[摘要]為明確西千佛洞文物的賦存環(huán)境，本研究選取了2019-2020年氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)集，分析西千佛洞各氣象要素如太陽輻射、氣溫、相對濕度、降水、風(fēng)向、風(fēng)速的年、季、月、日變化特征及相互關(guān)系。研究表明：西千佛洞太陽輻射、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速年際較差小，降水、相對濕度年際變化較大。各氣象要素的季、月、日波動幅度較大。太陽輻射與氣溫變化趨勢一致，夏季最高，冬季最低，太陽輻射年均182.7W/m2，氣溫年均11.9℃，溫差最大54℃。年降水低于100mm，集中在6、7月，以小雨為主。相對濕度四季呈遞增趨勢，RH≥67%占比20%，相對濕度最大100%，濕差最大98%。文物處在干濕交替、冷熱大幅度變化的環(huán)境中，易引發(fā)塑像壁畫粉化、起甲等病害。區(qū)域主風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)，風(fēng)速小對石窟影響較??；強(qiáng)風(fēng)集中在東北～東南（NNE～SE）方向，最大風(fēng)速17.9m/s，東南方向強(qiáng)風(fēng)對崖面產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用，東北方向強(qiáng)風(fēng)形成的風(fēng)沙流對石窟文物本體及環(huán)境危害最大。該研究結(jié)果可為西千佛洞預(yù)防性保護(hù)和壁畫病害機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

[關(guān)鍵詞]敦煌西千佛洞；氣象因子；環(huán)境監(jiān)測；壁畫病害

[中圖分類號]K879.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1005-3115（2023）04-0172-09

西千佛洞位于甘肅省敦煌市西南約35公里處黨河北岸的崖壁上，洞窟分布在東西長2.5公里的崖壁上，現(xiàn)存北魏、西魏、北周、隋、唐、五代、宋、回鶻、西夏、元代洞窟22個。1961年，西千佛洞被國務(wù)院列為第一批全國重點(diǎn)文物保護(hù)單位。

西千佛洞始鑿于北魏，經(jīng)歷了1500多年自然和人為因素影響，巖體存在風(fēng)化、裂隙、沖溝等問題，壁畫存在起甲、脫落、酥堿、變色等多種病害。李最雄2、張博叫等研究表明，石窟巖體風(fēng)化受多重因素共同作用，包括巖體自身特性和自然環(huán)境，降雨、光照、溫濕度變化會引起巖體礦物質(zhì)吸水膨脹、失水收縮，膠結(jié)物質(zhì)老化，周期性的干濕交替使得巖體結(jié)構(gòu)受損，強(qiáng)度降低，最終導(dǎo)致巖體風(fēng)化。季節(jié)性的凍融循環(huán)作用，使得巖體也出現(xiàn)開裂、脫落現(xiàn)象。西千佛洞屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，日照強(qiáng)，降水少，蒸發(fā)量大，突發(fā)性強(qiáng)降雨會產(chǎn)生地表徑流，沖蝕崖壁形成沖溝，威脅洞窟文物保存。敦煌地區(qū)風(fēng)沙活動研究表明，偏西風(fēng)形成的強(qiáng)風(fēng)沙流造成洞前嚴(yán)重積沙，偏東風(fēng)對崖面造成強(qiáng)烈風(fēng)蝕。

洞窟微環(huán)境變化主要受外界環(huán)境影響，陳海玲等@對莫高窟微環(huán)境研究指出，熱壓和濕度差驅(qū)動的洞窟內(nèi)外熱濕交換造成了溫濕度波動。張正模等、王逢睿等W研究表明降雨對洞窟相對濕度影響明顯，引起洞窟濕度變化頻率和變化幅度的增加。石窟壁畫彩塑顏料層中的礦物顏料和有機(jī)膠結(jié)材料屬于對環(huán)境因素敏感的脆弱材質(zhì)，溫濕度的波動會引起壁畫和支撐體中可溶鹽反復(fù)溶解、結(jié)晶變化，導(dǎo)致壁畫產(chǎn)生各種病害10-4。以上研究主要集中在敦煌莫高窟，有關(guān)敦煌西千佛洞環(huán)境方面的研究較少，文物的保存狀態(tài)與氣象環(huán)境息息相關(guān)，為全面了解西千佛洞的氣象環(huán)境，本次研究選取2019-2020年西千佛洞氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)集，分析西千佛洞的氣象環(huán)境及各氣象因子的變化特征，為文物預(yù)防性保護(hù)和壁畫病害機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

一、監(jiān)測設(shè)備與數(shù)據(jù)采集

西千佛洞氣象站位于窟區(qū)對面辦公樓頂部（圖1），距離石窟區(qū)不足100米，該氣象站為美國CAMPELL SCIENTIFIC公司生產(chǎn)的全自動氣象站（型號：TR-525M）， 包括CR1000數(shù)據(jù)采集器、CS300總輻射表、HC2S3空氣溫濕度傳感器、TE525MM雨量桶、1405-PK-052二維超聲風(fēng)速儀.SI-111紅外表面溫度探頭， CS616土壤水分探頭.CS106大氣壓力傳感器等。監(jiān)測氣象要素為太陽輻射﹑溫度﹑相對濕度、降水﹑風(fēng)速、風(fēng)向等。數(shù)據(jù)選自2019-2020年監(jiān)測數(shù)據(jù)集，采集頻率為10min，使用Origin2017繪圖分析數(shù)據(jù)。氣象站傳感器性能參數(shù)見表1。

二.結(jié)果與討論

（一）太陽輻射變化分析

古代壁畫繪制時，常以動物膠或植物膠作為膠結(jié)材料，隨著時間推移，在光照等因素影響下，膠結(jié)材料老化失去膠結(jié)力，導(dǎo)致壁畫出現(xiàn)粉化﹑褪色、起甲現(xiàn)象\"5。圖2a顯示西千佛洞太陽輻射年際變化小，2019、2020年太陽輻射總量分別為9604163.1W/m2、 9920271.4W/m2，年均值分別為182.7W/m2、188.2W/m2，年際較差5.5W/m2。太陽輻射季節(jié)變化明顯﹐夏季最高249.3W/m2？，春季220.9W/m2、秋季152.9W/m2次之，冬季最低106.5W/m2。

太陽輻射月變化呈單峰型（圖2b）。1-7月太陽輻射月均呈上升趨勢，6、7月達(dá)到峰值，最高值為269.4 W/m2，8-12月太陽輻射呈下降趨勢，12月降至最低93.9 W/m2。1月和12月太陽輻射量月均在100 W/m2以下，其余月份高于100 W/m2，5-8月太陽輻射量最大，保持在250 W/m2左右。

兩年太陽輻射日變化基本一致（圖2c）。0：00-5：00太陽輻射量為0，6：00-8：00緩慢上升，8：00-14：00大幅上升，14：00達(dá)到峰值637.4W/m2， 14：00-19：00大幅下降，19：00-0：00逐漸降至0。一天8小時（22：00-05：00）太陽輻射量為0，13：00-15：00為全天太陽輻射最強(qiáng)時段，日均保持在600W/m2以上。西千佛洞大部分洞窟壁畫存在褪色、變色現(xiàn)象，與早期洞窟缺乏保護(hù)管理，無窟門遮擋，太陽直接照射有關(guān)。

（二）氣溫變化分析

西千佛洞2019年氣溫波動范圍為-15.9℃-38.1℃，年均氣溫11.9℃，溫差最大54℃。圖3a 顯示氣溫季節(jié)變化顯著，變化趨勢與太陽輻射一致，夏季氣溫最高24.9℃，春季14.5℃、秋季12.1℃次之，冬季氣溫最低-4.2℃。春、秋季氣溫接近年均值，夏季氣溫是春、秋季的2倍。

氣溫月變化呈單峰型（圖3b），1-7月氣溫呈上升趨勢，8-12月呈下降趨勢，其中1-4月上升較快，5-7月上升緩慢，7月達(dá)峰值25.3℃，8-9月緩慢下降，10-12月快速下降，翌年1月下降至最低，最低氣溫為-7.1℃。1、2、12月氣溫月均在0℃以下，3-11月氣溫月均在0℃以上。

氣溫日變化呈余弦曲線（圖3c），0：00-7：00氣溫緩慢下降，7：00氣溫降至最低6.9℃，8：00-16：00呈上升趨勢，16：00達(dá)到峰值17.8℃，17：00-0：00又快速下降，氣溫最高時刻較太陽輻射滯后2h。白天日均氣溫最高22.8℃，夜間降至-0.2℃，日較差最大23℃（2019年3月31日）。成玉祥等響研究高寒地區(qū)巖石風(fēng)化提出，在干燥條件下，溫差作用對巖石風(fēng)化影響更顯著。馬贊峰對莫高窟起甲病害研究表明，相對于濕度而言，溫度變化更容易引起起甲病害。西千佛洞距離莫高窟近60公里，氣候與莫高窟基本一致，太陽輻射強(qiáng)，晝夜溫差大，白天升溫快、夜晚降溫快，高溫差是引起石窟賦存巖體風(fēng)化和壁畫起甲病害的主要原因之一。

（三）降水變化分析

圖4a 顯示西千佛洞降水量少，2019年、2020年降水分別為56.2mm、10.7mm，年際較差45.5 mm。降水季節(jié)變化顯著，夏季降水為43.3mm， 占全年降水量的77%，秋季、春季降水分別為6.4mm、5.8mm，冬季降水最少0.7mm。夏季降水對全年降水貢獻(xiàn)最大，2019年夏季降水較2020年多40.8mm，年際降水差異主要由夏季降水所致。

降水月變化明顯（圖4b）， 主要集中于4-9月，強(qiáng)降水集中在6-7月，其余月份降水稀少。2019年降水發(fā)生38d， 其中6、7月降水20d，7月降水最多，為29.6mm，占全年降水量的53%。2020年降水少，僅發(fā)生12d，5、7月降水分別7.7mm、2.3mm，其余月份基本無降水。

新疆降雨量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)：日降雨量≤0.2mm 為微雨，0.3mm≤日降雨量≤6.0mm為小雨，6.1mm≤日降雨量≤12.0mm為中雨，12.1 mm≤日降雨量≤24.0mm 為大雨8。按照新疆降雨等級標(biāo)準(zhǔn)，2019年西千佛洞全年微雨7d、小雨31d（其中6、7月小雨18d）， 日最大降水5.9mm， 降水強(qiáng)度最大為2.1mm/h。2020年微雨4d、小雨8d，日最大降水3.8mm，降水強(qiáng)度最大2mm/h，兩年未出現(xiàn)中、大雨天氣。從降水分析來看，西千佛洞降水量少，以小雨為主，降水天氣對文物影響較小。

降水日變化大（圖4c）。2019年日降水較大出現(xiàn)三次（11：00時0.8mm、2：00時0.7mm、20：00時0.7mm）。2020年日降水較大出現(xiàn)兩次（1：00和9：00均為0.6mm）。

（四）相對濕度變化分析

圖5a 顯示，相對濕度2019年波動范圍2.3%-100%，年內(nèi)較差98%，相對濕度最高達(dá)100%（2019年7月7日2：10至8：10），持續(xù)時長6小時。季節(jié)變化表現(xiàn)為遞增趨勢，冬季最高46.9%，其次是夏季34.6%、秋季32.2%，春季最低20.6%。2019年降水較2020年明顯偏多，相對濕度2019年、2020年均值分別為33.6%、29%， 年際較差4.6%，相對濕度變化與年降水有直接關(guān)系。張明泉等1、陳港泉等120研究表明，相對濕度飽和狀態(tài)下空氣中易形成凝結(jié)水，造成巖體表面水汽含量增加，促使壁畫和支撐體中可溶鹽的溶解遷移，誘發(fā)壁畫發(fā)生酥堿、起甲等病害。西千佛洞2019年7月發(fā)生連續(xù)降水，小雨從7月6日12：40開始持續(xù)到7月9日12：50，累計降雨18.4mm，溫度波動范圍14.24℃-29.72℃，相對濕度波動范圍27.28%-100%，呈現(xiàn)低溫高濕和高溫低濕的變化特征，在夜間低溫和連續(xù)降雨的情況下，空氣相對濕度飽和狀態(tài)長達(dá)6小時，由降雨引發(fā)的大幅度濕度波動和高濕環(huán)境是導(dǎo)致彩塑壁畫鹽害發(fā)育的重要誘因。

相對濕度月變化呈谷型，1、12月相對濕度月均最高57.4%，3、4月最低15.1%，月較差最大42.3%（圖5b）。全年RH≥67%有76天，占全年總天數(shù)的20%，集中在6、7月。王錦芳等21研究發(fā)現(xiàn)，可溶性鹽廣泛存在于敦煌莫高窟壁畫材料中，壁畫中聚集的鹽分很大一部分來自崖體中可溶鹽，對壁畫材料的劣化影響很大。敦煌壁畫試驗(yàn)表明，當(dāng)相對濕度超過67%，含鹽壁畫吸附水分的速度顯著提高，得出引起壁畫潮解空氣相對濕度的臨界值2。在高濕環(huán)境下圍巖或壁畫地仗中的可溶鹽發(fā)生溶解、結(jié)晶變化，導(dǎo)致壁畫內(nèi)部結(jié)構(gòu)材料受損，引起壁畫酥堿、脫落2。因此，在降雨和低溫條件下，大氣環(huán)境RH≥67%時應(yīng)密切關(guān)注窟內(nèi)相對濕度變化情況，必要時關(guān)閉窟門，防止高濕空氣進(jìn)入引起洞窟環(huán)境劇烈波動。

相對濕度日變化呈正弦曲線（圖5c）。0：00- 8：00相對濕度緩慢升高，8：00達(dá)到峰值43.6%， 9：00-16：00快速下降，16：00降至最低23.2%， 17：00-0：00又緩慢爬升，日均較差20.3%。圖3c 和圖5c 顯示，降水對相對濕度影響顯著，2019年降水較多，相對濕度日均值較2020年明顯偏高，濕度差最大4.8%。相對濕度與氣溫變化呈相反變化，7：00氣溫最低，相對濕度8：00最高，相對濕度極值較氣溫滯后1小時。

（五）風(fēng)向變化分析

圖6顯示，西千佛洞主風(fēng)向?yàn)槲髂掀鳎╓SW）方向，西南風(fēng)（SW）和西風(fēng)（W）次之，年際間變化小。春季盛行西南偏西風(fēng)，西南風(fēng)和西風(fēng)次之；夏季盛行東北風(fēng)（NE）， 西南偏西風(fēng)和西風(fēng)次之；秋季盛行西南偏西風(fēng)，西南風(fēng)和西風(fēng)次之；冬季盛行西南偏西風(fēng)和西南風(fēng)，西風(fēng)次之。年內(nèi)7個月（3-9月）主風(fēng)向?yàn)槲髂掀黠L(fēng)。由表2可知，2019、2020年西千佛洞主風(fēng)向西南偏西風(fēng)出現(xiàn)頻率分別為10.7%、11.3%，西南風(fēng)和西風(fēng)頻率分別為9.8%、10.1%和9.7%、9.5%，其余方向風(fēng)頻率在5%左右。

西千佛洞全年風(fēng)速相對較小，2m/s以下風(fēng)速在各方向均有分布，全年出現(xiàn)頻次最高，兩年占比分別為97.9%、98.1%，2m/s～5m/s 風(fēng)速集中在西南～西（SW～W）方向，出現(xiàn)頻度分別為2.1%、1.9%。大風(fēng)集中在東北偏北～東南（NNE～SE） 方向，2019年強(qiáng)風(fēng)天氣出現(xiàn)8次，風(fēng)速為17～17.5m/s，其中西南偏西和東北偏北（NNE）方向各出現(xiàn)1次，東北方向出現(xiàn)2次，東南偏東（ESE）方向出現(xiàn)4次；2020年強(qiáng)風(fēng)天氣出現(xiàn)5次，風(fēng)速為17.2～17.9m/s，其中西北偏西（WNW）、東南和東（E）方向各出現(xiàn)1次，東北方向出現(xiàn)2次。

（六）風(fēng)速變化分析

圖7a 顯示，西千佛洞2019年、2020年風(fēng)速波動范圍分別為0-17.5m/s、0-17.9m/s，年均風(fēng)速0.73m/s、0.71m/s，最大風(fēng)速17.9m/s 。全年以1級風(fēng)（0.3m/s≤風(fēng)速≤1.5m/s）為主，占全年風(fēng)頻率的87.8%。風(fēng)速年、季節(jié)差異較小，春季風(fēng)速均值最大0.9m/s，夏、冬季次之，秋季風(fēng)速最小0.6 m/s。

風(fēng)速月變化如圖7b所示，1-5月呈上升趨勢，5月風(fēng)速最大0.9m/s，6-10月風(fēng)速呈下降趨勢，10月風(fēng)速最小0.6m/s，11-12月又呈上升趨勢。全年2-5月風(fēng)速較高，月均風(fēng)速基本在0.8 m/s以上。

風(fēng)速日變化呈單峰型，與太陽輻射正相關(guān)（圖7c）。0：00-5：00變化平緩，6：00-14：00大幅上升，14：00風(fēng)速最大1.1m/s，15：00-22：00大幅下降，22：00風(fēng)速最小0.5m/s，23：00-0：00又緩慢上升。夜間（21：00至次日8：00）風(fēng)速均小于0.6m/s， 白天風(fēng)速波動大，最高風(fēng)速出現(xiàn)在13：00-17：00，均高于1m/sc

西千佛洞坐北朝南，位于鳴沙山西北側(cè)，直線距離約1700米，窟頂北側(cè)是一望無際的戈壁灘，窟前黨河水自西向東流過，樹木蔥蘢，高大的喬木對SE方向風(fēng)速有一定減緩作用。試驗(yàn)研究表明，干燥的天然混合沙的起動風(fēng)速在5m/s 左右24，西千佛洞主風(fēng)向?yàn)槲髂掀鳎╓SW）， 風(fēng)速小于起沙風(fēng)速，對石窟影響較小；東北（NE）、東南（SE）方向風(fēng)頻次少，但風(fēng)力強(qiáng)勁，對石窟威脅大。張偉民等29對莫高窟頂戈壁輸沙量監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)風(fēng)速大于11m/s時，戈壁風(fēng)沙發(fā)生長距離的輸送。黃翠華等9通過實(shí)地觀測得出一場強(qiáng)風(fēng)（gt;12m/s）對沙的吹蝕搬運(yùn)量相當(dāng)于日常風(fēng)況下幾周乃至幾個月時間的吹蝕搬運(yùn)量。西千佛洞強(qiáng)風(fēng)集中在東北（NE）、東南（SE）方向，洞窟頂部為礫石戈壁灘，東北（NE）方向強(qiáng)風(fēng)裹挾砂礫形成的風(fēng)沙流運(yùn)移至窟區(qū)，致使石窟棧道、窟前、景區(qū)道路積滿砂礫（圖8）。ESE方向風(fēng)從水平方向風(fēng)蝕石窟崖面，造成崖面風(fēng)化坍塌。懸浮于空氣中的沙塵通過門縫和紗網(wǎng)進(jìn)入窟內(nèi)，沉降在塑像和壁畫表面，影響文物展示，同時，攜帶其中的水溶性離子如硫酸鹽、硝酸鹽等也會對文物材料產(chǎn)生物理化學(xué)侵蝕破壞。

三、結(jié)論

通過對2019-2020年西千佛洞氣象要素太陽輻射、氣溫、降水、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速分析，基本明確了西千佛洞的氣象環(huán)境和各要素間的變化特征。

其一，各氣象要素變化特征。西千佛洞區(qū)域太陽輻射、氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速的年際較差小，降水和相對濕度年際較差大。各氣象要素的季節(jié)、月、日波動幅度較大。太陽輻射與氣溫的季節(jié)變化趨勢一致，夏季最高，冬季最低，春秋季次之，氣溫峰值較太陽輻射滯后一個月。西千佛洞降水量稀少，年際較差大，以小雨為主，集中在6、7月，降水對石窟影響較小。相對濕度受氣溫、降水、風(fēng)速影響顯著，四季呈遞增變化趨勢。主風(fēng)向?yàn)槲髂掀鳎╓SW）， 西南風(fēng)（SW）和西風(fēng)（W）次之，強(qiáng)風(fēng)集中在東北（NE）、東南（SE）方向。風(fēng)速春季最大，秋季最小，白天大，夜間小。

其二，氣象要素變化對文物的影響。西千佛洞太陽輻射高達(dá)9920271.4W/m2， 氣溫最高38.1℃，溫差最大54℃。相對濕度最高100%，濕差最大98%，文物處在干濕交替、冷熱大幅度波動的環(huán)境中，易引發(fā)巖體崩解，塑像壁畫粉化、褪色、起甲等病害。相對濕度RH≥67%占比 20%，最高可達(dá)100%，降水引發(fā)相對濕度驟增，是導(dǎo)致彩塑壁畫鹽害發(fā)育的重要誘因之一。東北（NE）、東南（SE）方向風(fēng)力強(qiáng)勁（gt;17m/s）， 東南方向強(qiáng)風(fēng)對崖面產(chǎn)生強(qiáng)烈風(fēng)蝕作用，東北方向強(qiáng)風(fēng)形成的風(fēng)沙流沉積在洞前、棧道和景區(qū)道路上，對石窟文物本體和環(huán)境危害最大。另外，為全面了解西千佛洞的氣象環(huán)境，建議在窟頂戈壁區(qū)設(shè)立氣象站，為西千佛洞文物保護(hù)提供全方位數(shù)據(jù)支撐。

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