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內(nèi)容摘要：通過莫高窟水系統(tǒng)對小氣候影響的對比分析與研究，發(fā)現(xiàn)水的吸熱放熱和水的耗散結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)能量動態(tài)平衡中起著重要作用，對保持小氣候的穩(wěn)定至關(guān)重要，具有溫度“平衡器”的作用，對濕度、溫度、太陽輻射強(qiáng)度等有顯著影響。如相對濕度增加7.27％，則太陽輻射強(qiáng)度降低22.3％。莫高窟通過水系統(tǒng)等的綜合作用，消耗巨大的風(fēng)動能t對風(fēng)力具有很強(qiáng)的內(nèi)在消弭作用。反過來，風(fēng)能是“冷島”效應(yīng)的動力源泉。水分耗散結(jié)構(gòu)和海拔等的綜合作用使日最高溫度的實(shí)際降低較敦煌不少于3.19℃，但大多被地形結(jié)構(gòu)的增溫效應(yīng)所掩蓋。水系統(tǒng)和地形結(jié)構(gòu)等的綜合作用使莫高窟小氣候具有“自組織空調(diào)”性能，冬暖夏涼，溫度穩(wěn)定，非常有利于文物保護(hù)。

關(guān)鍵詞：水系統(tǒng)；莫高窟；小氣候；影響

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

敦煌莫高窟現(xiàn)存精美絕倫的壁畫4.5萬平方米，彩塑二千余身，因具有獨(dú)一無二的歷史和文物價(jià)值被列入世界文化遺產(chǎn)清單。這些文物絕大多數(shù)是泥質(zhì)材料，非常脆弱。氣候環(huán)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(huán)境，因此開展莫高窟小環(huán)境氣候的研究，對文物的保護(hù)具有重要意義。調(diào)查發(fā)現(xiàn)這里的園林耗水量巨大，產(chǎn)生的效應(yīng)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(hù)。因此，研究水系統(tǒng)對小氣候的影響，對于莫高窟的文物保護(hù)非常重要。

一研究方法和資料

在莫高窟園林用水調(diào)查和水分耗散結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，我們結(jié)合莫高窟的地形地貌，應(yīng)用系統(tǒng)分層的方法對水系統(tǒng)進(jìn)行了能量轉(zhuǎn)換和動態(tài)平衡的綜合分析。同時(shí)利用莫高窟窟頂和窟前多年的氣象資料對氣象因子進(jìn)行深入的對比，以尋求水系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集設(shè)備較為先進(jìn)，可以每110或15min自動對溫度、濕度、光照、風(fēng)向、風(fēng)速等進(jìn)行一次采集，這些常年不斷的大量數(shù)據(jù)，為莫高窟小氣候的研究提供了翔實(shí)、珍貴的基礎(chǔ)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(dá)2.38×10⁶m³。本文中水系統(tǒng)指分布在莫高窟土壤、植被、空氣等時(shí)空區(qū)域的全部水分。

莫高窟綠地的平均耗水為8366mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于敦煌當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)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(zhì)，與高溫干燥的空氣、強(qiáng)烈的太陽輻射和空氣流動等綜合作用形成了水分耗散結(jié)構(gòu)，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(jì)為5.5×10¹⁸焦耳，相當(dāng)于1.6×10⁵噸的優(yōu)質(zhì)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(yuǎn)高于莫高窟全年太陽輻射量6.38×10⁹J/m²。

(二)水量與能量的轉(zhuǎn)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(tài)變化中吸收和釋放熱量，調(diào)節(jié)溫度平衡。這里的水分，理論上包括發(fā)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(jù)對莫高窟地上生物水量的估算，約為15kg/m²，即相當(dāng)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(nèi)，以下的溫度日變化很小，按照10％的含水量計(jì)算，相當(dāng)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(jì)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(qiáng)。

通過物質(zhì)的吸熱性能和溫度日變化的遲滯作用轉(zhuǎn)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(tǒng)起主導(dǎo)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(xiàn)。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(jié)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(xiàn)的是保持氣溫穩(wěn)定的作用。

蒸發(fā)作用與熱容量“庫”的效應(yīng)不同，蒸散過程中通過分子化學(xué)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(yùn)動的溫度變化。因此，園林用水耗能僅是從水分蒸發(fā)的角度對能量進(jìn)行的計(jì)算。水分蒸發(fā)所吸收的能量從溫度熱表現(xiàn)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(xiàn)能量的變化，是顯性的。從計(jì)算結(jié)果看，蒸發(fā)耗散的熱量占了絕對的主導(dǎo)地位。

(三)能量綜合分析——水系統(tǒng)對風(fēng)力的影響

我們曾對莫高窟開放系統(tǒng)進(jìn)行過系統(tǒng)的劃分與能量動態(tài)平衡分析。通過環(huán)境、系統(tǒng)、子系統(tǒng)的劃分和分類研究，有六種能量的相互轉(zhuǎn)化格局，水分的耗散結(jié)構(gòu)在穩(wěn)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(tǒng)穩(wěn)定的重要性。水系統(tǒng)作為能量的主要載體，綜合著各相關(guān)系統(tǒng)，在能量的轉(zhuǎn)換中起到至關(guān)主要的作用。水系統(tǒng)年蒸散耗能是進(jìn)入系統(tǒng)太陽輻射能量的3倍，在穩(wěn)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(qiáng)的抑制作用，高溫時(shí)水分的耗散量大，抑制作用強(qiáng)，低溫時(shí)較小。水的耗散結(jié)構(gòu)同時(shí)又是能量的耗散結(jié)構(gòu)，小氣候的溫度表現(xiàn)也是大量熱量被水分的“隱性”耗散所消弭的表現(xiàn)。水系統(tǒng)與其它環(huán)境因素的共同作用，使莫高窟的日較差較敦煌低4.73℃，體現(xiàn)了水系統(tǒng)對溫度的穩(wěn)定作用。

對于一個(gè)封閉系統(tǒng)，當(dāng)它外圍的溫度較高時(shí)，如果沒有外界的做功，系統(tǒng)內(nèi)部的水蒸發(fā)吸熱在溫度達(dá)到平衡后自動停止。如同沒有電機(jī)做功的冰箱，很難出現(xiàn)自動降溫而呈現(xiàn)“冷島”效應(yīng)。因而有必要通過能量的綜合分析找出做功者。

莫高窟小區(qū)域能量的平衡是：外部環(huán)境主要以光能、風(fēng)能等進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)以熱輻射的形式向外流出。子系統(tǒng)主要是水系統(tǒng)耗散吸收的系統(tǒng)能

量。通過對進(jìn)入和流出系統(tǒng)的太陽能、風(fēng)能、熱輻射、水耗散能量等進(jìn)行綜合分析，得出對系統(tǒng)做功的因子，即：

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

整理得風(fēng)動能的變化為：d－d＝(h—f)+f+(r－r)

系統(tǒng)對外的輻射量(不包括水系統(tǒng))的能量暫不考慮。那么根據(jù)(一)、(二)節(jié)的計(jì)算，則：

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

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

三莫高窟水系統(tǒng)對小氣候的影響

(一)水系統(tǒng)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(jié)果是地形結(jié)構(gòu)(包括大氣逆溫效應(yīng))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(xiàn)。但是2004年莫高窟平均日最高溫度低于敦煌2.41℃，地形結(jié)構(gòu)的增溫效應(yīng)在午間溫度最高時(shí)也應(yīng)是較強(qiáng)的時(shí)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(yīng)大部分被地形結(jié)構(gòu)的增溫效應(yīng)所掩蓋。水系統(tǒng)的耗散及風(fēng)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(jié)構(gòu)，因此對溫度的抑制作用遠(yuǎn)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(shí)的氣溫比較。雨后出現(xiàn)了窟頂溫度高于窟前，窟前出現(xiàn)了1～2℃的逆溫。這是因?yàn)樵诟蔁岬南募?，由于樹木使水分成立體分布，在風(fēng)的作用下水的耗散降溫作用高于窟頂。這說明強(qiáng)烈水分耗散具有較強(qiáng)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(diào)查看，7月中旬至8月中旬是敦煌地區(qū)的高溫季節(jié)，而且常常伴有干熱風(fēng)，水分的耗散使大泉河白天出現(xiàn)斷流，林帶整體嚴(yán)重缺水，局部樹葉脫落，此時(shí)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(guān)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?yàn)槿彼?/p>

(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(dá)25.75％。

(三)水系統(tǒng)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(qiáng)度明顯低于窟頂，水系統(tǒng)對太陽輻射強(qiáng)度有重要影響。午前的輻射強(qiáng)度很低，并且有波動，是因?yàn)榭咔傲謳У恼趽跛?。中午?.5小時(shí)，陽光完全直射到氣象站，然而輻射強(qiáng)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(shí)有相當(dāng)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(shí)，窟前相對濕度(24.15％)較窟頂(17.53％)高6.62％，輻射強(qiáng)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(qiáng)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(shù)有1w/sqm的負(fù)輻射，窟前沒有，是因?yàn)闃淠竞脱麦w的熱輻射使地表輻射的得失為零。

四小結(jié)

莫高窟微環(huán)境的水系統(tǒng)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(wěn)定器、平衡器，水是能量轉(zhuǎn)化的最佳載體。水吸收和釋放熱量，在調(diào)節(jié)溫度平衡，穩(wěn)定環(huán)境溫度、濕度方面具有不可替代的作用。此外，水對風(fēng)能有很強(qiáng)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(diào)”效果，冬暖夏涼，溫度穩(wěn)定，非常有利于文物保護(hù)。研究證明水系統(tǒng)對莫高窟小氣候的溫度、濕度、光照、風(fēng)力有顯著的影響：

(1)2004年水分的耗散結(jié)構(gòu)和生態(tài)等綜合作用使莫高窟的日最高溫度的實(shí)際降低較敦煌市區(qū)不少于3.19℃。水的耗散降溫作用被地形結(jié)構(gòu)的增溫效應(yīng)所掩蓋，但在局部時(shí)間仍然可出現(xiàn)低于周邊的“冷島”現(xiàn)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?shù)?8.23％增高了7.27％。

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

參考文獻(xiàn)：

[1]李紅壽，敦煌莫高窟園林用水資源調(diào)查及園林用水分析[J]，敦煌研究，2005(4)：92

[2]李紅壽，用耗散結(jié)構(gòu)理論對莫高窟園林用水的分析[J]，生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(10)：3454－3462

[3]李紅壽，汪萬福，張國彬，等，地形地貌對莫高窟區(qū)域微環(huán)境的影響，敦煌研究[J]，2008(3)：98－102

[4]張勃，石惠春，河西地區(qū)綠洲資源優(yōu)化配置研究[M]，北京：科學(xué)出版社，2004：80－83

[5]秦全勝，鄭彩霞，汪萬福，等，敦煌莫高窟窟區(qū)樹木蒸騰耗水量的估算[J]，敦煌研究，2002(4)：97－101