敦煌莫高窟区域相对湿度时间演变及与多气候要素定量关系

陈海玲，薛 平，张正模，王小伟，侯文芳

(1.国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心，甘肃 敦煌 736200；2.古代壁画保护国家文物局重点科研基地，甘肃 敦煌 736200；3.甘肃省敦煌文物保护研究中心，甘肃 敦煌 736200)

莫高窟是我国乃至世界上规模最大、延续最久、保存最完整、影响最大的石窟寺遗址.莫高窟文物保存状况与其赋存的气候条件密切相关[1-2]，其中空气相对湿度是影响文物保存的关键气候要素.高湿度是导致莫高窟壁画颜料铅丹、朱砂光照变色和壁画胶结材料微生物霉烂老化的必要条件[3-4].当空气相对湿度超过壁画地仗所含可溶盐的潮解值时，湿度的波动会导致壁画地仗中的盐分反复潮解结晶，破坏地仗结构与强度，是造成酥碱、空鼓等壁画病害发生发展的主要机理[5-7].

IPCC第六次评估报告第一工作组报告指出，人类活动已经毋庸置疑引发了全球气候危机[8].2011—2020年全球地表平均温度比工业化前(1850—1900年)升高1.09 ℃[9].受全球性增暖影响，全球平均降水增多[10]，大气湿度整体增强[11].与全球尺度气候变化相比，我国气温上升明显[12]，降水量呈不显著增加[13]，95°E以西区域湿度普遍增大，95°E以东湿度减小[14].

敦煌莫高窟地处我国河西走廊西端的戈壁沙漠腹地，生态环境脆弱，对气候变化敏感.研究表明，敦煌市区气温变化与全国一致[15]，降水量和极端降水频次均呈增加趋势[16].目前针对敦煌气候变化的研究主要集中在气温和降水方面，而对莫高窟文物保存至关重要的气候要素相对湿度变化的研究尚未涉及，且莫高窟区域与敦煌市区气候状况存在一定差异[17]，已有敦煌市区气候变化研究结果对莫高窟气候变化的代表性和针对性不足、时效性欠佳.因此，文中基于敦煌莫高窟山顶气象站的实时观测资料，采用多种分析方法研究莫高窟区域空气相对湿度的时间演变特征，探讨相对湿度与多个气候要素的关联关系，进而为世界文化遗产地莫高窟应对气候变化，提升风险评估与风险管理提供精准的数据支撑.

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

莫高窟地处敦煌盆地南边缘，距敦煌市区25 km，远离敦煌绿洲，地理坐标94°48′14.7″E、40°02′14.2″N，海拔在1 320～1 380 m，东邻三危山，西接鸣沙山，北面是开阔的沙砾质戈壁.三危山是一直线型断层隆起的断块山，主峰海拔1 947 m，较莫高窟高600 m；鸣沙山是沙漠区，海拔1 100～1 500 m.三危山与鸣沙山交界处有一长约7 km，宽50～300 m南北走向河谷[17]，莫高窟开凿于河谷西岸由酒泉砾岩组成的直立崖体上，崖面高约30～40 m.敦煌地区处于中国西北内陆腹地，河西走廊最西端，是典型的大陆性气候，具有降水稀少，蒸发量大，温差大与风沙活动频繁的特点，属于暖温带极干旱区.

1.2 数据来源

所用气象资料由美国CAMPBELL SCIENTIFIC公司生产的全自动气象站测得，其每15 min(1992—2013年)或10 min(2014—2021年)采集一组数据.该气象站安装于莫高窟石窟群中心位置第96窟附近的崖顶上，采集的气象资料能够代表莫高窟石窟群所处小区域气候特征，本研究选取1992—2021年相对湿度、气温、降水量、风速观测资料.时段划分方法为：年统计以1—12月为一年；四季以3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—翌年2月为冬季.

1.3 研究方法

1.3.1 变化趋势分析 采用一元线性回归、5 a滑动平均法揭示莫高窟区域相对湿度的长期变化趋势.滑动平均法是用确定时间序列的平滑值来显示气候变量变化趋势的方法，经过滑动平均后，时间序列数值不规则变动的影响被大大削弱，文中采用5a滑动平均求得新的气候变量序列[18].

1.3.2 突变检测 运用累积距平法、Mann-Kendall法和滑动t检验法综合诊断1992—2021年莫高窟区域空气相对湿度的突变状况.

1)累积距平是由曲线起伏直观判断气候变量变化趋势和突变大致时间的方法[19].对于序列x，其某一时刻t的累积距平为

(1)

其中，

(2)

2)Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，被认为是目前检测气候突变比较客观、准确的方法，该方法的基本数学原理见文献[20].

3)滑动t检验是通过考察2组样本平均值的差异是否显著来检验突变的方法，文中将其作为前2种突变检测方法的补充方法进行使用，以确定某一时刻前后相对湿度的变化是否显著，其基本数学思想及计算方法详见文献[18].

1.3.3 季节贡献率 相对湿度在各季节的变化对其年变化的贡献率，采用如下进行计算[21]：

(3)

1.3.4 相关性分析 相对湿度与气温、降水、风速的关联性通过SPSS软件采用多元线性回归分析和偏相关分析完成.偏相关系数反映多变量系统，暂不考虑其他变量的情况下2个变量间的相关性[22].

2 结果与分析

2.1 相对湿度随时间变化特征

2.1.1 年内变化 近30 a莫高窟区域相对湿度年均值为28.7%.由图1可知，年内相对湿度呈“W”型变化，最高月均值为46.6%，出现在1月，最低值出现在5月，为20.6%.图1(b)显示，4—10月相对湿度与降水量变化曲线一致，均呈“倒V”型，说明该时期相对湿度受降水量影响较大，全年7月降水量最高，为10.3 mm，相应地相对湿度也在7月出现峰值.

全年4—10月相对湿度波动幅度较小，变化范围为20%—27%，处于全年低谷期，主要由该时期气温较高所致.如图1(a)所示，全年气温呈“单驼峰”型变化，4—10月气温变化范围为11～27 ℃，为气温高值期.同时，从图1(c)可以看出，相对湿度变化显然也受风速影响，与风速大体呈负相关，这在3—7月表现得尤为明显.全年11月及冬季月份(1月、 2月、 12月)相对湿度处于较高水平，在32%～47%波动，这主要是由该时段气温低、风速小所造成.

2.1.2 年际变化 如图2(a)所示，近30 a莫高窟区域相对湿度整体呈上升趋势，变化倾向率为1.42%·(10 a)-1，相关系数未通过显著性检验，说明上升趋势不显著.5 a滑动平均曲线显示，1996—2001年距平值为负，为偏干期;2002—2014年进入偏湿期，年均相对湿度大幅上升，呈现出湿化趋势;2015—2021年距平值在零刻线上下波动，正值居多，说明这一时期整体偏湿.由图2(b)可知，年均相对湿度累积距平分为三个变化阶段，1992—1997年呈下降趋势，1998—2011年持续上升，2012—2021年小幅上下波动，可初步诊断出1997年为突变点.图2(c)显示，在0.05显著性水平置信区间内，统计量曲线UF与UB仅在1996—1997年存在唯一交点，1996年之前UF曲线在置信区间内呈下降趋势，自1997年开始UF曲线大幅上升，并在2002年超过0.05显著性水平临界线，表明相对湿度上升趋势显著.结合累积距平法分析结果，可以确定1997年为相对湿度发生上升突变的年份，这一结论与大量学者对我国西北地区气候变化的研究结果一致.谢云等[23]研究发现1961—2010年西北大部分地区相对湿度呈增大趋势，相对湿度与气温普遍呈显著负相关;贾文雄等[24]发现河西走廊西部气温在1997年发生突变;冯克鹏等[25]发现从1998年开始西北地区气温升温减缓，部分地区出现下降趋势.文中也发现莫高窟区域气温从1998年开始由之前的上升转为下降变化趋势，这些证据说明1997年莫高窟区域相对湿度的上升突变是由气温下降导致的，气温下降导致饱和水汽压减小，从而引起相对湿度上升.

图2 莫高窟1992—2021年均相对湿度的年际变化趋势和突变检测结果Fig 2 Evolution trend and mutation detection of annual mean relative humidity at the Mogao Grottoes from 1992 to 2021

表1为近30 a不同区间相对湿度发生频率均值及变化趋势.可以看出，湿度区间0～20%,20%～40%,40%～60%,60%～80%,80%～100%发生频率的多年均值依次为42.2%,35.4%,14.6%,5.9%,1.9%，依湿度水平由低到高发生频率逐渐降低，特别是40%以下湿度发生频率高达77.6%，说明莫高窟区域绝大部分时间处于低湿度水平.而对于莫高窟文物保存风险较高的湿度区间(≥60%)[26]，其发生频率为7.8%.变化趋势方面，0～20%湿度频率呈极显著下降趋势，20%～40%湿度频率显著上升，40%～60%湿度频率表现为极显著上升，60%～80%湿度频率呈不显著上升，而80%～100%湿度频率无明显变化.极低湿度发生频率显著降低，中等湿度发生频率显著上升，说明近30 a莫高窟区域空气相对湿度大体向中等水平移动，并且高湿度发生频率也呈增大趋势.

表1 莫高窟区域1992—2021年不同湿度区间的频率均值和变化倾向率Tab 1 Multiyear average and tendency rate for frequencyof relative humidity at the Mogao Grottoesfrom 1992 to 2021

2.1.3 季节变化 如表2所示，1992—2021年莫高窟区域季均相对湿度由春季至冬季依次增大，冬季最高，春季最低，二者相差19%，春、夏、秋三季差异不大，季均值在21%～27%波动.从变化趋势来看，春季表现为下降，夏、秋、冬三季均表现为上升，其中仅夏季相对湿度变化趋势通过了显著性检验，表明夏季相对湿度上升非常显著.变化速率方面，夏季相对湿度变化速率最大，为2.714%·(10 a)-1，秋季次之，为1.853%·(10 a)-1，春季最小，仅为-0.445%·(10 a)-1.与年均相对湿度变化速率相比，夏、秋季高于全年，冬季略低于全年，春季远低于全年.

表2 莫高窟区域1992—2021年相对湿度季均值、季均相对湿度变化倾向率及突变检测结果Tab 2 Multiyear average,tendency rate and mutationdetection of seasonal mean relative humidity atthe Mogao Grottoes from 1992 to 2021

采用累积距平法、M-K法和滑动t检验法对季均相对湿度的突变情况进行综合诊断，其中滑动t检验法作为补充方法，当前2种方法检测结果不一致时，采用滑动t检验法进行对照诊断.结果显示，春、夏、秋、冬四季相对湿度均诊断出上升突变，其中夏季和冬季的突变年份依次为1997年和1996年.对于春季和秋季，前2种方法检测结果略有差异，采用滑动t检验法再次诊断，检测到秋季的突变点为1998年，t统计量通过了0.01的信度检验，说明秋季相对湿度上升幅度非常大，这与累积距平法结果一致，因此确定1998年是秋季相对湿度的上升突变点.滑动t检验法检测到的春季突变点为2001年，t统计量通过了0.05的信度检验，该结果与累积距平法一致，认为春季相对湿度在2001年发生上升突变更为可信.总体上四季相对湿度突变年份与年均相对湿度突变结果相近，均发生在1997年左右.

1997年为年均相对湿度的上升突变点，突变前(1992—1997年)年均相对湿度为23%，突变后(1998—2021年)为30%.计算各季节相对湿度变化对相对湿度年变化的贡献率，发现夏、秋、冬三季贡献率相当，依次为31.2%,31.5%,30.5%，相比之下春季贡献率远低于其余三季，仅为6.7%，表明年均相对湿度突变主要由夏、秋、冬三季相对湿度变化引起.

2.2 相对湿度与多气候要素相关性分析

2.2.1 年内变化相关性 1992—2021年莫高窟区域空气相对湿度与气温、降水量、风速的相关关系如下：

y=98.66-0.88x1+2.17x2-16.2x3,

(4)

其中，y为相对湿度;x1为气温;x2为降水量;x3为风速.

回归方程的线性拟合优度R=0.91，且通过了F检验(P<0.001)，说明回归效果极为显著.气温、降水量、风速回归系数的t检验结果表明，相对湿度与温度呈极显著负相关(P<0.001)，与降水量呈显著正相关(P<0.01)，与风速呈显著负相关(P<0.01).三个气候要素标准化回归系数表现为气温最大;降水量次之;风速最小，说明气温对相对湿度的影响最大，其次是降水量，相比之下风速对相对湿度的影响最小.

2.2.2 年际变化相关性 近30 a莫高窟区域相对湿度总体呈上升变化趋势，但不同时段相对湿度变化速率存在差异，根据年均相对湿度累积距平结果，可以将相对湿度数据序列分为三部分，1992—1997年、1998—2011年和2012—2021年.分别对三个时间序列的相对湿度、气温、降水量、风速进行变化速率分析，结果列于表3.

表3 不同时间序列莫高窟区域年均相对湿度、气温、降水量和风速的均值和线性变化率Tab 3 Annual average and tendency rate of relative humidity,temperature,rainfall and wind speed at different periods

由表3可知，1992—1997年莫高窟区域年均相对湿度表现为不显著下降，但在1998—2011年转变为显著上升，变化速率为2.9%·(10 a)-1，通过了0.05水平的显著性检验，进入2012—2021年，相对湿度再次呈下降变化趋势.气温在近30 a整体呈极显著上升趋势，变化速率为0.4 ℃·(10 a)-1，数据通过了0.001水平的显著性检验，在对应的三个时间序列，气温表现为由上升转变为下降，然后再次上升，变化趋势恰好与相对湿度相反.降水量在近30 a的变化速率为-0.5 mm·(10 a)-1，在三个时段的变化情况与相对湿度基本一致，由下降转变为上升，最后再次下降.而风速在近30 a呈不显著下降，在三个时间序列的变化趋势与气温趋于一致，由上升转为下降，最后再次上升.这些结果与已有相关研究相符，李哲等[27]研究发现，西北地区年均温在1996和2012年均发生突变升高，且1998—2012年西北地区呈现明显的“变暖停滞”现象.敬文茂等[28]发现祁连山北麓及其附近地区气温在1998年发生显著突变，降水量在1994—1997年发生突变增多.

图3更加直观地呈现了相对湿度与气温、降水量和风速在三个时间序列中的变化关系.从图3(a)可以看出，相对湿度与气温大体呈负相关变化，这在1997—2011年表现得尤为明显.2012年莫高窟区域气温发生增温突变，2012年以后气温急剧升高，在对应的时间段相对湿度发生局部下降.由图3(b)可知，1992—2021年降水量总体呈不显著下降趋势，与相对湿度整体变化趋势相反，但相对湿度与降水量波动曲线形状趋于一致，说明降水量对相对湿度波动模式产生显著影响，而由于莫高窟区域降水量低，使得降水量对相对湿度整体变化趋势的影响有限. 图3(c)显示，风速的波动模式与相对湿度趋于相反，特别是在1997—2021年，二者的负相关性较好.

2.2.3 季节变化相关性 由表4可知，除夏季外，春、秋、冬三季均表现为相对湿度与气温的偏相关系数绝对值最大，二者呈极显著负相关(P<0.01)，说明在春、秋、冬三季气温是影响相对湿度的最主要因素，且二者为明显的此消彼长关系.相对湿度与降水量在春季呈显著正相关(P<0.05)，在其余三季均呈极显著正相关(P<0.01)，其中夏季偏相关系数最大，说明降水量在夏季对相对湿度的影响最大，这主要是由于夏季降水量在全年中占比最高，其多年均值为56%.且不难发现，夏季降水量与相对湿度的偏相关系数远超过相对湿度与气温和风速偏相关系数的绝对值，说明在夏季降水量是相对湿度的主要影响因素，而气温和风速对其影响不明显.相对湿度与风速在四季均呈负相关，其中春季呈显著负相关(P<0.05)，冬季呈极显著负相关(P<0.01)，其余两季相关性均不显著，特别是夏季，风速与相对湿度偏相关系数的绝对值极小，说明二者相关性很弱.

表4 莫高窟区域1992—2021年相对湿度与气温、降水量和风速的偏相关系数Tab 4 Partial correlation coefficients for relativehumidity,temperature and precipitation atthe Mogao Grottoes from 1992 to 2021

3 讨论

在全球变暖的背景下，近30 a莫高窟区域年均相对湿度总体呈不显著上升趋势，与中国西部地区相对湿度变化趋势一致[14,23].20世纪90年代末，莫高窟区域相对湿度发生上升突变，直至21世纪初，相对湿度保持高位振荡并呈锯齿状上升，与此同步的是气温、风速发生不显著下降，降水量发生不显著上升.进入2010—2020年，相对湿度发生明显下降，显然与2012年气温发生增温突变密切关联.这些关联现象与已有研究结果相符[23,29-30]，即相对湿度与气温、风速呈负相关，与降水量呈正相关，且总体上相对湿度与气温、降水量、风速的相关性依次减弱.

相对湿度的季节性变化亦与上述规律相吻合，季均相对湿度表现为冬季>秋季>夏季>春季，风速则完全相反，由春季至冬季递减，气温和降水量均表现为夏季>春季>秋季>冬季.如按照首要影响因素气温推断相对湿度排序，相对湿度应为冬季>秋季>春季>夏季，但实际上夏季相对湿度高于春季，显然是由于夏季降水量大，导致夏季降水量对相对湿度的正向影响程度增强，从而弱化了气温的负向影响.

莫高窟壁画盐害发生的关键条件，是空气相对湿度水平高于壁画地仗中可溶盐的潮解湿度，基于莫高窟壁画地仗中的主要盐分种类，研究表明60%以上是莫高窟壁画保存的高风险湿度区间[26].文中研究结果显示莫高窟区域空气湿度水平大体向中等水平移动，且60%～80%湿度发生频率呈增大趋势，这无疑会增大壁画盐害发生机率，进而加重壁画盐害损伤.同样，高湿度发生频率上升亦会增加微生物繁殖机率，增大壁画微生物病害风险.但也应注意到伴随着近10a气温的显著升高，相对湿度表现出明显的局部下降趋势.IPCC第六次评估报告指出，全球平均气温至少到21世纪中叶前都将上升[9]，未来莫高窟区域气温很大概率也会继续上升，而相对湿度进一步会如何响应，则有待于进一步的观测.相对湿度只是众多气候要素之一，由气候变化所带来的文物保存潜在风险还需进行更为深入和全面的研究与评估.

4 结论

1)近30 a莫高窟区域年均相对湿度为28.7%，年内由冬季至春季递减，年际呈不显著上升趋势，变化倾向率为1.42%·(10 a)-1，1997年发生相对湿度上升突变.总体上空气相对湿度水平向中等水平移动，并且60%～80%湿度发生频率呈增大趋势.

2)莫高窟区域相对湿度季节性变化差异明显，除春季表现为不显著下降外，其余三季均为上升趋势，其中夏季变化速率最大，呈极显著上升，秋季和冬季呈不显著上升.类似地，夏、秋、冬三季均在1997年左右发生相对湿度上升突变，仅春季在2001年发生上升突变.夏、秋、冬三季相对湿度的上升是引起年均相对湿度上升突变的主要原因，此三季的贡献率相当，均约为30%.

3)相对湿度与降水量呈正相关，与气温和风速呈负相关，且气温是主导因素，降水量对相对湿度的影响次之，风速最小.从季节相关性来看，春、秋、冬三季相对湿度的最大影响因素均为气温，仅夏季表现为降水量对相对湿度影响最显著.

4)整体来看，近30 a莫高窟区域表现出暖湿化倾向，其中夏季湿化倾向最显著.夏季正值游客参观高峰，对洞窟环境扰动频繁，高相对湿度发生频率增大无疑使文物保存面临更大风险.因此，今后应当加强莫高窟区域气候监测与分析评价，强化不可移动文物风险管理研究，为科学应对气候变化可能带来的文物保护与利用问题奠定理论基础.