莫高窟不同地貌区域气象要素变化分析

摘 要：基于2013—2022年近10年莫高窟气象站监测数据，对比分析莫高窟不同地貌区域（山顶、窟区）气象要素的变化特征及差异。结果表明：2013—2022年，莫高窟山顶、窟区太阳辐射、气温、风速呈缓慢升高趋势，降水、相对湿度呈先上升后下降趋势，风向年际变化小。两区域气象要素值差异明显。温度、相对湿度、降水差异较小，太阳辐射、风速、风向差异明显，受地形地貌影响显著。崖体和窟前灌木林带的围护作用显著降低了窟区辐照和风速，有效防止了崖体和洞窟受照度劣化和强风蚀风化作用。

关键词：莫高窟；气象要素；环境监测；变化特征

DOI：10.20005/j.cnki.issn.1674-8697.2025.02.025

敦煌莫高窟地处河西走廊西端沙漠腹地，在自然营力和人为双重因素作用下，呈现出各种不同的病害现象，如颜料层起甲、酥碱等①。研究表明，壁画彩塑病害的产生与窟内微气候环境密切相关，而窟内微环境又直接受外界大环境影响②。壁画彩塑颜料层中的矿物颜料、有机颜料等长时间受温湿度、光照等自然环境作用，易降解老化形成多种病害③。因此，笔者开展莫高窟地区气象要素的变化特征及不同地貌区域气象环境的差异研究，以期为莫高窟洞窟壁画病害机理模拟试验研究中环境参数的设置提供参考依据。

1 数据来源与分析

选择山顶砾石戈壁区域和窟前绿洲区域的气象环境为研究对象。气象数据来源于莫高窟山顶戈壁区气象站和窟区气象站（72窟前），主要监测太阳辐射、气温、相对湿度、降水、风向、风速，数据采集频率为10 min。本文采用2013—2022年气象监测数据，对比分析不同地形地貌区域气象要素的变化特征。

2 结果与分析

①气象要素年际变化。图1为莫高窟山顶、窟区各气象因子年际变化对比图。从图1（a）可以看出，山顶、窟区太阳辐射年际间变化小，砾石戈壁形貌的山顶全年太阳辐射强度远高于有树木和崖体遮挡的窟区绿洲区域。2013—2022年，山顶、窟区太阳辐射强度均值分别为192.9 W/m2、94.1 W/m2，年均变化范围在176～202.36 W/m2、88～102.3 W/m2。山顶2013年太阳辐射强度最低，2020年最高，年际较差26.3 W/m2；窟区2018年最低，2013年最高，年际较差14.3 W/m2。每年山顶太阳辐射强度约是窟区的2倍，受地貌影响，太阳辐射极值在两区域出现年份不同。从变化趋势上看，近10年山顶戈壁区太阳辐射呈缓慢上升趋势，而窟区变化趋势不明显。

由图1（b）可知，山顶、窟区年际温度变化差异不大，近10年气温均值分别为11.9 ℃、12 ℃。2013—2022年山顶年均温度变化范围为11.3～12.5 ℃，2022年温度最高，2018年温度最低，年际较差1.2 ℃；窟区年均温度变化范围为11.2～13.2 ℃，2016年温度最高，2018年温度最低，年际较差2.0 ℃。近10年山顶和窟区气温整体呈上升趋势，具体表现为上升—下降—上升的变化趋势，即2013—2016年气温缓慢上升，2017—2018年温度下降，2019—2022年气温又呈上升变化。窟区温度2013—2016年略高于山顶，2017—2022年略低于山顶。降水较多的2016年山顶和窟区年气温相差最大，窟区较山顶温度高1.1 ℃。

莫高窟区域年降水稀少，干旱沙漠气候特征明显，大多年份降水在30 mm以下。图1（c）显示，山顶、窟区年际间降水变化大，变化趋势一致，且山顶年降水相对较多。2013—2022年山顶、窟区累计降水量分别为359.4 mm、290.3 mm，总降水山顶比窟区多69.1 mm，降水变化范围分别为7.3～81.8 mm、11～67 mm，年际较差分别为74.5 mm、56 mm，多年平均降水量分别为36 mm、29 mm，平均每年山顶比窟区多降水约7 mm。近10年出现两次较大降水，分别是2016、2019年，两区域各降水73 mm、55.1 mm和81.8 mm、67 mm，降水较多的年份山顶与窟区降水量相差更大。

2013—2022年山顶、窟区相对湿度年际变化趋势一致，呈先升高后降低的变化，见图1（d）。相对湿度变化范围分别为24.1%～31.9%、26.8%～33.1%，窟区湿度均高于山顶，年湿度差在1.2%～2.8%，多年平均相对湿度分别为27.9%、30.2%，窟区比山顶湿度高2.3%。年相对湿度与降水正相关，山顶、窟区湿度极值出现的年份一致，2016年相对湿度最高（31.9%、33.1%），2022年湿度最低（24.1%、26.8%）。

山顶、窟区风向相对稳定，山顶戈壁区常年盛行南风，窟区受崖体阻隔作用，以东南风为主，见图1（e）。由图1（f）可知，两区域年际间风速变化相对较小，但山顶风速远高于窟区，其年风速是窟区的4倍多。2013—2022年山顶、窟区多年平均风速为4.4 m/s、1.0 m/s，风速波动范围分别在4.1～5.6 m/s、0.5～1.2 m/s，2022年出现近10年最大风速，山顶、窟区平均风速为5.6 m/s、1.2 m/s，2014年风速最低。风速极值在两区域出现的年份一致。

②气象要素季节变化。山顶四季太阳辐射显著高于窟区，太阳辐射强度是窟区的2倍多。夏季太阳辐射最强，山顶、窟区太阳辐射分别为261.2 W/m2、126.2 W/m2；春、秋季次之，分别为230.6 W/m2、118.1 W/m2和166.1 W/m2、80.2 W/m2；冬季太阳辐射最低，为115.2 W/m2、50.4 W/m2。两区域太阳辐射季较差分别为146.0 W/m2、75.8 W/m2，夏季山顶与窟区太阳辐射值相差最大（135 W/m2），冬季最小（64.8 W/m2）。

气温季节变化与太阳辐射一致，山顶、窟区夏季气温最高，分别为26.1 ℃、25.7 ℃，其次是春、秋季，分别为14.1 ℃、14.2 ℃和11.6 ℃、11.4 ℃，冬季气温最低，分别为-4.12 ℃、-4.05 ℃。山顶、窟区四季气温基本接近，夏、秋季山顶气温略高于窟区，春、冬季窟区略高。两区域对应季节气温差绝对值在0.07～0.4 ℃。

山顶、窟区降水主要集中在夏、春两季，占比达92%、89%。其中夏季降水最多，累计降水分别为222.9 mm、143.8 mm，占总降水量的62%、50%，春季次之（106.7 mm、114.4 mm）；秋季较少（23.6 mm、23.5 mm），冬季基本无降水，10年累计降水量仅为6.2 mm、8.7 mm。夏季山顶累计降水明显多于窟区，比窟区降水多79.1 mm，春季降水多7.7 mm，秋、冬季基本接近。夏季降水是导致两区域年降水差异的主要因素。

山顶、窟区相对湿度季节变化呈递增趋势，窟区各季节湿度均高于山顶。气温是影响湿度高低的主要因素，气温最低的冬季相对湿度相应最高，山顶、窟区的最高湿度值分别为40.1%、41.7%；其次是秋、夏季，湿度分别为25.7%、28.4%和25.6%、29.3%；春季最低，湿度为20%、21.6%。由于受温度、降水及植被灌溉蒸发等影响，夏季两区域湿度值相差最大（3.7%）。

山顶、窟区风向季节变化小，山顶戈壁区四季盛行南风，窟区以东南风为主。四季山顶风速远高于窟区，春、夏、秋、冬季依次呈递减变化，风速春季5.1 m/s＞夏季4.2 m/s＞秋季4.1 m/s＞冬季4.0 m/s，夏、秋、冬季风速基本接近，春季风速明显高于其他三季，各季节风速是窟区的3～5倍。由于冬季窟前灌木林带枝叶脱落、树冠变小、林间隙变大，抗风能力减弱，使得窟区冬、春季风速较高（1.3 m/s、1.1 m/s）。夏季窟前林带灌溉量大、枝叶繁茂，抗风能力强，窟区风速最低（0.8 m/s）。窟前灌木林带和崖体的阻挡作用显著降低了窟区风速，有效防止了石窟受强风蚀风化损害。

③气象要素月变化。山顶、窟区太阳辐射月变化呈单峰型，见图2（a），1～7月太阳辐射呈上升趋势，5、6、7月太阳辐射最强，山顶达270 W/m2，窟区约130 W/m2；8～12月太阳辐射快速下降，12月降至最低，分别为96.4 W/m2、37.7 W/m2。一年中4～9月太阳辐射较强，山顶在200 W/m2以上，窟区在100 W/m2以上，月均太阳辐射山顶是窟区的2～3倍。

山顶、窟区月气温变化与太阳辐射一致，见图2（b），1～7月气温逐渐上升，8～12月快速下降，其中1～4月上升较快，5～7月上升缓慢，7月达峰值，气温月均最高值分别为27.5 ℃、27 ℃；8～9月缓慢下降，10～12月迅速下降，翌年1月降至最低，最低气温均为-6.1 ℃。山顶、窟区月均气温基本接近，12～次年2月气温月均在0 ℃以下，3～11月在0 ℃以上。两区域对应月均差在0～0.5 ℃，最大月均差出现在气温最高的7月。

降水月变化差异大，见图2（c），山顶、窟区降水主要集中于4～8月，占比分别为89%、84%，其余月份降水稀少。6～8月山顶降水明显多于窟区，其余月份相差不大。10～次年2月两区域降水稀少，月累计降水不足10 mm。7月山顶和窟区降水最多，分别为98.4 mm、71.8 mm，占全年总降水量的1/4以上（山顶27%、窟区25%）。

山顶、窟区相对湿度呈“W”形变化，见图2（d），窟区月相对湿度略高于山顶。1月和12月相对湿度最高，山顶、窟区湿度超40%，分别为43%、45%；其次是2月和11月，湿度约为33%、35%；其余月份湿度均在30%以下。山顶、窟区相对湿度月变化范围分别为19.6%～27.2%、20.8%～30%，干燥多风的3、4月湿度最低（约20%）。两区域对应月湿度差为1.2%～3.9%，相对湿度最低的3月湿度差最小（1.2%），降水最多的7月湿度差最大（3.9%）。

山顶、窟区风向月变化小，月风速变化明显，见图2（e）、图2（f），全年月风速山顶是窟区的3～5倍。山顶3～5月风速较高，在4.5 m/s以上，3月风速最高，达5.9 m/s，其余月份相差不大，为4.0～4.3 m/s。窟区10～次年4月风速较高，为1.0～1.3 m/s，2月风速最高（1.3 m/s）；5～10月风速较低，在1.0 m/s以下，8月风速最低（0.7 m/s）。山顶、窟区对应月风速差在2.7～4.6 m/s，山顶风速最高的3月两区域风速值相差最大，1月和12月风速差最小。

④气象要素日变化。山顶、窟区日太阳辐射近似呈正态曲线变化，且山顶太阳辐射日变化幅度显著高于窟区，见图3（a）。22：00—次日6：00山顶和窟区太阳辐射量为0；7：00—10：00开始缓慢上升，而且山顶太阳辐射强度比窟区上升速率快；11：00—14：00大幅上升，14：00达峰值，最高值分别为635.4 W/m2、498.1 W/m2。山顶太阳辐射14：00—19：00大幅下降，20：00—21：00逐渐降至0；窟区14：00—16：00大幅下降，17：00—21：00缓慢降至0。一天中13：00—15：00为全天太阳辐射最强时段，山顶在600 W/m2以上，窟区在400 W/m2以上。

山顶、窟区气温日变化呈余弦曲线，日变化幅度相差不大，见图3（b）。0：00—7：00气温缓慢下降，7：00降至最低，山顶日均气温最低6.9 ℃，窟区最低7.4 ℃；8：00—17：00气温逐渐上升，窟区气温较山顶提前2h达到峰值，15：00窟区气温最高16.9 ℃，山顶17：00最高16.8 ℃，18：00—0：00又逐渐下降。气温峰值较太阳辐射滞后，窟区滞后1 h，山顶滞后3 h。一天中山顶气温最高时段在15：00—18：00，窟区在14：00—16：00，温度均在16 ℃以上。

降水日变化大，山顶日降水整体略多于窟区，见图3（c）。日均降水量山顶在0～9.3 mm之间波动，最大降水出现在15：40；窟区日降水为0～6.6 mm，最大降水出现在16：10。两区域日降水时间上分布较分散，较大强度降水多发生在白天。

山顶、窟区相对湿度日变化与气温相反，呈正弦曲线变化，窟区日均相对湿度整体高于山顶，见图3（d）。0：00—8：00相对湿度逐渐升高，山顶7：00湿度达到峰值35%，窟区峰值较山顶滞后1 h，8：00最高36.9%；9：00—17：00相对湿度快速下降，窟区16：00降至最低23%，山顶17：00最低20.8%；18：00—0：00相对湿度又缓慢爬升，昼夜经历了低—高—低—高4次变化过程。

山顶、窟区风向日变化明显，夜间风向相对稳定，午间波动大，窟区日风向波动频率较山顶高，见图3（e）。山顶日风向在南东南～南（SSE～S）方向波动，0：00—10：00盛行南风，11：00—14：00盛行偏东南风（SSE），15：00—0：00又盛行南风。窟区日风向在东～南东南（E～SSE）方向波动，0：00—7：00盛行偏东南风，8：00—10：00盛行东南风（SE），11：00—16：00盛行东风，17：00—18：00盛行东南风，19：00—0：00又盛行偏东南风。

由图3（f）可知，山顶日均风速远高于窟区。21：00—次日7：00山顶风速缓慢上升，上升幅度最大1.8 m/s，最大风速5.4 m/s；8：00—12：00迅速下降，12：00风速降至最低3.1 m/s，最大降幅2.1 m/s；13：00—17：00又缓慢爬升，最大上升幅度为0.9 m/s；18：00—21：00又缓慢下降，最大降幅0.6 m/s，日均风速差为2.3 m/s。窟区日风速波动比山顶小，21：00—次日7：00缓慢上升，最大上幅1.0 m/s，风速最大1.7 m/s；8：00—12：00缓慢下降，12：00风速降至最低0.6 m/s，最大降幅1.1 m/s；13：00—21：00风速较稳定，在0.6～0.8 m/s之间平缓波动，日均风速差为1.1 m/s。

3 结论

①2013—2022年，山顶、窟区太阳辐射、气温、风速呈缓慢升高趋势，降水、相对湿度呈先上升后下降变化。山顶太阳辐射强，风速大，年太阳辐射是窟区的2倍多，风速是窟区的4倍多。山顶较窟区降水多，平均每年比窟区多降水约7 mm。山顶年气温与窟区相差不大，相对湿度比窟区低。风向年变化小，山顶戈壁区盛行南风，窟区以东南风为主。②山顶、窟区太阳辐射、气温、降水、相对湿度季节变化与月变化一致。太阳辐射、气温、降水表现为夏季＞春季＞秋季＞冬季，峰值均出现于7月；相对湿度春、夏、秋、冬呈递增变化，干燥多风的春季最低。风速变化差异大，山顶风速四季呈递减变化；窟区春、冬季风速较高，夏、秋季风速较低。③山顶、窟区各气象要素日变化基本一致。白天山顶太阳辐射显著高于窟区。气温日变化相差不大，相对湿度窟区较山顶高。风向夜间相对稳定，午间波动大，山顶日风向在SSE～S，窟区在E～SSE波动。风速变化表现为夜间高，白天低。④莫高窟山顶、窟区各气象要素值差异明显。温度、相对湿度、降水差异较小，太阳辐射、风速、风向差异大，受地形地貌影响显著。

注释

①王进玉.敦煌莫高窟洞窟现状调查与病害分类[J].敦煌研究，2005（6）：113-117.

②胡军舰，贺东鹏，武发思，等.麦积山石窟第32窟内外温湿度比较研究[J].干旱区资源与环境，2021，35（6）：66-72；牟锐，李荣华，高文强，等.莫高窟关闭洞窟温湿度变化分析研究[J].文物鉴定与鉴赏，2024（3）：29-33.

③李最雄，Stefan Michalski.光和湿度对土红、朱砂和铅丹变色的影响[J].敦煌研究，1989（3）：80-93；文娟，牛贺强，吴春勇.武威西夏博物馆壁画彩塑文物库房温湿度监测及分析[J].天水师范学院学报，2020，40（5）：81-84；张正模，刘洪丽，郭青林，等.突发性强降雨对莫高窟洞窟微环境影响分析[J].敦煌研究，2013（1）：120-124；汪万福，张伟民，李云鹤.敦煌莫高窟的风沙危害与防治研究[J].敦煌研究，2000（1）：42-48.