1 引 言
敦煌莫高窟俗称千佛洞， 于1961年被中华人民共和国国务院公布为第一批全国重点文物保护单位， 1987年被联合国教科文组织世界遗产委员会列入“世界文化遗产名录”， 素有“世界艺术画廊”“墙壁上的博物馆”之称。石窟中保存着4~14世纪45000 m2精美壁画和2000余身彩塑， 是当今世界上现存规模宏大、 内容丰富、 艺术精湛的佛教艺术宝库， 在中国和世界文化史上占有极其重要的地位（樊锦诗， 2000）。然而， 受洞窟围岩裂隙、 雨水渗漏、 风沙侵蚀、 壁画酥碱等环境因素的威胁（张明泉， 1997； 张国彬， 2009）， 风沙尘污染、 水盐运移、 温度和湿度波动等过程加速了壁画病害的产生和发展（Wang et al， 2010； Rosina et al， 2017； Duan et al， 2018； 杨小菊等， 2021a， 2021b）， 因此开展莫高窟环境因素的监测和评估对科学指导文物保护具有十分重要的现实意义（张正模， 2012； 李红寿等， 2014）。莫高窟位于敦煌盆地东南缘， 东邻三危山， 西接鸣沙山。由于荒漠、 戈壁、 植被等不同下垫面影响着该地区空气中的物理特性， 莫高窟形成其特有的气候环境（尚瑞华等， 2016）。莫高窟能保存至今， 与当地干燥的气候特征密切相关（李最雄， 2005； 李红寿等， 2016）， 然而在极端干旱的环境中， 强降水又是主要的突发气候事件之一， 对文物本体及载体都有极大的危害（张正模等， 2013）， 例如当突发性的强降水使洞窟内的相对湿度达到一定的阈值后， 盐分活动可被激活， 向壁画表面运移和富集（陈港泉等， 2005； 张国彬， 2013）， 诱发壁画产生起甲、 酥碱、 空鼓、 脱落和微生物侵蚀等病害（张明泉等， 1995； 武发思等， 2013）。对于莫高窟气候环境的研究主要集中在窟区微气候环境的分析（尚瑞华等， 2016）、 周边戈壁及洞窟崖体水分凝聚机理（李红寿等， 2009）、 窟顶风沙危害及防护（汪万福等， 2000， 2005）和降水分布及入渗特征等（刘洪丽等， 2016）方面， 但有关该区域长时间序列上气温和降水特征的分析尚未见报道。完整可靠的温度和降水资料在区域环境动态变化研究中极其重要（Goovaerts， 2000）。对区域内气温变化和自然降水的分布特征、 趋势和变率分析， 具有重大的生态学意义， 是区域气候变化和水热资源合理评价的前提， 同时也有助于理解区域水热条件的变化对生态系统功能的影响（刘新平等， 2011）。
本文利用1990 -2020年莫高窟气温和降水的观测资料， 通过对该地区近30年气温和降水变化特征的分析， 探究其变化规律， 可为研究该区域环境变化和文物古迹的科技保护提供关键数据支撑； 同时也可为该地区气候预测、 农业气象预报预测提供参考依据（巴金和王秀琴， 2010）。
2 研究区概况
研究区位于敦煌盆地南缘（40°02′14″N， 94°47′38″E）（图1 ）， 地处三危山与鸣沙山交界的大泉河谷， 海拔在1320~1380 m， 距敦煌市约25 km。研究区属于典型的暖温带干旱大陆性气候， 常年受蒙古高压的影响， 具有极端干旱、 降水量少、 温差大、 日照时间长及风沙活动频繁等沙漠气候特征（杨善龙等， 2009； 王亚军等， 2014）。该地区多年平均气温为11.42 ℃， 相对湿度为26.37 %， 多年平均降水量39 mm， 且年内各月降水分配极不均匀， 主要集中在7 -9月， 潜在蒸发量为4347.9 mm。莫高窟属于多风地区， 多年平均风速为4.25 m·s-1， 风向多变（王亚军等， 2014； 刘洪丽等， 2016）， 东北风、 偏西风和偏南风为莫高窟的主导风向， 前期监测和研究表明， 莫高窟窟区沙尘污染主要来自窟顶戈壁风沙流（Tan et al， 2016）， 频率低而风力较强的偏西风是将鸣沙山的沉积物搬运至窟前的主害风（Li et al， 2012）。
本研究样点之一莫高窟第85窟位于莫高窟南区中部底层， 是莫高窟492个洞窟中的大型洞窟之一。开凿于晚唐时期， 经过五代、 元、 清重修， 洞窟由前室、 甬道、 主室构成， 主室有覆斗形顶， 内设中心佛坛， 洞窟壁画内容丰富， 绘画技艺精湛， 具有较高的历史价值、 艺术价值和科学价值。由于自然和人为因素影响， 第85窟内壁画出现颜料层起甲、 地仗层酥碱、 空鼓等病害。敦煌研究院于1994年对第85窟微环境开始监测， 随后逐步在窟内布设了4个温湿度探头（1#位于东南角中层、 2#位于西北角中层、 3#位于主室内中间、 4#位于门口； 型号为1HMP45A， 图2 ）， 本文中的气温和相对湿度均为4个温度探头所测温度的平均值。并以第85窟为例分析突发性极端降水事件对于莫高窟微环境的改变及其对文物保存的影响。在研究时段内（1990 -2020年）， 其中1996年7月20 -31日间总降水37.08 mm， 约占多年平均降水量的93%； 2011年6 -8月总降水量达到53.34 mm， 占多年平均降水量的136%， 二者属于极端降水事件， 因此本研究选取1996年和2011年的极端降水事件作为案例， 分析极端降水事件对第85窟微环境（温度和相对湿度）及壁画的影响。
3 资料来源及分析方法
选取1989年搭建在莫高窟九层楼顶部的全自动气象站记录的1990-2020年数据（美国CAMPBELL公司， 其中1991年、 1996年、 2010年和2014年由于仪器和天气原因导致数据缺失约3个月， 因此在计算中剔除以上年份的数据）年监测的气温和降水资料， 其中1990 -2009年数据的采集频率为15 min， 2010 -2020年数据的采集频率为10 min； 利用回归分析和趋势分析等方法， 研究莫高窟年、 季节和月尺度上平均气温和降水的变化规律， 并建立一元回归方程的回归系数计算气候变化倾斜率， 比较其变化特征。四季以气候学方法计算， 即3 -5月为春季， 6 -8月为夏季， 9 -11月为秋季， 12月至翌年2月为冬季。
4 结果与讨论
4.1 气温和降水的年际变化
由图3 （a）可知， 莫高窟多年平均气温为11.32 ℃， 近30年来莫高窟年平均气温以0.46 ℃·（10a）-1的速率呈现出一定的上升趋势， 最高值出现在2017年， 年平均气温为12.28 ℃； 最低值出现在2012年， 年平均气温为10.08 ℃； 1990 -2009年间的平均气温较低， 多数年份的年气温低于多年平均值， 是近30年的偏冷时期； 2010 -2020年该地区各年代的平均气温呈现较快增长模式， 除2012年外， 其余年份年气温均高于多年平均值， 是近30年的偏暖时期， 该结果与买买提江·赛提尼牙孜和曼吾拉·卡德尔（2020）对于新疆地区1987 -2016年气温变化及西北地区降水研究得出的结论相似（刘维成等， 2017）。莫高窟1990 -2020年气温的增长率［0.46 ℃·（10a）-1］高于西北地区1959 -2007年［0.32 ℃·（10a）-1］（赵传成等， 2011）， 变暖趋势较为明显， 符合西北地区整体的增温趋势且增加趋势更为明显的特征（郭志梅等， 2005； 巴金和王秀琴， 2010）。
由图3 （b）可知， 莫高窟多年降水的平均值为40.04 mm， 近30年来莫高窟年平均降水量以2.21 mm·（10a）-1的速率呈现出缓慢的增加趋势， 最高值出现在2011年， 年降水总量为113.92 mm； 最低值出现在2020年， 年降水总量仅为7.30 mm； 2011年降水的变异幅度较大， 1990 -2005年大多数年份的降水均低于多年平均值， 变异性相对较小； 2006 -2019年降水开始缓慢地增加， 但增加幅度较小， 降水的年际变异性也增大。此外， 也可以看到， 在每次降水量高于平均值的年份之后的次年或者几年降水迅速减少， 例如1993、 2000、 2005 -2007、 2011和2019年。这与Mirza et al（1998）的研究相似， 在降水大于多年平均降水量的年份， 之后的一年或几年都出现降水迅速减少的特征。总体来看， 研究时段内敦煌莫高窟降水呈现缓慢增加趋势， 这一结论与赵传成等对于西北地区近50年降水时空变化研究得出的结论相似（赵传成等， 2011）， 但增加幅度较小。
4.2 气温和降水的季节变化
4.3 气温和降水的月变化
1990 -2020年莫高窟月平均气温变化也较为明显， 如图6 所示， 其中3 -11月的月平均气温均表现为正值， 12月至次年2月的月平均气温均低于0 ℃。自1 -7月该区域月平均气温呈逐月增加的变化趋势， 8 -12月平均气温则逐渐减少。其中以7月的月平均气温最高， 为26.53 ℃， 而1月的月平均气温最低， 仅为-7.33 ℃。
1990 -2020年莫高窟月平均降水亦表现出明显的变化趋势， 该区域降水量在年内分布不均匀， 主要集中6 -8月， 分别占多年平均降水量的20.96%、 25.68%和15.55%， 其余月份的降水量非常稀少， 均占年降水量的10%左右。从图6 中还可以看出该区域7月的平均降水量最高， 为10.35 mm， 1月的平均降水量最低， 仅为0.21 mm。
4.4 突发性极端降水事件对于莫高窟窟内微环境的影响
敦煌莫高窟降水稀少， 多年平均值约为40 mm， 且年际间的变异性较大。主要降水集中在6 -8月， 但有些观测年份短时间内的降水量达到全年降水的80%以上， 属于极端降水事件， 而其他月份降水很少。降水最直接的影响是增加了洞窟中的空气湿度， 同时还在一定程度上影响了温度的变化。图7 为1996年7月15日至8月14日（7月20日， 在7月26 -31日持续降水）降水、 气温和空气湿度的变化图。从图7 中可以看出， 窟内的气温随着窟外环境降水量的增加而减小， 但是减小幅度较小； 20日降水后， 21日开始空气相对湿度上升至60%以上， 后经过26 -31日的持续降水， 洞窟内持续13天相对湿度达到60%以上， 窟内持续的高湿度使得第85窟西壁顶部出现地仗层脱落［图9 （a）］。
图7 1996年7月15日至8月14日莫高窟85窟内气温（a）、 相对湿度和降水（b）的变化Fig.7 The variation of temperature （a）， relative humidity and precipitation （b） in Cave 85 of Mogao Grottoes from July 15 to August 14， 1996 |
图8 2011年6月1日至8月31日莫高窟85窟内气温（a）、 相对湿度和降水（b）的变化Fig.8 The variation of temperature （a）， relative humidity and precipitation （b） in Cave 85 of Mogao Grottoes from June 1 to August 31， 2011 |
降水和气温是受全球变化和区域下垫面因素影响的因子， 这些因子的变化受全球大气环流变化的影响（陈仁升等， 2002）， 莫高窟平均气温和降水在研究时段内均表现为增加趋势， 但平均气温的增加趋势明显高于降水量， 形成温度上升， 蒸发量增大现象， 使得该区域暖干化趋势日益明显（张强等， 2010； 刘琼等， 2018）。暖干化的气候导致空气湿度降低， 一方面减少了致使盐分运移的水汽， 减缓了盐分的运移和富集， 避免了壁画在反复膨胀和收缩的过程中损坏， 达到控制和减缓病害发生的目的（苏伯民和陈港泉， 2005； 郭青林等， 2009； 张国彬等， 2009）； 另一方面又减少了由于潮湿空气及炎热形成的热氧化、 光化学氧化等外因引起石窟彩绘及壁画霉变等， 延缓了石窟彩绘及壁画起甲脱落、 褪色和变色（巴金和王秀琴， 2010； 李红寿等， 2014）。但是， 极端降水事件不但改变了文物原有区域的干燥性赋存环境， 使洞窟内湿度出现较大的波动， 更加容易激活壁画制作材料以及支撑体内盐分的活动和迁移， 也是导致壁画及塑像病害产生的主要原因之一。鉴于敦煌莫高窟逐渐暖干化的特殊气候条件， 对于莫高窟彩塑和壁画的保存相对有利。
5 结 论
（1） 莫高窟1990 -2020年平均气温为11.32 ℃， 近30年气温的增长率为0.46·（10a）-1； 多年降水量的年平均值为40.40 mm， 近30年降水量仅以2.21 mm·（10a）-1的速率增长， 且年际间降水量的变异性较大。虽然降水量有所增多， 但增加量微小， 气温的增加导致蒸发量的增加， 使得该区域暖干化趋势明显， 这种暖干化的气候变化有利于莫高窟文物的保存。
（2） 气温、 降水变化存在明显的季节性差异； 春、 夏、 秋、 冬季气温均表现为增加趋势； 春季增温趋势最为显著， 夏季次之， 秋季和冬季增温趋势较为平缓； 降水在春季和夏季表现为增加趋势， 秋季表现为减少趋势， 冬季降水量的变化对年降水的影响较小。
（3） 月平均气温和降水的变化也较为明显， 气温和降水均以7月为核心， 向两边对称递减， 7月的平均气温和降水量最高， 分别为26.53 ℃和10.35 mm， 1月的平均气温和降水量最低， 分别为-7.33 ℃和0.21 mm。
（4） 极端降水事件主要通过影响洞窟内相对湿度的变化对壁画产生不利影响， 对气温的影响较小； 另外， 极端降水之后窟门的开关也是影响窟内空气湿度变化的主要影响因素， 建议在降水期间关闭窟门， 以降低洞窟内外水汽的交换速率， 从而减缓洞窟内壁画病害发展的风险。