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内容摘要：通过对莫高窟第217窟内的微环境监测，对该窟一年来温湿度监测数据和空气交换率监测数据的分析研究，大致阐明了第217窟文物保存的环境现状及变化规律，结果表明：窟内温度变化具有规律性和明显的季节性，最高温度与最低温度相差30.8℃；相对湿度主要受到降雨和窟外环境的影响；洞窟内的空气交换率在晴天为4分钟左右，而在阴雨天气为20分钟。充分掌握洞窟内小环境气候特点，研究它的变化规律，对于壁画病害病因的研究是十分必要的。
关键词：莫高窟；微环境监测；HOBO温湿度监测仪
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106(2007)05-0093-05
一 前言
第217窟位于莫高窟南端的第二层，洞窟总体积约93m3，在莫高窟石窟群中属于中型洞窟。洞窟开凿于盛唐早期(晚唐、五代、清代重修)。形制为覆斗形顶，西壁开一龛，洞窟分为主室、甬道、前室三部分。此窟壁画保存比较完整，结构精巧，线条细腻，色彩鲜艳，艺术技巧臻于成熟，是敦煌盛唐时期最有代表性的洞窟之一。根据主室西壁龛下北侧的供养人题名和藏经洞遗书P.2625《敦煌名族志》残卷的记载，可知此窟是敦煌豪门——阴氏家族出资兴建的，建窟时间约为唐代神龙至景龙年间(705-709)。该窟是莫高窟开放的“特别洞窟”之一。
自然环境因素的变化和人类活动的影响，给文物保存带来了潜在的严重威胁。环境改变引起各类文物病害的产生，越来越多地受到国内外文物保护工作者的高度关注，莫高窟也不例外，如：颜料层起甲、地仗层酥碱、空鼓等。这些病害的产生与窟内微环境气候的变化有着密切的联系，而窟内的微环境气候则直接受窟外大环境的影响。莫高窟周边地区属于典型的沙漠气候特征，干旱少雨、日照强烈，2005年全年的降雨量是52mm，而该地区年平均蒸发量高达4300mm。窟内的温湿度随季节的变化而变化，不同地段，不同层次，不同大小的洞窟内小环境气候表现出不同的特征。充分掌握各种类型洞窟的小环境气候特点，研究它的变化规律，对于壁画病害病因的研究是十分有利的。
为了配合第217窟的壁画修复工作，自2005年元月底开始对该窟进行了一年多的窟内微环境监测，对此窟内的空气温度、相对湿度数据进行了初步的分析与研究。
二 监测设备
我们所选择的监测设备是美国产的H8 HO-BO系列空气温湿度探头。H8 HOBO系列温湿度探头尺寸小巧，种类丰富，使用方便。表1为本次实验选择的HOBO Pro和HOBO两种型号探头的各种参数。
三 第217窟HOBO温湿度探头的设置
在第217窟主室共设置了7枚HOBO温湿度探头，采用了多方位空间监测法，在不同方位布设探头(表2、图1)。监测时间从2005年1月底至2006年3月底。探头设定的采样频率为15分钟，对取得的数据采用SM Excel工具进行处理。
四 结果分析
洞窟主室内不同位置所安装的7枚温湿度探头监测到的温度、相对湿度和露点温度呈有规律的变化。
1、温度
从监测结果表3看，整个洞窟内一年气温最高值出现在7月份的窟顶藻井处，气温为27.9℃；最低值出现在1月份的窟中央地面处，为-2.9℃，二者之值相差30.8℃。
从图版25看出，窟内平均气温变化很有规律性，具有明显的季节性。平均气温最高的是c2，为12℃，其次是c1为11.7℃、c5为11.5℃、c3为11.3℃、s1为10.8℃、s2为10.4℃，气温最低的是c4，平均值为10.2℃。c1、c2、c5位置受窟外环境的影响相对较小，空气交换速率比较缓慢，气温变化幅度小，相对气温也较高；而s2和c4处于直对甬道口的位置，开门或游客进入带进来的气流首先冲击到的就是这些地方，因此空气交换速率比较快，气温偏低，变化幅度较大。
图3为窟内平均气温最高值c2与最低值c4的对比关系。从图中看，c2(窟藻井处)的平均气温值高于c4(窟中央地面)的平均值，二者平均之差为1.8℃。
2、相对湿度
相对湿度的变化取决于空气的含湿量和温度，如空气的含湿量保持不变，则空气的温度升高，相对湿度变小；空气温度降低，相对湿度变大。第217窟内相对湿度(图版26)一年中最高值出现在5月份，达到了100％。根据以往所监测的其他洞窟环境数据来看，窟内最高相对湿度在80％左右。据调查：工作人员在3月初至6月初对第217窟进行了壁画修复和洞窟平面测绘等工作，所以我们判断，这种超出整体趋势的特殊值，可能是因为人为因素造成了数值的突变。窟中最低相对湿度为27.2％。
窟内相对湿度平均值最高的是s1和s2(表3)，平均值为32％，其次是c4为31％、c5和c3为29％、c1为28％，最小的是c2，为27％。监测结果表明洞窟内中下层空气里的水含量较高，这也与洞窟内大部分病害主要集中在洞窟的中下层相吻合。洞窟外界的相对湿度平均值33％与窟内最高相对湿度平均值32％相比较相差无几，因为第217窟处于岩体中层位置，几乎不受地下水与崖体顶部渗水的影响。从数据看，除了人为影响的几个突变值和降雨带来的短时间的湿度值上升外，第217窟内的相对湿度保持在偏低且稳定状态中。也许这就是第217窟壁画保存比较完好的主要原因。
图3为相对湿度平均最高值s1与最低值c2的对比关系图，二者平均值之差仅是5％。
从图版25和图版26中还看出4-6月份窟内温湿度的变化幅度比较大，这可能与此阶段工作人员在窟内做壁画修复工作有关。
3、露点
露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥。从监测结果表3表中得出，第217窟内的露点温度值远远低于温度值，这是因为外界干燥的气候所造成的。它的变化是随相对湿度的变化而变化。露点温度最高为19.6℃，最低值为-23.4℃(图版27)。
4、降雨
2005年2月—2006年2月的降雨也比往年多(图4)，一年中5-9月是降雨最集中的季节，占全年降雨量80％以上。监测期间总降雨量为51.8mm。
降雨对洞窟内湿度有直接的影响，第217窟窟内湿度的上升主要原因来自于降雨。其原因为：第217窟是莫高窟的特别开放洞窟，参观的游客相对比普通开放洞窟少，即游客对窟内相对湿度影响相对小；第217窟处于崖体中层位置，上下都有洞窟，几乎不受地下水与崖体顶部渗水的影响。所以，第217窟窟内相对湿度上升的主要因素是降雨。
2005年5月是监测过程中降雨最多的一月， 总降雨量是17.3mm。从监测结果看(图6)，两次降雨造成洞窟内的相对湿度迅速上升，比没雨时相对湿度值高出15％——20％。最大的一次降雨出现在2005年5月28日，一天的降雨量是8.1mm，窟内相对湿度受外界影响上升后，其最高点出现在降雨过后的第二天(图5)，相对湿度上升到50％，而与下雨前一天最高相对湿度值35％相比上升了15％，有明显的滞后现象，这种滞后现象可能是由于铝合金门阻隔所致。降雨对窟内的温度影响比较小，雨后仅下降1℃。
5、洞窟空气交换率的测定
洞窟内的空气之所以流动是由于洞窟内外的空气温度不同所致，这个温度差是洞窟内外空气交换的主要动力。用SF6进行空气交换率测定实验证明了这一点。当天气晴朗时(没有异常天气，如阴雨、沙尘暴等)，洞窟内外温度差比较大，洞窟外热空气的进入和洞窟内冷空气的流出速度较快，洞窟内外空气流通速率较快，为4分钟左右，即每4分钟窟内空气就交换一次(图7)；在雨天或阴天，洞窟外温度较低或与窟内温度几乎相等，洞窟内外温度差较小，洞窟内空气交换速率较慢，空气交换率为20分钟，即每20分钟窟内空气交换一次(图8)，这说明在下雨天洞窟内空气交换比较慢，窟外的高湿度进入洞窟停留的时间比较长，也就对洞窟内文物的保存环境影响相对较大。实验表明：窟内相对湿度达到70％以上时，文物的病变速率远远大于相对湿度较低的时候。因此在降雨时或降雨后，适当关闭洞窟铝合金门可以在一定程度上阻止水汽进入洞窟，当洞窟内的相对湿度高于60％时，洞窟应适当停止开放，等窟内相对湿度降到正常值时再重新开放。
五 结论
通过对第217窟微环境多方位的监测得出：温度与相对湿度在同一时间不同位置有着不同的变化，洞窟内的空气交换率随着外界天气的变换而变化。
洞窟内空气温度的变化很有规律性和明显的季节性。最高值在7月份，是窟顶藻井处，最低值出现在1月份，是窟中央地面处，二者之值相差30.8℃。受窟外环境的影响相对较小的区域，空气交换速率比较缓慢，气温变化幅度小，相对气温也较高；而直对甬道口的位置，空气交换速率比较快，气温偏低，变化幅度较大。
第217窟处于崖体中层位置，洞窟内相对湿度几乎不受地下水与崖体顶部渗水的影响，随窟外大环境的变化而变化；但是在降雨时，洞窟内的相对湿度会迅速上升，其值要比平时高出10％——20％，有时会高出30％。降雨是窟内相对湿度升高的主要因素。
第217窟空气交换率实验结果表明，在晴天，窟内空气交换速率一般为4分钟左右，而在阴雨天窟内空气交换率为20分钟。因此在降雨时或降雨后，适当关闭洞窟铝合金门，防止洞窟内湿度升高，有利于壁画的保存。
责任编辑：齐双吉
关键词：莫高窟；微环境监测；HOBO温湿度监测仪
中图分类号：K854.3 文献标识码：A 文章编号：1000-4106(2007)05-0093-05
一 前言
第217窟位于莫高窟南端的第二层，洞窟总体积约93m3，在莫高窟石窟群中属于中型洞窟。洞窟开凿于盛唐早期(晚唐、五代、清代重修)。形制为覆斗形顶，西壁开一龛，洞窟分为主室、甬道、前室三部分。此窟壁画保存比较完整，结构精巧，线条细腻，色彩鲜艳，艺术技巧臻于成熟，是敦煌盛唐时期最有代表性的洞窟之一。根据主室西壁龛下北侧的供养人题名和藏经洞遗书P.2625《敦煌名族志》残卷的记载，可知此窟是敦煌豪门——阴氏家族出资兴建的，建窟时间约为唐代神龙至景龙年间(705-709)。该窟是莫高窟开放的“特别洞窟”之一。
自然环境因素的变化和人类活动的影响，给文物保存带来了潜在的严重威胁。环境改变引起各类文物病害的产生，越来越多地受到国内外文物保护工作者的高度关注，莫高窟也不例外，如：颜料层起甲、地仗层酥碱、空鼓等。这些病害的产生与窟内微环境气候的变化有着密切的联系，而窟内的微环境气候则直接受窟外大环境的影响。莫高窟周边地区属于典型的沙漠气候特征，干旱少雨、日照强烈，2005年全年的降雨量是52mm，而该地区年平均蒸发量高达4300mm。窟内的温湿度随季节的变化而变化，不同地段，不同层次，不同大小的洞窟内小环境气候表现出不同的特征。充分掌握各种类型洞窟的小环境气候特点，研究它的变化规律，对于壁画病害病因的研究是十分有利的。
为了配合第217窟的壁画修复工作，自2005年元月底开始对该窟进行了一年多的窟内微环境监测，对此窟内的空气温度、相对湿度数据进行了初步的分析与研究。
二 监测设备
我们所选择的监测设备是美国产的H8 HO-BO系列空气温湿度探头。H8 HOBO系列温湿度探头尺寸小巧，种类丰富，使用方便。表1为本次实验选择的HOBO Pro和HOBO两种型号探头的各种参数。
三 第217窟HOBO温湿度探头的设置
在第217窟主室共设置了7枚HOBO温湿度探头，采用了多方位空间监测法，在不同方位布设探头(表2、图1)。监测时间从2005年1月底至2006年3月底。探头设定的采样频率为15分钟，对取得的数据采用SM Excel工具进行处理。
四 结果分析
洞窟主室内不同位置所安装的7枚温湿度探头监测到的温度、相对湿度和露点温度呈有规律的变化。
1、温度
从监测结果表3看，整个洞窟内一年气温最高值出现在7月份的窟顶藻井处，气温为27.9℃；最低值出现在1月份的窟中央地面处，为-2.9℃，二者之值相差30.8℃。
从图版25看出，窟内平均气温变化很有规律性，具有明显的季节性。平均气温最高的是c2，为12℃，其次是c1为11.7℃、c5为11.5℃、c3为11.3℃、s1为10.8℃、s2为10.4℃，气温最低的是c4，平均值为10.2℃。c1、c2、c5位置受窟外环境的影响相对较小，空气交换速率比较缓慢，气温变化幅度小，相对气温也较高；而s2和c4处于直对甬道口的位置，开门或游客进入带进来的气流首先冲击到的就是这些地方，因此空气交换速率比较快，气温偏低，变化幅度较大。
图3为窟内平均气温最高值c2与最低值c4的对比关系。从图中看，c2(窟藻井处)的平均气温值高于c4(窟中央地面)的平均值，二者平均之差为1.8℃。
2、相对湿度
相对湿度的变化取决于空气的含湿量和温度，如空气的含湿量保持不变，则空气的温度升高，相对湿度变小；空气温度降低，相对湿度变大。第217窟内相对湿度(图版26)一年中最高值出现在5月份，达到了100％。根据以往所监测的其他洞窟环境数据来看，窟内最高相对湿度在80％左右。据调查：工作人员在3月初至6月初对第217窟进行了壁画修复和洞窟平面测绘等工作，所以我们判断，这种超出整体趋势的特殊值，可能是因为人为因素造成了数值的突变。窟中最低相对湿度为27.2％。
窟内相对湿度平均值最高的是s1和s2(表3)，平均值为32％，其次是c4为31％、c5和c3为29％、c1为28％，最小的是c2，为27％。监测结果表明洞窟内中下层空气里的水含量较高，这也与洞窟内大部分病害主要集中在洞窟的中下层相吻合。洞窟外界的相对湿度平均值33％与窟内最高相对湿度平均值32％相比较相差无几，因为第217窟处于岩体中层位置，几乎不受地下水与崖体顶部渗水的影响。从数据看，除了人为影响的几个突变值和降雨带来的短时间的湿度值上升外，第217窟内的相对湿度保持在偏低且稳定状态中。也许这就是第217窟壁画保存比较完好的主要原因。
图3为相对湿度平均最高值s1与最低值c2的对比关系图，二者平均值之差仅是5％。
从图版25和图版26中还看出4-6月份窟内温湿度的变化幅度比较大，这可能与此阶段工作人员在窟内做壁画修复工作有关。
3、露点
露点温度越小于周围环境的温度，结露的可能性就越小，也就意味着空气越干燥。从监测结果表3表中得出，第217窟内的露点温度值远远低于温度值，这是因为外界干燥的气候所造成的。它的变化是随相对湿度的变化而变化。露点温度最高为19.6℃，最低值为-23.4℃(图版27)。
4、降雨
2005年2月—2006年2月的降雨也比往年多(图4)，一年中5-9月是降雨最集中的季节，占全年降雨量80％以上。监测期间总降雨量为51.8mm。
降雨对洞窟内湿度有直接的影响，第217窟窟内湿度的上升主要原因来自于降雨。其原因为：第217窟是莫高窟的特别开放洞窟，参观的游客相对比普通开放洞窟少，即游客对窟内相对湿度影响相对小；第217窟处于崖体中层位置，上下都有洞窟，几乎不受地下水与崖体顶部渗水的影响。所以，第217窟窟内相对湿度上升的主要因素是降雨。
2005年5月是监测过程中降雨最多的一月， 总降雨量是17.3mm。从监测结果看(图6)，两次降雨造成洞窟内的相对湿度迅速上升，比没雨时相对湿度值高出15％——20％。最大的一次降雨出现在2005年5月28日，一天的降雨量是8.1mm，窟内相对湿度受外界影响上升后，其最高点出现在降雨过后的第二天(图5)，相对湿度上升到50％，而与下雨前一天最高相对湿度值35％相比上升了15％，有明显的滞后现象，这种滞后现象可能是由于铝合金门阻隔所致。降雨对窟内的温度影响比较小，雨后仅下降1℃。
5、洞窟空气交换率的测定
洞窟内的空气之所以流动是由于洞窟内外的空气温度不同所致，这个温度差是洞窟内外空气交换的主要动力。用SF6进行空气交换率测定实验证明了这一点。当天气晴朗时(没有异常天气，如阴雨、沙尘暴等)，洞窟内外温度差比较大，洞窟外热空气的进入和洞窟内冷空气的流出速度较快，洞窟内外空气流通速率较快，为4分钟左右，即每4分钟窟内空气就交换一次(图7)；在雨天或阴天，洞窟外温度较低或与窟内温度几乎相等，洞窟内外温度差较小，洞窟内空气交换速率较慢，空气交换率为20分钟，即每20分钟窟内空气交换一次(图8)，这说明在下雨天洞窟内空气交换比较慢，窟外的高湿度进入洞窟停留的时间比较长，也就对洞窟内文物的保存环境影响相对较大。实验表明：窟内相对湿度达到70％以上时，文物的病变速率远远大于相对湿度较低的时候。因此在降雨时或降雨后，适当关闭洞窟铝合金门可以在一定程度上阻止水汽进入洞窟，当洞窟内的相对湿度高于60％时，洞窟应适当停止开放，等窟内相对湿度降到正常值时再重新开放。
五 结论
通过对第217窟微环境多方位的监测得出：温度与相对湿度在同一时间不同位置有着不同的变化，洞窟内的空气交换率随着外界天气的变换而变化。
洞窟内空气温度的变化很有规律性和明显的季节性。最高值在7月份，是窟顶藻井处，最低值出现在1月份，是窟中央地面处，二者之值相差30.8℃。受窟外环境的影响相对较小的区域，空气交换速率比较缓慢，气温变化幅度小，相对气温也较高；而直对甬道口的位置，空气交换速率比较快，气温偏低，变化幅度较大。
第217窟处于崖体中层位置，洞窟内相对湿度几乎不受地下水与崖体顶部渗水的影响，随窟外大环境的变化而变化；但是在降雨时，洞窟内的相对湿度会迅速上升，其值要比平时高出10％——20％，有时会高出30％。降雨是窟内相对湿度升高的主要因素。
第217窟空气交换率实验结果表明，在晴天，窟内空气交换速率一般为4分钟左右，而在阴雨天窟内空气交换率为20分钟。因此在降雨时或降雨后，适当关闭洞窟铝合金门，防止洞窟内湿度升高，有利于壁画的保存。
责任编辑：齐双吉