莫高窟PM10浓度与气象要素的关系

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00089

莫高窟PM₁₀浓度与气象要素的关系

杨小菊^,¹^,²^,³, 赵学勇², 武发思¹, 张正模¹, 薛平¹, 陈章¹, 汪万福¹, 张国彬^,¹

1.敦煌研究院国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心/甘肃省敦煌文物保护研究中心，甘肃敦煌 736200

2.中国科学院西北生态环境资源研究院奈曼沙漠化研究站/乌拉特荒漠草原研究站，甘肃兰州 730000

3.中国科学院大学，北京 100049

Relationship of PM₁₀ concentration in Mogao Grottoes to meteorological elements

Yang Xiaoju^,¹^,²^,³, Zhao Xueyong², Wu Fasi¹, Zhang Zhengmo¹, Xue Ping¹, Chen Zhang¹, Wang Wanfu¹, Zhang Guobin^,¹

1.National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites / Gansu Provincial Research Center for Conservation of Dunhang Cultural Heritage，Dunhuang Academy，Dunhuang 736200，Gansu，China

2.Naiman Desertification Research Station / Urat Desert-Grassland Research Station，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

3.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

通讯作者: 张国彬（E-mail： 119234949@qq.com）

收稿日期: 2021-03-30 修回日期: 2021-07-13

基金资助:

国家自然科学基金项目.  32060258.  32060277
国家重点研发计划项目.  2020YFC1522200
甘肃省科技厅青年科技基金计划项目.  20JR5RA051
敦煌研究院院级课题.  2020-KJ-YB-7

Received: 2021-03-30 Revised: 2021-07-13

作者简介 About authors

杨小菊（1987—），女，甘肃临洮人，博士研究生，主要从事文化遗产地生态环境与文物保护研究E-mail：yangxiaoju@dha.ac.cn , E-mail：yangxiaoju@dha.ac.cn

摘要

采用2018年敦煌莫高窟第16窟窟内与窟区PM₁₀浓度及气象数据，分析PM₁₀时空分布特征及其影响因素。结果表明：（1）两处监测点PM₁₀浓度主要分布在50 μg·m^-3以下，受重污染天气影响较小；春、冬、秋、夏季依次降低，窟区PM₁₀浓度在春、冬季高于窟内，夏、秋季反之。（2）PM₁₀浓度3月最高，9月最低，5—9月窟内月均值高于窟区。PM₁₀污染日数窟内5月最多，而窟区3、5月较多。（3）PM₁₀浓度日变化曲线在春季和秋季呈“双峰”型，夏季和冬季呈“单峰”型。（4）在半封闭环境的洞窟内，沙尘暴发生前后，PM₁₀浓度达到极值及恢复至原来水平的时间均滞后于窟区。（5）在不同季节PM₁₀浓度与气温、风速和降水呈负相关。除秋季外，PM₁₀浓度与相对湿度、气压呈正相关。（6）窟区全年主风向为ESE，在冬春两季，此风向PM₁₀浓度最高，PM₁₀主要来自三危山前的戈壁滩、干涸的大泉河河道以及窟前裸露的地表积尘。

关键词： 莫高窟 ; PM₁₀ ; 变化特征 ; 气象要素 ; 文化遗产保护

Abstract

The PM₁₀ concentration and meteorological data in the cave 16 and the cave area of Mogao Grottoes in Dunhuang in 2018 were used to analyze the temporal and spatial distribution characteristics of PM₁₀ and its influencing factors. The results show that：（1） PM₁₀ concentrations at the two monitoring points are mainly distributed below 50 μg·m^-3， which are less affected by heavy pollution weather. Seasonal changes from high to low are spring， winter， autumn， and summer. The PM₁₀ concentration in the cave area is higher than that in the cave in spring and winter， and vice versa in summer and autumn. （2） The concentration of PM₁₀ was the highest in March and the lowest in September. The monthly average value in the cave from May to September was higher than that in the cave area. The number of PM₁₀ pollution days is the most in May in the caves， while March and May are more in the cave areas. （3） The diurnal variation curve of PM₁₀ concentration showed a "double peak" type in spring and autumn， and a "single peak" type in summer and winter. （4） In a cave with a semi-enclosed environment， before and after a sandstorm， the time for the PM₁₀ concentration to reach the extreme value and to recover to the original level lags behind the cave area. （5） PM₁₀ concentration is negatively correlated with temperature， wind speed and precipitation in different seasons. Except for autumn， PM₁₀ concentration is positively correlated with relative humidity and air pressure. （6） The main wind direction in the cave area throughout the year is ESE. In winter and spring， PM₁₀ concentration is highest in this wind direction. PM₁₀ mainly comes from the Gobi Desert in front of Sanwei Mountain， the dry Daquan River channel and the exposed surface dust in front of the cave.

Keywords： Mogao Grottoes ; PM₁₀ ; variation characteristics ; meteorological elements ; cultural heritage protection

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本文引用格式

杨小菊, 赵学勇, 武发思, 张正模, 薛平, 陈章, 汪万福, 张国彬. 莫高窟PM₁₀浓度与气象要素的关系. 中国沙漠[J], 2021, 41(6): 54-64 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00089

Yang Xiaoju, Zhao Xueyong, Wu Fasi, Zhang Zhengmo, Xue Ping, Chen Zhang, Wang Wanfu, Zhang Guobin. Relationship of PM₁₀ concentration in Mogao Grottoes to meteorological elements. Journal of Desert Research[J], 2021, 41(6): 54-64 doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00089

0 引言

大气颗粒物不仅可以作用于人体健康、大气过程及气候变化^［1］，还会对生态系统、植被、艺术品和建筑材料产生不利影响^［2］。随着大众对文化遗产价值认知的提升，大气颗粒物对文物古迹的损害影响已广受关注^［3-5］。Singh等^［6］发现印度泰姬陵PM₁₀季节变化明显，来源主要有地壳、车辆排放及工业排放等；蒋璐蔓等^［5］发现金沙遗址博物馆保护厅内、外PM_2.5污染严重；张二科等^［7］对“五一”长假前、后敦煌莫高窟空气质量分析发现，游客数量对莫高窟窟内、外空气质量有重要影响，其中大气总悬浮颗粒物（TSP）严重超标；李华等^［8］对秦始皇兵马俑博物馆陶器库室内、外空气质量研究发现，夏季PM_2.5的平均质量浓度及所含主要水溶性离子浓度低于冬季，且同一时期室外均高于室内，虽然馆内环境措施的实施和旅游条件的建设，有利于大气颗粒物浓度显著降低，但文物依然面临颗粒物酸性组分的长期威胁^［9］，对秦始皇兵马俑和汉阳陵遗址保存环境比较发现，封闭式的博物馆对室外颗粒污染物有一定的阻挡作用^［10］；贾文婷等^［11］对汉阳陵帝陵外藏坑保护展示厅遗址区研究发现，PM_2.5质量浓度夏季低于冬季；杨文妍等^［12］发现受人类活动影响，云冈石窟窟区大气PM_2.5浓度均值普遍高于办公区。中国西北地区分布有大量的文物古迹，可吸入颗粒物PM₁₀作为该区域污染物的主要组成^［13］，对文物完好保存有重要影响^［14］。

位于河西走廊最西端的世界文化遗产敦煌莫高窟，由于其干旱的气候特征及特殊的地理位置，新疆远距离传输及鸣沙山就地起沙，都会导致保护区大气颗粒物污染，尤其是在沙尘频发的春季，空气中大气颗粒物浓度急剧升高，PM₁₀成为首要大气污染物^［15］。大气颗粒物不仅磨蚀窟外崖体露天壁画，而且随空气交换进入洞窟，撞击窟内壁画、彩塑颜料层，或者潜入壁画裂隙，在重力作用下加速壁画脱落。沉降在颜料层表面的大气颗粒物，对壁画、彩塑造成覆盖污染，降低文物美学价值，同时对游客参观及工作人员健康也存在较大威胁。根据莫高窟游客参观管理制度，中、小型洞窟每次进窟参观的游客数量约为25人次，进入洞窟滞留时间约为10 min，前期球幕影院在一定程度上降低了窟内污染物聚集、缩短了游客进窟滞留时间，有效缓解了大客流带来的洞窟压力^［16］。20世纪50、60年代种植于窟前的杨树对窟区微气候环境有一定的缓冲作用^［17］，尤其是在夏季，植物叶片表面可滞留颗粒物，有效降低大气颗粒物浓度^［18］，提升文物保存环境质量。近年来，文化遗产保护理念已开始由对文物本体的抢救性保护向对文物及其赋存环境的预防性保护转变，莫高窟文物赋存环境中大气颗粒物的有效控制及阈值设定已成为文物保护中面临的主要技术瓶颈^［14］。

近年来，本研究团队主要对莫高窟PM₁₀颗粒物中化学元素组成、有机碳、离子特征等开展了相关研究，但主要限于短期内取样分析^［19-21］，缺少长期连续监测研究。本文采用2018年1—12月莫高窟窟区和第16窟窟内PM₁₀浓度的10 min观测数据，分析PM₁₀在两个监测位点的年度变化，重点剖析了沙尘天气、游客扰动及旅游高峰期等期间的变化，结合对应时段窟区气象站气象要素，分析PM₁₀与气象要素的相关性，确定窟区、窟内PM₁₀浓度变化的主要影响因素，为进一步完善莫高窟综合防沙治沙体系及建设监测预警体系以及洞窟文物保护和旅游开放决策提供参考。

1 数据采集与研究方法

1.1　研究区域概况

敦煌莫高窟（40°02′52.30″N、94°48′59.80″E，海拔1 334 m）重点保护区周边分布有戈壁、沙漠及河道等地表类型，为大陆性季风气候。年均气温10 ℃、相对湿度35%，年均降水量39 mm，年内分布极不均匀，集中在夏季和秋季，蒸发量大，沙尘天气集中在春、夏季。黄翠华等^［22］发现，莫高窟保护区风向多变，呈明显的偏南、偏西北和偏东北风向，偏南风频率最高，占49.5%，其次为偏西北风，占25.3%，偏东北风频率最低，为24.5%（图1）。本研究中监测位点如图2所示，分别为72窟前气象站（窟区环境，以下简称窟区）、第16窟窟内（窟内环境，旅游开放洞窟，以下简称窟内）。

图1

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图1 窟顶风向玫瑰图

Fig.1 Wind rose on the top of the cave

图2

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图2 采样点示意图

Fig.2 Schematic diagram of sampling points

1.2　PM₁₀监测

PM₁₀浓度监测仪器为美国Metone ES-642移动式粉尘颗粒物监测仪（量程为0—100 000 µg·m^-³），数据采集时间为2018年1月1日至12月31日，监测间隔为10 min。

1.3　气象监测

窟区（72窟前）、九层楼顶气象数据由敦煌研究院石窟监测中心监测预警系统平台提供，采集对应时间段气温、气压、相对湿度、风速、风向及降水量，监测间隔为10 min。

1.4　数据处理

参照《环境空气质量标准》（GB3095—2012）对PM₁₀有效数据进行判断，统计PM₁₀日平均质量浓度和月平均质量浓度。采用SPSS19.0和Excel 2016对数据进行统计分析，使用Pearson进行相关性分析，采用Origin16.0制图。

2 结果与分析

2.1　PM₁₀浓度的变化特征

由两处监测点PM₁₀每10 min浓度的概率分布（图3）可以看出，窟内0<PM₁₀≤50 μg·m^-3出现的频率最高，达到91.24%，其次为50 μg·m^-3<PM₁₀≤100 μg·m^-3，出现的概率为5.90%，随着PM₁₀质量浓度增加，PM₁₀出现的概率逐渐减小，当PM₁₀>300 μg·m^-3的极端事件出现的概率仅为0.80%；窟区和窟内概率分布基本一致，0<PM₁₀≤50 μg·m^-3出现的概率高达90.41%，50 μg·m^-3<PM₁₀≤100 μg·m^-3出现的概率为6.22%，PM₁₀>300 μg·m^-3出现的概率仅为1.18%。因此，莫高窟窟内、窟区PM₁₀污染浓度主要在50 μg·m^-3以下，这和李杨等^［23］研究发现的本溪市受重污染事件的影响较小、PM_2.5浓度多在25—100 μg·m^-3的结果相似，说明窟区、窟内受大风沙尘天气污染事件的影响较小，这可能主要和局部地形有关。

图3

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图3 窟内、窟区PM₁₀质量浓度概率分布

Fig.3 Probability distribution of PM₁₀ concentration in cave 16 （A） and outside the cave （B）

两处监测点PM₁₀浓度季节变化均呈春高夏低的“V”字形变化，各季节PM₁₀浓度由高到低分别为春、冬、秋、夏季（图4），这与中国西北地区的研究结果一致^［24］；窟内、窟区PM₁₀浓度年均值分别为26.2、25.7 μg·m^-3，远低于赵克明等^［25］在乌鲁木齐的研究结果（150 μg·m^-3）；窟内、窟区春季PM₁₀浓度分别是夏季的1.38、0.41倍。PM₁₀高浓度值通常与春季沙尘天气、气候干旱有关^［26］，西北干旱、半干旱区PM₁₀主要来源为就地起尘和远距离传输^［27-28］。由于敦煌春季和夏季多沙尘天气^［14］，莫高窟距离敦煌市25 km，周边无工业污染来源，洞窟崖体南北走向，东面为三危山，西面窟顶为戈壁砾石区，约1 km处为鸣沙山沙丘，为大风天气提供充足的沙源。窟前为大泉河，冬季和春季河道基本被冰覆盖，夏、秋季干涸，容易在大风条件下形成河道盐渍化土壤漂浮、迁移至窟区，而且莫高窟保护区位于沙漠包围的小型绿洲，窟区夏季太阳辐射强烈，气温高达25.87 ℃，剧烈的温度变化导致大气层结不稳定，空气对流活动强烈，促使污染物有效扩散。

图4

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图4 窟内、窟区PM₁₀质量浓度季节变化

Fig.4 Seasonal variation of PM₁₀ concentration in cave 16 （A） and outside the cave （B）

20世纪50—60年代种植的高大乔木，增大了夏季窟前地表植被覆盖度，有效地阻挡了东风，进而对污染物有很好的截留、阻滞作用，且夏季降水量累计达到9.2 mm，占全年降水量的82.88%，雨水的冲刷作用也会降低PM₁₀浓度；秋、冬季降水量极少，对PM₁₀沉降作用不明显，冬季气温低，平均仅为 -7.04 ℃，气候干燥，相对湿度为48.13%，地面风速小，逆温导致大气层结稳定，不利于污染物的扩散^［29］。

窟区PM₁₀浓度在春、冬季高于窟内，在夏、秋季低于窟内，这主要与春季沙尘天气和冬季较低的气温更容易造成窟区开放环境大气污染，以及夏季和秋季游客数量较多引起窟内大气颗粒物增加有关。

两处监测点PM₁₀浓度月均浓度及日均值超标率变化趋势一致，月际变化较大（图5）。窟内和窟区PM₁₀浓度均在3月最高（分别为42.87、47.66 µg·m^-3），9月最低（15.00、9.33 µg·m^-³），最高值远低于新疆喀什3月PM₁₀浓度最高为574.6 µg·m^-³的研究结果^［30］。由于河西地区3月冷空气活动频繁，且地表裸露，植被覆盖度极低，冷空气容易导致沙尘天气频发；6—9月窟区太阳辐射较强，大气层结不稳定，垂直扩散条件较好，且降水较多，对颗粒物有一定的冲刷作用^［31］，PM₁₀浓度较低；5、10月PM₁₀浓度较高，可能与“五一”和“十一”假期游客数量峰值有关；5—9月窟内PM₁₀浓度月均值高于窟区，由于5—9月为旅游旺季，游客数量约为150万人次，占全年总人数的84%，游客从外环境带入洞窟的颗粒物、游客进入洞窟扰动引起的二次降尘、游客参观期间窟门打开随气流交换进入洞窟的颗粒物及半封闭环境下窟内大气扩散条件差等可能是导致这几个月窟内PM₁₀浓度增加的主要原因；其他月份窟内PM₁₀浓度均低于窟区，主要和窟内门窗隔离形成的半封闭环境和窟区气象要素变化较大、污染物来源较充足有关。

图5

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图5 窟内、窟区PM₁₀质量浓度月均值及超标率

Fig.5 Monthly average concentration and the over-standard rate of PM₁₀ in cave 16 （A） and outside the cave （B）

大气颗粒物是影响空气质量的首要污染物^［32］，根据《环境空气质量标准》（GB 3095—2012：PM₁₀的24 h平均浓度一级限值为50 µg·m^-³）和《环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）》（HJ633—2012：PM₁₀ 24 h平均浓度污染等级，优，0—50 µg·m^-³；良，50—150 µg·m^-³；轻度污染，150—250 µg·m^-³；中度污染，250—350 µg·m^-³；重度污染350—420 µg·m^-³；严重污染>420 µg·m^-³）标准，由于莫高窟属于世界文化遗产，按照环境空气功能区分类划分为一类区中的其他需要特殊保护区域，因此以平均浓度一级限值为标准。窟内和窟区1—12月的日均值超标率变化范围分别为0—22.58%、0—25.81%，超标倍数变化范围分别为 1.02—4.54、1.02—6.20（图6）；窟内5月PM₁₀污染天数最多，为8 d，但空气质量均为良，3月轻度污染天数为2 d，10月为4 d，均无中度以上污染，窟区3、5月PM₁₀污染天数最多，分别为8 d，3月有1 d为轻度污染、1 d为中度污染，10月有2 d轻度污染、2 d中度污染、其余天气均为优或良，可能窟区较差的大气扩散条件、沙漠绿洲较大的温差及沙尘天气是引起窟区3、5月PM₁₀超标天数最多的主要原因，达标天数最多出现在7—9月。

图6

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图6 窟内、窟区空气质量百分比

Fig.6 Percentage of air quality in cave 16 （A） and outside the cave （B）

两处监测点PM₁₀浓度日变化曲线在春季和秋季呈“双峰”型，夏季和冬季呈“单峰”型（图7）。

图7

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图7 窟内、窟区PM₁₀四季质量浓度日变化

Fig.7 Diurnal variation of PM₁₀concentration during the four seasons in cave 16 （A） and outside the cave （B）

窟内春、夏季和秋季从06:00开始波动式增大，春季在12:00达到峰值，夏、秋季在15:00—16:00达到峰值后降低。与城市PM₁₀浓度主要受上、下班高峰期人群活动和机动车尾气排放影响不同^［33］，莫高窟窟内颗粒物污染主要受自然源及游客参观影响，因旅游旺季莫高窟游客数量多、时间段集中，尤其是夏季，06:00后随着洞窟开放，空气交换及游客参观使得PM₁₀浓度迅速增大。16:00以后，随着游客减少，PM₁₀浓度开始迅速下降，在夏、秋季夜间（23:00至次日06:00）保持一个较低的水平。春季18:00之后迅速升高后降低，由于其夜间多受冷空气的影响，PM₁₀浓度变化幅度大。冬季PM₁₀浓度从07:00开始波动式增大，20:00达到峰值后降低，由于冬季游客数量少，洞窟开放时间晚，PM₁₀浓度同时受到外界污染物输入影响。

窟区夏季PM₁₀浓度从05:00开始迅速升高，在06:00达到峰值后降低，之后保持较低的水平。敦煌地区夏季日出较早，白天太阳辐射强，沙漠气温迅速升高，与莫高窟保护区形成较大的温差，使得近地面大气层结极不稳定，有利于PM₁₀扩散迁移。随着下午太阳辐射减弱，空气对流减弱，污染物浓度开始累积，夜间地面因辐射冷却降温，低层大气容易形成逆温，污染物无法扩散，污染加重。春、秋季和冬季PM₁₀浓度升高较夏季延迟约1 h，春季在11:00达到第一个峰值后降低，在17：00达到最低后开始上升，并在19:00达到第二个峰值，秋季分别在07:00和14:00达到峰值，冬季波动式上升至20:00达到峰值后迅速降低。早上PM₁₀浓度升高的原因可能是由于逆温现象使得近地层大气对流较弱，不利于颗粒物扩散。

2.2　沙尘暴期间PM₁₀浓度的变化

莫高窟顶气象站可以代表保护区大环境特征，根据4月26日21:50—27日00:00气象数据记录（图8），风速10.42—16.58 m·s^-1，大于起沙风速（5 m·s^-1，2 m高度风速），莫高窟保护区出现沙尘暴天气。26日21:50开始风速、两处监测点PM₁₀浓度迅速增大，风速最高达到4.14 m·s^-1，主风向为南风，窟区PM₁₀浓度在22:00达到最高值994 μg·m^-3，窟内在23:00达到最高值105 μg·m^-3。由于此沙尘暴时段为莫高窟洞窟非参观时间，窟门关闭，污染物通过窟门缝隙、防沙网及窗户等水平输送进入窟内，引起窟内PM₁₀浓度达到最高值的时间滞后于窟区，并且最高值低于窟区，因此，沙尘暴期间关闭窟门十分必要。26日窟内、窟区日均PM₁₀浓度分别为33.97、44.34 μg·m^-3，远低于兰州市沙尘暴过程PM₁₀最大日均值2 355 μg·m^-3［34］，这主要与莫高窟窟区特殊的地形及风向等因素有关。27日00:00沙尘天气结束后，风速迅速降低，窟区PM₁₀浓度也迅速恢复至原来水平，而窟内在27日01:40后才恢复至原来水平，主要是窟内半封闭环境不利于污染物的扩散、迁移。沙尘暴结束后，相对湿度的最高值和最低值均低于沙尘暴发生前，而气温的最低值低于沙尘暴发生前、最高值高于沙尘暴发生前。

图8

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图8 沙尘暴期间PM₁₀质量浓度及气象要素变化

Fig.8 Variation of PM₁₀ mass concentration （A） and meteorological elements （B） during sandstorms

2.3　PM₁₀浓度与气象要素之间的相关性

除污染源外，大气颗粒物浓度还受气温、气压、风速及降水等气象要素的影响^［35］。较高的气温能够促进光化学反应，生成的二次粒子使PM₁₀等大气颗粒物浓度升高^［36］，气压可以对大气对流产生影响，进而改变大气颗粒物浓度^［37］，风速主要通过扩散、稀释及清除等方式降低大气颗粒物浓度^［38］，降水主要通过捕获大气中污染物，引起湿沉降而降低大气颗粒物污染^［39］。对莫高窟窟内、窟区PM₁₀浓度与各气象要素做相关性分析（表1），并对显著相关的数据做线性回归分析（图9）。两监测点在不同季节PM₁₀浓度与气温、风速和降水呈负相关。由于气温越高，气流活动越强烈，污染物更容易扩散，较大的风速也有利于污染物迁移，尤其在秋季和冬季，大风速有利于颗粒物的扩散、稀释。夏季窟内PM₁₀浓度与气温显著相关，则窟内PM₁₀浓度主要受气温的影响。窟区PM₁₀浓度与降水相关性最强，主要是夏季集中降水对污染物有较强的清除作用^［40］，秋季窟内PM₁₀浓度与风速显著相关。除秋季外，PM₁₀浓度与相对湿度、气压呈正相关，当相对湿度超过一定范围，颗粒物容易吸附在水汽表面，进而沉降到地面^［41］，莫高窟秋季相对湿度达到28.08%，容易形成湿沉降。高压时，气流下沉，颗粒物不易扩散，容易造成PM₁₀聚集^［42］，尤其是莫高窟夏季高压对PM₁₀浓度的影响更加明显；冬季窟内、窟区PM₁₀浓度与气温、相对湿度及风速显著相关，可能由于莫高窟冬季气温极低，相对湿度较高，风速较小，这种稳定的大气结构反而有利于污染物累积^［43］，这与尹延震等^［44］对南阳市研究结果一致。

表1 PM₁₀质量浓度与气象要素的相关系数

Table 1 Correlations coefficients between PM₁₀ mass concentration and meteorological elements

时间	监测点	气温	相对湿度	气压	风速	降水
春季	窟内	-0.089	0.148	0.088	-0.152	-0.038
春季	窟区	-0.098	0.149	0.062	-0.113	-0.055
夏季	窟内	-0.206^*	0.159	0.159	-0.073	-0.004
夏季	窟区	-0.140	0.065	0.077	-0.053	-0.088
秋季	窟内	-0.045	-0.039	-0.045	-0.239^*	-0.037
秋季	窟区	-0.087	-0.020	-0.073	-0.207	-0.032
冬季	窟内	-0.270^*	0.283^**	0.037	-0.271^**	-0.039
冬季	窟区	-0.234^*	0.294^**	0.013	-0.257^*	-0.030
全年	窟内	-0.070	0.003	-0.078	-0.113^*	-0.032
全年	窟区	-0.118^*	0.006	-0.136^**	-0.065	-0.040

**，在0.01水平（双侧）上显著相关；*，在0.05水平（双侧）上显著相关。

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图9

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图9 PM₁₀浓度与气象要素的线性关系

Fig.9 Linear relationship between PM₁₀ concentration and meteorological elements

从全年来看，两处监测点PM₁₀浓度与气温、气压、风速及降水呈负相关，与相对湿度呈正相关；PM₁₀浓度在窟内与风速显著相关，表明窟内颗粒物污染主要受外界空气交换影响，在窟区与气温、气压显著相关，且与气压相关性系数最大，则窟区颗粒物污染受局部气压的影响较大。

2.4　PM₁₀质量浓度在四季不同风向的分布

由于莫高窟洞窟分布在南北走向的崖体上，窟门朝东，不同的风向对洞窟内大气颗粒物浓度有重要影响。对不同季节各风向上PM₁₀质量浓度分布统计发现（图10），春季主导风向为ESE、SE，占比分别为18.89%、37.78%，且对应的PM₁₀质量浓度较高；夏季较高浓度的PM₁₀主要分布在E、S风向，但这两个风向占比低，SE、SSE为主导风向（28.26%、23.91%）；秋季在SE和SSW风向下PM₁₀浓度较高，E、ESE为主导风向（35.87%、43.48%），但PM₁₀浓度较低；冬季ESE、S风向PM₁₀浓度较高，尤其是ESE风向出现的频次最高（26.76%）。综合来看，莫高窟窟区全年风向主要为ESE，且在春季和冬季，这个风向上颗粒物浓度最高，SE风向出现的频率也高，这个风向上高速运转的沙尘对洞窟东壁壁画有重要影响^［45］。窟顶历年监测数据表明，沙漠戈壁区主要风向为偏南、偏西北和偏东北风^［22］，容易将远距离传输及戈壁砾石区沉积的沙尘搬运至窟区，因此，根据莫高窟地理位置及沙尘来源，窟区颗粒物污染主要来自三危山前的戈壁滩、干涸的大泉河河道以及窟前裸露的地表积尘。由于窟区在N、S风向易产生污染物累积，W和E风向利于污染物迁移，则窟区地面清洁及窟前绿化对莫高窟窟区环境的提升有重要意义。

图10

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图10 PM₁₀质量浓度在春季、夏季、秋季和冬季不同风向的分布

Fig.10 Distribution of PM₁₀ mass concentration in different wind directions in spring， summer， autumn and winter

3 结论

受局部地形影响，两处监测受大风沙天气污染事件的影响较小，不同季节PM₁₀浓度由高到低为春、冬、秋、夏季，窟内、窟区春季PM₁₀浓度分别是夏季的1.38、0.41倍，窟区PM₁₀浓度在春、冬季高于窟内，在夏、秋季低于窟内。

两处监测点PM₁₀浓度均在3月最高，9月最低。主要受游客数量影响，5—9月窟内PM₁₀浓度月均值高于窟区。窟内和窟区1—12月的日均值超标率分别为0—22.58%、0—25.81%，超标倍数分别为1.02—4.54、1.02—6.20，窟内5月PM₁₀污染天数最多，窟区3月、5月PM₁₀污染天数最多。

两处监测点PM₁₀浓度日变化曲线在春季和秋季呈“双峰”型，夏季和冬季呈“单峰”型，窟内冬季较其他季节PM₁₀浓度升高滞后1 h，窟区夏季早1 h，主要受早晚及夜间的低温及白天太阳辐射影响。

沙尘暴发生前后，窟内PM₁₀浓度最高值及恢复至原来水平的时间均滞后于窟区。两处监测点在不同季节PM₁₀浓度与气温、风速和降水呈负相关，除秋季外，PM₁₀浓度与相对湿度、气压呈正相关。春、夏、秋季和冬季PM₁₀质量浓度较高的风向主要为ESE和SE、E和S、SE和SSW、ESE和S。

参考文献

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被引期刊影响因子

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