环境监测与壁画保护——莫高窟的气象环境特征

 
　　石窟壁画所产生的各种病害与石窟所处的环境，特别是洞窟的小环境有直接的关系。如上述提到的对壁画破坏最严重且最难治理的壁画酥碱病害，是由于洞窟温湿度反复变化而引起可溶盐也随之反复溶解膨胀—结晶收缩而产生的。因此，环境监测是进行壁画保护研究的基础。石窟环境包括石窟所处的大气环境和洞窟小环境，这都属于自然环境因素。另外，大量游人进入洞窟而引起环境变化，称人文环境，也是壁画保护所需监测和研究的对象。
　　一、莫高窟的气象环境特征
　　下述莫高窟的气象环境数据，是通过整理分析1962～1965年莫高窟窟顶气象站，1989～1992年敦煌研究院与美国盖蒂保护研究所在九层楼顶所建立的气象站，以及1955～1980年敦煌市气象站(离莫高窟直线距离20㎞)所测得数据而得出的。
　　(一)气温
　　莫高窟气象站与敦煌市气象站历年各月平均气温及年平均气温见表7-1所示。莫高窟气象站多年平均气温为10.6℃，与敦煌市气象站相比，两站虽同处一个纬度，经度仅差8′，莫高窟气象站的海拔高度仅高出敦煌站244m，然而，平均气温竟高出敦煌站1.3℃。从莫高窟气象站历年气温统计表7-2、7-3可以进一步看出绝对最高气温为38.03℃，绝对最低气温为-31.2℃，最大日较差为19.61℃，年较差可达33.83℃，这种气温高、温差大的主要原因是由于下垫面性质不同造成的。敦煌气象站地处党河灌区，耕作历史悠久，下垫面多为沙壤土，且渠道纵横，树木已成林系，绿色植物及水汽均可吸收太阳辐射，下垫面导热率大，因而气温就低。而莫高窟站地处鸣沙山前窟顶戈壁上，地表组成物质为沙砾质，下垫面导热率小，因而气温高，较差也大。
　　(二)空气相对湿度
　　莫高窟气象站各月平均相对湿度的月际变化有两个显著的特点(表7-4、图7-1所示)：①相对湿度随气温的升高而减小；②相对湿度随降水量的增大而上升。1～3月随着气温逐渐上升，相对湿度则呈下降趋势。而5～9月份，相对湿度则随着降水量的增加而增加。
　　与敦煌市气象站相比，莫高窟气象站年平均相对湿度为32.2％，而敦煌市气象站年平均相对湿度为40％，这种相对湿度的差异性，是与两站的自然环境和地理位置相应。莫高窟气象站地处沙漠、戈壁，植被盖度小，较之敦煌绿洲更干燥。这种气候的干燥性，是珍贵的壁画得以保存的得天独厚的自然条件。
　　(三)降水量
　　莫高窟地区多年平均降水量为23.23㎜，且年内各月极不均匀，见表7-5、表7-6。
　　从表中可以看出，降水量以夏季为最高，达13.46㎜，占全年降水量的58％，而9～11月的秋季和12～2月的冬季，长达6个月的降水量为5.3mm，仅占年降水量的22.8％。3～5月的春季降水量为4.5mm。其原因是由于秋冬季节，本区主要受西伯利亚-蒙古冷高压系统控制，导致温度低、湿度小、多晴日，降雨和降雪量极少。相对而言，在春季主要受太平洋暖湿气团影响，具有温度高、湿度较大、降水量较大的特点。这种年降水变化大，季节分配极不均匀的现象反映了沙漠气候特征。
　　(四)蒸发量与干燥度
　　该地区年平均蒸发量为4347.9㎜，年蒸发量是降水量的187倍，而敦煌站年平均蒸发量2486㎜(见表7-7)。与敦煌站相比，莫高窟气象站年均蒸发量高出敦煌市气象站1861㎜。干燥度是反映气候环境的主要要素之一，经计算莫高窟干燥度K=32(通常K4.00为干旱区)为极干旱区。
　　(五)日照
　　按日照时数划分标准，在北纬40°附近日照总时数一般应为2500～2750h，年日照百分率在60％～70％之间，敦煌地区年内各月日照时数分布(见表7-8)，与此标准相比，莫高窟站的年日照时数多于该标准462h，即年均每天多照1.3h，因此，该区具有日照时数长，日照率高的特点。
　　(六)风速与风向
　　1990～2000年气象资料统计表明，莫高窟窟顶不仅是一个多风地区，而且是一个多向风地区(图7-2)。以南风出现频率最高，约占31％，偏南风合计为40％，但风速并不大，其中，小于起沙风(2m高度，风速为4m／s即为起沙风)者仅占19％，大于8m／s的只有1.7％，而大于4m／s和小于8m／s者占79％。风洞实验结果表明，风速在4～8m／s范围内，所具有搬运沙物质的能力是有限的。其次属偏西风，小于起沙风者占53％，4～8m／s占40.3％，输沙能力20％，大于8m／s的风速出现频率仅占6.69％，其输沙能力却占80％。至于偏东风，频率只占14.8％，输沙能力约占27.5％，因此，偏西风是该区风沙活动主害风。而至于偏东风其危害主要是对洞窟崖面产生风蚀外，并对崖顶积沙具有反向搬运能力(由洞窟顶向鸣沙山方向搬运沙物质)。
　　风速的季节变化显著，见表7-9。2～5月风速呈上升趋势，尤以春季3～5月的平均风速为最高。而此时，正是降水少，气候干旱，下垫面多呈裸露状。此间这种大风与干旱天气的重叠，使得该地区春季风沙活动最为强烈(见表7-9)，大风和沙尘日数分别占全年的48％、47.5％。夏秋季(7～8月)，降水增加，风速减少，地表含水量高，植被覆盖度较好，风沙活动随之减少。
　　(七)结论
　　综上所述，莫高窟具有温差大，降水量少，蒸发量大，气候干旱，风沙活动强烈的典型沙漠气候特征。莫高窟这种独特的气候环境对壁画的长期保存有至关重要的作用。
　　(1)温湿度
　　温湿度是气候环境的主要因子，也是影响壁画长期保存的主要因素。莫高窟年平均相对湿度仅为32.5％，最大值也只有45％，这种相对湿度小，气候干燥的环境对壁画的长期保存非常有益。
　　(2)风沙
　　莫高窟石窟群开凿于鸣沙山东麓断崖面上，鸣沙山为一高大沙山，沙源丰富。每当春季，强烈的偏西风所搬运鸣沙山的沙物质，常以风沙流的方式沿崖体泄流而下，在崖面临空面产生涡流反转作用，使许多前室或露天壁画不同程度被磨蚀，使其掉色而模糊不清。同时下泄的流沙对崖体产生着强烈的磨蚀、掏蚀，使不少崖体上形成危岩。泄流下来的沙子又常常堆积在栈道、窟门前，妨碍游人参观。而且研究发现，风沙流所携带的细沙尘土物质侵入壁画颜料中污染画面(图7-3)，严重影响了壁画的艺术效果。因此，防治风沙危害是莫高窟环境整治中的一个主要问题。