敦煌莫高窟局地的降雨主要集中在高温季节.小雨发生时,大气环境中的水汽大部分在短时间内蒸发散失,仅有少部分湿空气扩散进入洞窟.因此,本项研究重点关注中雨、大雨和暴雨天气洞窟湿度变化.通过对莫高窟大气降水和典型洞窟环境监测资料的分析整理,筛选典型降雨天气环境监测数据,分析洞窟相对湿度是否会超过壁画地杖层中的易溶盐潮解临界值,并确定最佳环境控制节点.
2.1 典型降雨事件
根据1989—2018年大气环境监测结果,莫高窟窟区分别于2015年6月18日,2011年6月15日和2016年8月17日发生过一场中雨、大雨和暴雨事件.3次典型降雨过程的降雨量依次为10.4 mm,40.1 mm和32 mm,降雨历时依次为550 min,1 545 min和 590 min.其中,大雨结束后相继发生2场降雨量分别为4.8 mm和1.0 mm,降雨历时分别为240 min和60 min的小雨和微雨.暴雨发生前,出现过一场降雨量为0.3 mm,降雨历时为40 min的小雨,暴雨发生后,又相继发生了2场降雨量分别为8.6 mm和3.5 mm,降雨历时分别为80 min和620 min的中雨和小雨.
2.2 不同等级降雨天气洞窟湿度变化
降雨使大气中的水汽浓度增加,受洞窟门窗对水汽扩散的阻隔影响,洞窟内绝对湿度增加起始时间明显滞后于大气环境,绝对湿度增加幅度也显著小于大气环境.中雨,大雨和暴雨天气,大气绝对湿度(aair)自降雨前2天左右开始增加,最大值分别为10.99 g/m3,15.34 g/m3和18.67 g/m3,超过洞窟绝对湿度(acave)的持续时间分别约61 h,164 h和186 h.随着大气环境中的湿空气不断扩散进入洞窟,洞窟绝对湿度逐渐升高.中雨天气,C71、C332和 C16绝对湿度最大值分别为11.03 g/m3,7.54 g/m3和9.31 g/m3(图3).大雨天气,C71、C332和 C16绝对湿度最大值分别为13.36 g/m3,8.59 g/m3和10.20 g/m3(图4).暴雨天气,C71、C332和 C16绝对湿度的最大值分别为15.31 g/m3,13.14 g/m3和15.21 g/m3(图5).
洞窟相对湿度随着水汽交换呈现明显的波动.中雨天气,C71、C332和C16相对湿度最大值分别为65.59%,55.02%和65.07%.其中,C332相对湿度并未超过62%,C71和C16相对湿度超过62%的持续时间分别约为6.5 h和26 h(图6).大雨天气,C71、C332和 C16相对湿度的最大值分别为73.54%,64.61%和69.47%.高湿度期间,C71、C332和 C16相对湿度均超过62%,持续时间依次约为90 h,80 h和120.5 h(图7).暴雨天气,C71、C332和 C16相对湿度的最大值分别为71.81%,71.51%和81.23%,三者超过62%的持续时间依次约为264 h、245.6 h和271.7 h(图8).
图3 中雨天气绝对湿度变化
Fig.3 Change of absolute humidity during moderate rainfall
图4 大雨天气绝对湿度变化
Fig.4 Change of absolute humidity during heavy rainfall
图5 暴雨天气绝对湿度变化
Fig.5 Change of absolute humidity during rainstorm
图6 中雨天气相对湿度变化
Fig.6 Change of relative humidity during moderate rainfall
图7 大雨天气相对湿度变化
Fig.7 Change of relative humidity during heavy rainfall
图8 暴雨天气相对湿度变化
Fig.8 Change of relative humidity during rainstorm
不同等级降雨条件下,洞窟绝对湿度和相对湿度的变化趋势基本一致,总体呈现上升-保持-下降三个阶段.中雨发生前1天左右时,洞窟湿度开始增加,降雨结束后2天左右时,湿度逐渐降低,并随着昼夜交替出现周期性变化.大雨天气,洞窟湿度增加的起始时间与中雨基本相同,但由于存在2场后期降雨,高湿度持续时间增加,直至最后一场后期降雨结束后3天左右时,湿度逐渐降低.暴雨历时短,强度大,降雨过程伴随1场前期降雨和2场后期降雨.在前期降雨和暴雨的叠加效应下,洞窟湿度迅速增加至高湿度状态,最后一场后期降雨结束后5天左右时,湿度才开始缓慢降低.
洞窟湿度及高湿度持续时间随降雨等级和降雨次数的增加而增加.降雨等级越大,大气中的水汽含量越高,在高水汽浓度梯度作用下,扩散进入洞窟内的水汽越多,洞窟湿度增加的幅度越大.前期降雨使洞窟湿度在短期内迅速升高,后期降雨使洞窟湿度下降缓慢.可见,降雨过程中,降雨次数越多,洞窟高湿度状态的持续时间越长.
2.3 不同类型洞窟湿度变化
相同降雨条件下,洞窟湿度变化与洞窟开放程度和体积息息相关.根据洞窟湿度监测结果,不同等级降雨条件下,洞窟绝对湿度变化特征为C71>C16>C332,相对湿度大小和超过盐分潮解临界值(62%)的持续时间变化特征为C16>C71>C332.
洞窟与外界大气环境的连通性越好,扩散进入洞窟的水汽总量越多.C16与C332和C71相比,门窗的透气性比较好,水汽输送量最大.但是,由于C16体积远远大于C71,导致单位体积空气中的水汽含量变小,C16绝对湿度略小于C71.C71与C332门的大小和形制相同,水汽扩散通量基本相同.C71体积小于C332,单位体积空气中的水汽含量大,因此,C71绝对湿度大于C332.由此推断,洞窟体积相同时,绝对湿度大小表现为开放洞窟>半封闭洞窟>封闭洞窟; 洞窟开放程度相同时,绝对湿度大小表现为小型洞窟>中型洞窟>大型洞窟.
洞窟相对湿度受温度和绝对湿度共同影响.温度相同时,相对湿度大小与绝对湿度成正比,水汽含量相同时,相对湿度大小与温度成反比.莫高窟温度监测结果表明,降雨发生前2天,洞窟日平均温度表现为C16<C71,C332<C71.降雨期间,大气温度明显降低,但是,不同类型洞窟内温度与降雨前2天相比,差值小于2℃.C16与C71相比,C16体积比较大,洞室延伸至围岩深部,温度远低于C71.虽然C16绝对湿度略微小于C71,但在温度的反向主导作用下,相对湿度表现为C16>C71.同理,C71与C332相比,C71温度和绝对湿度均大于C332,在绝对湿度的正向主导作用下,相对湿度表现为C71>C332.可见,降雨天气,洞窟相对湿度增加主要是由绝对湿度增加引起的.不同开放程度和不同体积洞窟相对湿度变化特征与绝对湿度相同.