水系統對莫高窟小氣候的影響

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內容摘要：通過莫高窟水系統對小氣候影響的對比分析與研究，發現水的吸熱放熱和水的耗散結構在系統能量動態平衡中起著重要作用，對保持小氣候的穩定至關重要，具有溫度“平衡器”的作用，對濕度、溫度、太陽輻射強度等有顯著影響。如相對濕度增加7.27％，則太陽輻射強度降低22.3％。莫高窟通過水系統等的綜合作用，消耗巨大的風動能t對風力具有很強的內在消弭作用。反過來，風能是“冷島”效應的動力源泉。水分耗散結構和海拔等的綜合作用使日最高溫度的實際降低較敦煌不少于3.19℃，但大多被地形結構的增溫效應所掩蓋。水系統和地形結構等的綜合作用使莫高窟小氣候具有“自組織空調”性能，冬暖夏涼，溫度穩定，非常有利于文物保護。

關鍵詞：水系統；莫高窟；小氣候；影響

中圖分類號：P463.21文獻標識碼：A文章編號：1000－4106(2009)03－0110－04

敦煌莫高窟現存精美絕倫的壁畫4.5萬平方米，彩塑二千余身，因具有獨一無二的歷史和文物價值被列入世界文化遺產清單。這些文物絕大多數是泥質材料，非常脆弱。氣候環境對文物的保存具有重要影響，莫高窟的小氣候是莫高窟珍貴文物保存的最基本的環境，因此開展莫高窟小環境氣候的研究，對文物的保護具有重要意義。調查發現這里的園林耗水量巨大，產生的效應可能對莫高窟的小氣候有一定的影響，并直接影響到文物的保護。因此，研究水系統對小氣候的影響，對于莫高窟的文物保護非常重要。

一研究方法和資料

在莫高窟園林用水調查和水分耗散結構分析的基礎上，我們結合莫高窟的地形地貌，應用系統分層的方法對水系統進行了能量轉換和動態平衡的綜合分析。同時利用莫高窟窟頂和窟前多年的氣象資料對氣象因子進行深入的對比，以尋求水系統影響莫高窟小氣候的范圍及影響程度。莫高窟第72窟前和窟頂氣象站的自動數據采集設備較為先進，可以每110或15min自動對溫度、濕度、光照、風向、風速等進行一次采集，這些常年不斷的大量數據，為莫高窟小氣候的研究提供了翔實、珍貴的基礎資料。

二莫高窟的水熱耦合與能量綜合分析

(一)莫高窟園林用水的能量耗散

莫高窟園林用水來自大泉河，大泉河是一條長約15km的泉源河，平均流量為0.11m³/s。除冬季不能利用外，每年大約有270d用于28.4hm³的莫高窟林地、綠地的灌溉，用水量達2.38×10⁶m³。本文中水系統指分布在莫高窟土壤、植被、空氣等時空區域的全部水分。

莫高窟綠地的平均耗水為8366mm，遠遠高于敦煌當地的農業最大用水量2250mm。莫高窟林地用水主要通過漫灌的方式以沙壤和植被為介質，與高溫干燥的空氣、強烈的太陽輻射和空氣流動等綜合作用形成了水分耗散結構，全部灌溉的水分被蒸散。蒸散的水分按汽化熱(2.3×10⁶J/kg)合計為5.5×10¹⁸焦耳，相當于1.6×10⁵噸的優質煤(燃燒值為3.4×10⁷J/kg)的燃燒熱量，折合每平方米綠地耗煤563kg。年耗散總能量為1.94×10¹⁰J/m²，遠高于莫高窟全年太陽輻射量6.38×10⁹J/m²。

(二)水量與能量的轉換和對溫度的日平衡作用

水的熱容量為4.2×10¹⁰J/kg℃，在自然界中最大。因此，水分可在熱量動態變化中吸收和釋放熱量，調節溫度平衡。這里的水分，理論上包括發生溫度變化的所有水分，在莫高窟主要包括植被水分和土壤水分。根據對莫高窟地上生物水量的估算，約為15kg/m²，即相當于15mm的水量。植物的溫度與氣溫接近，隨氣溫的變化而變化。莫高窟氣溫的日較差是11℃。土壤水分的溫度起到日平衡作用的主要在20cm內，以下的溫度日變化很小，按照10％的含水量計算，相當于20mm的水量。地表溫度在窟前日較差約為6℃。地上生物水與土壤水日交換熱量合計為74.8×10³J/m²，這些熱量主要通過熱輻射和空氣流動流散出莫高窟。全年流失8.52×10¹³J，占太陽輻射量(1.8×10¹⁵J)的4.7％。隨著植被生物量的增長，植被對熱量的平衡作用將逐漸增強。

通過物質的吸熱性能和溫度日變化的遲滯作用轉移能量，崖體、土壤、空氣等都具有這樣的功能，相比較而言，莫高窟的水系統起主導作用。這種作用對熱量這種能量形式具有直接的儲存作用，起到“庫”的功效，消弭了高溫的出現。而夜間的散熱起到保溫的作用。深層土壤水分在日熱平衡中作用較弱，但是在季節性氣候變化中有重要的作用。夜間水蒸汽的熱容量平衡作用可能小于水汽對地面長波輻射的吸收，更多體現的是保持氣溫穩定的作用。

蒸發作用與熱容量“庫”的效應不同，蒸散過程中通過分子化學鍵的作用，吸收或釋放大量的能量而溫度保持不變，而熱容量的吸熱放熱伴隨著水分子運動的溫度變化。因此，園林用水耗能僅是從水分蒸發的角度對能量進行的計算。水分蒸發所吸收的能量從溫度熱表現角度來說是隱性的，而水的熱容量平衡正好相反，是通過溫度的變化體現能量的變化，是顯性的。從計算結果看，蒸發耗散的熱量占了絕對的主導地位。

(三)能量綜合分析——水系統對風力的影響

我們曾對莫高窟開放系統進行過系統的劃分與能量動態平衡分析。通過環境、系統、子系統的劃分和分類研究，有六種能量的相互轉化格局，水分的耗散結構在穩定溫度和能量平衡中起著重要作用，從能量角度說明了水分耗散對系統穩定的重要性。水系統作為能量的主要載體，綜合著各相關系統，在能量的轉換中起到至關主要的作用。水系統年蒸散耗能是進入系統太陽輻射能量的3倍，在穩定溫度中具有非常重要的作用。

水分蒸散的吸熱對氣溫的升高有很強的抑制作用，高溫時水分的耗散量大，抑制作用強，低溫時較小。水的耗散結構同時又是能量的耗散結構，小氣候的溫度表現也是大量熱量被水分的“隱性”耗散所消弭的表現。水系統與其它環境因素的共同作用，使莫高窟的日較差較敦煌低4.73℃，體現了水系統對溫度的穩定作用。

對于一個封閉系統，當它外圍的溫度較高時，如果沒有外界的做功，系統內部的水蒸發吸熱在溫度達到平衡后自動停止。如同沒有電機做功的冰箱，很難出現自動降溫而呈現“冷島”效應。因而有必要通過能量的綜合分析找出做功者。

莫高窟小區域能量的平衡是：外部環境主要以光能、風能等進入系統，系統以熱輻射的形式向外流出。子系統主要是水系統耗散吸收的系統能

量。通過對進入和流出系統的太陽能、風能、熱輻射、水耗散能量等進行綜合分析，得出對系統做功的因子，即：

太陽輻射量f+流入時的空氣熱量r+流入的空氣動能d=水分耗散能量h+流出時空氣的熱量r+系統向外熱輻射能量f，+流出時的空氣動能d。

整理得風動能的變化為：d－d＝(h—f)+f+(r－r)

系統對外的輻射量(不包括水系統)的能量暫不考慮。那么根據(一)、(二)節的計算，則：

風動能差(dr－dc)+風熱量差(ro－rr)≈(h—ft)+(rc－rr)=3.79×10¹⁵J

因此在莫高窟每年消耗風能(動能及熱能)約達3.79×10¹⁵J。據此可以說明水分蒸散對風速減小量的貢獻。當然這是較粗略的估算，對植被吸收的太陽能等也忽略未計。但是通過這樣的分析，我們認識到水系統對風力的確有很大的內在的影響。反過來，外部風力做功是莫高窟林地溫度較戈壁低的主要動力來源。風能是“綠洲冷島”效應的動力源泉，否則，“冷島”效應將很難實現。

三莫高窟水系統對小氣候的影響

(一)水系統對溫度影響的綜合分析

2004年莫高窟窟前平均溫度高于敦煌0.78℃，這一結果是地形結構(包括大氣逆溫效應)等的平均增溫作用(2.85℃)，減去海拔降溫的作用(2.07℃)和水的耗散等其它降溫作用后的表現。但是2004年莫高窟平均日最高溫度低于敦煌2.41℃，地形結構的增溫效應在午間溫度最高時也應是較強的時期，但反而低2.41℃。那么綜合降溫作用不小于：2.41℃+0.78℃=3.19℃，因此莫高窟的“冷島”效應大部分被地形結構的增溫效應所掩蓋。水系統的耗散及風力等的綜合降溫作用使日最高溫度的降低不少于3.19℃。敦煌綠洲同樣存在水分的耗散吸熱降溫，但不存在大范圍水的耗散結構，因此對溫度的抑制作用遠低于莫高窟。

白天的窟前增溫作用大于耗散降溫作用，夜晚由于土壤、水體等的熱輻射，排除海拔影響，窟前日最低溫度高于窟頂0.39℃。但也有例外，如圖1。圖1是在2004年8月8日23：00至9日02：00有2.25mm的降雨時的氣溫比較。雨后出現了窟頂溫度高于窟前，窟前出現了1～2℃的逆溫。這是因為在干熱的夏季，由于樹木使水分成立體分布，在風的作用下水的耗散降溫作用高于窟頂。這說明強烈水分耗散具有較強降溫的潛力。另外，7月份莫高窟窟前日最高溫度與敦煌接近，這說明由于某種原因降溫作用受到明顯的抑制。從園林用水的調查看，7月中旬至8月中旬是敦煌地區的高溫季節，而且常常伴有干熱風，水分的耗散使大泉河白天出現斷流，林帶整體嚴重缺水，局部樹葉脫落，此時的缺水使水分的耗散降溫作用顯著降低。這從反面證明了水分耗散在降溫中的關鍵作用。這也可從莫高窟植被的蒸騰速率圖得到證日月，7—8月份蒸騰速率的下降，也是因為缺水。

(二)水分蒸散對相對濕度的影響

從溫度、空氣流動來看，窟頂與窟前是一體的，但從相對濕度看，上下層仍有較大的差異(圖2)。2004年窟前35.50％，窟頂28.23％，水的蒸散使莫高窟的相對濕度增加7.27％。但這一差值使窟前濕度增高達25.75％。

(三)水系統對太陽輻射的影響

以2004年10月1—2日為例(圖3)，窟前的太陽輻射強度明顯低于窟頂，水系統對太陽輻射強度有重要影響。午前的輻射強度很低，并且有波動，是因為窟前林帶的遮擋所致。中午的1.5小時，陽光完全直射到氣象站，然而輻射強度(595w/sqm)較窟頂(768w/sqm)降低了173w/sqm。這是陽光透過崖體前的潮濕空氣時有相當比例的長波輻射被水分直接吸收，部分光線被散射所致。此時，窟前相對濕度(24.15％)較窟頂(17.53％)高6.62％，輻射強度降低了22.53％。這也反過來說明空氣水分吸收輻射是窟前空氣增溫的有效方式。午后輻射強度降低很大，且沒有波動，是西邊崖體的遮光所致。崖頂夜間大多數有1w/sqm的負輻射，窟前沒有，是因為樹木和崖體的熱輻射使地表輻射的得失為零。

四小結

莫高窟微環境的水系統分析表明，莫高窟年耗散2.38×10⁶m³的水分，年耗散能量為1.94×10¹⁰J/m²。水是小氣候的穩定器、平衡器，水是能量轉化的最佳載體。水吸收和釋放熱量，在調節溫度平衡，穩定環境溫度、濕度方面具有不可替代的作用。此外，水對風能有很強的消弭作用。由于水的作用，使莫高窟小氣候具有“自組織空調”效果，冬暖夏涼，溫度穩定，非常有利于文物保護。研究證明水系統對莫高窟小氣候的溫度、濕度、光照、風力有顯著的影響：

(1)2004年水分的耗散結構和生態等綜合作用使莫高窟的日最高溫度的實際降低較敦煌市區不少于3.19℃。水的耗散降溫作用被地形結構的增溫效應所掩蓋，但在局部時間仍然可出現低于周邊的“冷島”現象。

(2)水分耗散對空氣濕度有著重要影響。2004年莫高窟窟前平均相對濕度是35.50％，比窟頂的28.23％增高了7.27％。

(3)水系統對太陽輻射強度有內在的影響。在代表性天氣下(2004年10月1—2日)窟前光照強度(595w/sqm)較窟頂(768w/sqm)降低了173w/sqm。

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