景基質(zhì)上依水而建，為典型的綠洲景觀。由于荒漠、戈壁、綠化等不同下墊面影響著空氣中的物理特性，莫高窟綠洲形成其特有的微氣候環(huán)境。這種微氣候環(huán)境與窟內(nèi)的微氣候環(huán)境之間有著極強的聯(lián)動性[1-5]，是引起文物劣化的重要因素[6]。張強等[7-8]對敦煌綠洲及周圍沙漠戈壁的陸面湍流特征、綠洲邊緣內(nèi)外的水汽輸送特征進行了分析；部分學(xué)者 [9-11]對綠洲、戈壁和沙漠三個不同下墊面夏季輻射和地表能量收支及閉合特征進行時空對比分析，但這些研究綠洲測點僅為農(nóng)田，測試結(jié)論相對宏觀。李紅壽等[12-13]、秦全勝等[14-15]直接或間接證明莫高窟的地形地貌、水系統(tǒng)、植被等環(huán)境因子對窟區(qū)溫濕度有重要影響；馬淑靜[16]對窟區(qū)綠化的溫濕度做了簡單分析，但其測點較少，不能有效解釋下墊面溫濕度的變化規(guī)律?；谏鲜霾蛔悖疚闹貙Ρ瓤咔皬V場、喬木林帶、戈壁、沙地、喬木+草坪、沙地灌木等六種下墊面的微氣候環(huán)境，初步驗證莫高窟綠化對窟區(qū)微氣候環(huán)境的緩沖作用，指出合理的綠化形式，并為后期莫高窟景觀微氣候參數(shù)化設(shè)置提供模擬依據(jù)。

1 測試方案

本次測試選用儀器為臺灣群特?zé)犭娕糲enter309共2臺合計8個探頭及美國HOBO溫濕度記錄儀U-23-001共計8個。熱電偶探頭及溫濕度記錄儀分別用通風(fēng)百葉箱（外貼鋁箔膠帶）罩住，防止陽光直射。

本次測試為24h連續(xù)加密觀測，測試時間從2015年9月21日開始到2015年9月30日截止，觀測地段選在莫高窟窟區(qū)及周邊小部分沙地范圍，測試對象為窟前廣場、林帶、戈壁、沙地、喬木+草坪、沙地灌木等六種不同下墊面（圖1），測試內(nèi)容為地表溫度及不同高度（2m及以下）的空氣溫濕度。測試共分六輪，每輪兩組，每組各一臺熱電偶（4個探頭）及4個溫濕度記錄儀，布點方式為梯度法（圖2），測點位置以現(xiàn)場布點狀況為準(zhǔn)。測試間隔為15min/頻次。

2 測試結(jié)果分析

2.1 各觀測點溫濕度分析

基于地表與空氣的熱交換過程主要集中在距地0.2m以下的區(qū)間（圖 3），從分析熱量交換的角度出發(fā)對0.2m處的空氣溫度與地表溫度進行比較。由于第96窟窟前廣場草坪修剪高度均低于0.05m，這里取0.05m處溫度為草溫[17]。1.3m高的沙地灌木在0.5m和0.2m處溫度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，這里取0.2m處溫度為灌木溫度。為直觀解釋大氣中的水汽與溫度的變化關(guān)系，本文將不同高度處的空氣相對濕度換算為絕對濕度值。測試結(jié)果如下：

（1）在研究地表溫度對空氣溫度的影響中發(fā)現(xiàn)：窟前廣場上午對0.2m處空氣有降溫作用，下午及夜間為增溫；林帶、戈壁、沙地等三種下墊面對0.2m處空氣白天為增溫作用，夜間為降溫；喬、草結(jié)合的綠化形式（0.05m處草溫）對0.2m處空氣無論何時均有降溫作用；沙地灌木（0.2m處灌木溫度）對0.5m處空氣在午后及夜間均有降溫作用。

（2）在研究空氣溫度與絕對濕度的極值闊線（圖3）中發(fā)現(xiàn)：無論何時，0.15m處空氣絕對濕度均小于0.2m處空氣絕對濕度；0.2m處與0.15m處溫差越大，這兩處的絕對濕度差值越大，溫差越小，絕對濕度差值越小。初步推測這種現(xiàn)象是由于溫度差引起的微氣流帶走了該區(qū)域的水汽，使其絕對濕度降低。

（3）在研究空氣溫度與絕對濕度的變化趨勢（圖4）中發(fā)現(xiàn)：窟前廣場、滴灌喬木林帶、喬木+草坪、沙地灌木等四種下墊面的絕對濕度與溫度呈正相關(guān)；沙地與戈壁的絕對濕度與溫度關(guān)系不大。沙地與戈壁表面過于干燥，即使溫度再高，地表蒸散量有限，其潛熱過程可以忽略，地表面熱量平衡過程中感熱通量占絕對優(yōu)勢。這也是沙地與戈壁晝夜溫差較大的主要原因。

2.2 不同下墊面溫濕度比較

基于1.5m處空氣溫度對人體的熱舒適影響較大，且0.2m—1.5m處溫度波動不大，這里選擇各下墊面地表溫度與1.5m（部分測點為1.4m）處空氣溫度進行比較。六輪測試中：窟頂戈壁23日23：15—24日14：15數(shù)據(jù)缺失，窟前喬木林帶24日5：30-24日9：15數(shù)據(jù)缺失；29日日間晴、夜間有雨、30日早晨有降雪，故而認為沙地灌木與戈壁C測點的有效數(shù)值從29日14：00開始，29日23：45截止；其余四輪測試時間均超過24h。測試結(jié)果如下。

（1）與戈壁C同等高度處的溫度相比，1.3m高的沙地灌木分別在地表位置、0.1m和0.2m處降低了2.8℃、0.8℃和0.7℃，而對0.5m及以上的空氣溫度基本無影響；沙地灌木0.5m處與0.2m處空氣溫度出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象（圖5），兩者相差1.5℃左右；沙地灌木絕對濕度均高于戈壁，這與灌木的蒸騰作用有關(guān)。

（2）不考慮沙地灌木：喬木+草坪溫度最為穩(wěn)定，空氣絕對濕度高但波動幅度大；林帶溫度相對穩(wěn)定，絕對濕度的平均值大于窟前廣場，波動幅度則小于窟前廣場；戈壁與沙地的晝夜溫差大，絕對濕度接近，戈壁絕對濕度波動幅度大于沙地（圖6）。可見，莫高窟水系統(tǒng)的潛熱交換過程使莫高窟窟區(qū)溫度趨于穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

測試研究表明窟區(qū)綠化對保護區(qū)整個賦存環(huán)境的過渡緩沖作用，得出結(jié)論如下：

（1）莫高窟水系統(tǒng)的潛熱交換與喬木的遮陰、擋風(fēng)作用共同決定了喬、草結(jié)合的綠化形式最利于窟區(qū)微氣候環(huán)境趨于穩(wěn)定，但從節(jié)水及防止窟前林帶灌溉水測滲的角度[12-15]出發(fā)，窟前綠化采用滴灌形式的喬木林帶效果最佳。

（2）各下墊面與空氣交換過程主要集中在0.2m以下的區(qū)域，且0.15m處空氣絕對濕度始終小于0.2m處空氣絕對濕度。初步推測這種現(xiàn)象是由于該區(qū)域較大的溫度差形成了微氣流帶走了該區(qū)域的水汽所致。

（3）沙地與戈壁的絕對濕度與溫度關(guān)系不大，其余四種下墊面與溫度呈正相關(guān)。沙地與戈壁表面過于干燥，潛熱過程可以忽略，這也是沙地與戈壁晝夜溫差較大的主要原因。

（4）喬木+草坪與沙地灌木對空氣均有降溫作用，但沙地灌木的需水量明顯少于喬木+草坪，且沙地灌木的降溫效果可影響至距地0.2m（草坪為0.05m）左右的位置，建議將需水量較高的草坪與地被植物更換成本土沙地灌木，既能節(jié)約水源，又不影響其降溫效果。

參考文獻：

[1]王江麗，閆增峰，王旭東，等.莫高窟自然通風(fēng)測試研究[J].敦煌研究，2015（8）：30-35.

[2]王江麗，閆增峰，王旭東，等.敦煌莫高窟洞窟自然通風(fēng)實驗研究[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015（11）：296-299.

[3]王江麗，閆增峰.強降雨天氣下的莫高窟洞窟環(huán)境調(diào)控方案初步研究[J].建筑與文化，2014（3）：62-65.

[4]尚瑞華，閆增峰，王江麗.敦煌莫高窟區(qū)景觀微氣候調(diào)節(jié)技術(shù)研究[J].云南建筑，2014，增刊：296-299.

[5]李哲偉.莫高窟洞窟前室對窟內(nèi)熱濕環(huán)境調(diào)控機理研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2014.

[6]張正模.環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)在莫高窟保護與利用中的建立[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2012.

[7]張強，周毅.敦煌綠洲夏季典型晴天地表輻射和能量平衡及小氣候特征[J].植物生態(tài)學(xué)報，2002，26（6）： 717-723.

[8]張強，衛(wèi)國安，黃榮輝.西北干旱區(qū)敦煌戈壁局地陸面過程野外試驗研究[G]//青藏高原與西北干旱區(qū)對氣候災(zāi)害的影響.北京：氣象出版社，2003.

[9]胡隱樵，奇躍進，楊選利.河西戈壁（化音）小氣候和熱量平衡特征的初步分析[J].高原氣象，1990，9（1）：113-119.

[10]單機坤，呂世華，奧銀煥，等.沙漠綠洲不同下墊面夏季能量收支對比分析[J].干旱區(qū)地理，2008，31（3）： 355-363.

[11]鄒基玲，侯旭宏，季國良.黑河地區(qū)夏末太陽輻射特征的初步分析[J].高原氣象，1992，11（4）：381-388.

[12]李紅壽，汪萬福，張國彬，等.水系統(tǒng)對莫高窟小氣候的影響[J].敦煌研究，2009（3）：110-113.

[13]李紅壽.用耗散結(jié)構(gòu)理論對莫高窟園林用水的分析[J].生態(tài)學(xué)報，2006，26（10）：3454-3462.

[14]秦全勝，鄭彩霞，汪萬福，等.敦煌莫高窟窟區(qū)樹木蒸騰耗水量的估算[J].敦煌研究，2002（4）：97-101.

[15]秦全勝.莫高窟窟區(qū)主要綠化樹木水分關(guān)系研究[D]. 北京：北京林業(yè)大學(xué)，2003.

[16]馬淑靜.敦煌莫高窟區(qū)綠化現(xiàn)狀及對文物的影響研究[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2014.

[17]中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003：11.