唐其環(huán)，張先勇，張燕

（1.中國兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.重慶江津大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，重慶 402260）

敦煌地區(qū)降雨量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥，冬夏溫差和晝夜溫差都很大，輻射強(qiáng)度大，日照時(shí)間長(zhǎng)[1]，屬典型的暖溫帶干旱性氣候，干熱、干冷特征明顯。這些氣候環(huán)境特點(diǎn)會(huì)引起材料的性能退化，導(dǎo)致設(shè)備的損壞。由于材料的種類、產(chǎn)品的類別繁多，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)差異大，作用機(jī)理復(fù)雜，相關(guān)文獻(xiàn)都只列舉了一些材料和設(shè)備常見的環(huán)境效應(yīng)[2-7]。如高溫易降低產(chǎn)品的絕緣性能，材料膨脹不一致使得零部件變形卡死；低溫會(huì)降低蓄電池內(nèi)阻而使其容量下降，提高潤滑油脂黏度而加大摩擦力，工程塑料和橡膠材料變硬脆化；干燥氣候還會(huì)使材料龜裂，會(huì)產(chǎn)生靜電而對(duì)電子設(shè)備造成干擾等，多種環(huán)境應(yīng)力同時(shí)作用會(huì)加劇材料和產(chǎn)品的性能劣化。在敦煌、吐魯番等干熱地區(qū)，對(duì)工程塑料、橡膠等材料及制品、液壓系統(tǒng)等開展了大量的自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與研究[8-15]。很多文獻(xiàn)在數(shù)據(jù)分析時(shí)，將材料或產(chǎn)品性能的退化籠統(tǒng)歸結(jié)為干熱氣候的影響，實(shí)際上干熱氣候的地區(qū)，在夏季為干熱氣候，到了冬季則為干冷氣候，產(chǎn)品在該地區(qū)多年的自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果也包含有干冷條件引起的環(huán)境效應(yīng)。

暖溫帶干旱性氣候環(huán)境中，干熱、干冷條件是影響材料和產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的重要影響因素，但目前對(duì)干熱、干冷條件還不能進(jìn)行定量表征，這影響了材料和產(chǎn)品的干旱性氣候環(huán)境適應(yīng)性的評(píng)價(jià)。文中提出了干熱、干冷環(huán)境條件新的表征方法，并根據(jù)敦煌最近15 年的溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，研究得到了敦煌地區(qū)給定條件下的干熱與干冷環(huán)境特征，可為相關(guān)產(chǎn)品開展干熱、干冷自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)提供參考。

1 干熱、干冷環(huán)境條件表征方法

從相關(guān)文獻(xiàn)看，學(xué)術(shù)上并沒有嚴(yán)格區(qū)分干熱、干冷環(huán)境條件，籠統(tǒng)稱為干熱環(huán)境條件。表征方法大致可分為極值環(huán)境條件表征法、一般性統(tǒng)計(jì)表征法、給定條件表征法。

GB/T 21708[2]和GB/T 14093.5[3]分別列出了電工電子產(chǎn)品和機(jī)械產(chǎn)品無氣候防護(hù)場(chǎng)所的干熱氣候環(huán)境條件，這些條件大多為氣象因素的極值。

GB/T 21708[2]列出的干熱沙漠環(huán)境條件如下：最高氣溫為50 ℃；最低氣溫為-30 ℃；最大日溫差為40 ℃；低相對(duì)濕度，戶外為5%，戶內(nèi)為10%；太陽輻射強(qiáng)度為1120 W/m2；有凝露；地表最高沙土溫度為 80 ℃；最大風(fēng)速為 30 m/s；最大沙土濃度為4000 mg/m3；飄塵濃度為20 mg/m3；塵的沉積密度為80 mg/(m2·h)。

GB/T 14093.5[3]給出的無氣候防護(hù)場(chǎng)所干熱氣候環(huán)境條件為4K4L 和4K4S，查GB/T 4798.4[4]可知，4K4L 等級(jí)下有最高氣溫、最低氣溫、最高相對(duì)濕度、最低相對(duì)濕度、最高氣壓、最低氣壓、溫變速率、降雨強(qiáng)度、輻射等18 項(xiàng)條件的氣象因素極值。與GB/T 21708 相比，GB/T 14093.5 所列出的要素種類有較大差異，相同要素的范圍也有較大差異。如GB/T 21708中的最高溫度和最低溫度分別為 50 ℃和-30 ℃，GB/T 14093.5 則分別為35 ℃和-60 ℃。這兩種標(biāo)準(zhǔn)所列環(huán)境條件只是描述產(chǎn)品在干熱氣候環(huán)境中可能遭遇到的環(huán)境條件，不能用于自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果的定量分析。如析因分析，只可用于自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的代表性之類的定性分析。

所謂一般性統(tǒng)計(jì)表征法，就是列出當(dāng)?shù)啬承庀笠蛩氐囊恍┏Ｒ娊y(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如敦煌全年日照時(shí)數(shù)為3246.7 h，年平均降水量為 42.2 mm，蒸發(fā)量為2505 mm，年平均氣溫為9.9 ℃，最高氣溫為41.7 ℃，最低氣溫為-30.5 ℃。前述許多自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)文獻(xiàn)就是按這種方法表征試驗(yàn)環(huán)境的，盡管所列氣象因素不盡相同，但其表征的方法與此相同。顯然，這種方法所表征的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)雖然來源于當(dāng)?shù)氐膶?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但并不是由試驗(yàn)期間的觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得來，常常不知道其時(shí)空尺度，與試驗(yàn)期間的環(huán)境條件可能相差較大。如漠河歷史最低氣溫為1969 年2 月觀測(cè)到的-52.3 ℃[16]，后來記錄的年最低氣溫遠(yuǎn)高于該值，若以此分析試驗(yàn)結(jié)果，難免會(huì)造成較大的誤差。

所謂給定條件表征法，就是結(jié)合產(chǎn)品的特性和服役環(huán)境的特點(diǎn)，設(shè)置特定的環(huán)境條件，在實(shí)驗(yàn)室開展相應(yīng)環(huán)境試驗(yàn)的一種表征方法。王永濤以 35 ℃、RH50%作為干熱條件研究了干熱氣候?qū)炷潦┕さ挠绊慬17]。王黎軍、王潘勞、解宏偉、袁曉偉、戴大虎等以5 ℃、RH40%作為干冷條件研究了干冷條件對(duì)高性能混凝土強(qiáng)度的影響[18-19]。他們所用的表征方法就是所謂的給定條件表征方法。

2 數(shù)據(jù)處理方法

文中給定干冷、干熱的不同臨界溫濕度條件，統(tǒng)計(jì)全月和全年溫度、相對(duì)濕度滿足相應(yīng)臨界條件的時(shí)間占當(dāng)月和當(dāng)年的時(shí)間百分比，表征干冷、干熱特征。

以敦煌試驗(yàn)站最近10 年的溫度、相對(duì)濕度時(shí)值數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以溫度20、25、30 ℃為高熱條件，以溫度-5、0、5 ℃為寒冷條件，以相對(duì)濕度30%、40%、50%為干燥條件，分別統(tǒng)計(jì)不同溫濕度組合條件的干熱、干冷月份和全年時(shí)間百分比。以溫度、相對(duì)濕度4 次和24 次時(shí)值數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，分別統(tǒng)計(jì)25 ℃、40%溫濕度組合條件的干熱、干冷時(shí)間百分比。研究臨界條件、數(shù)據(jù)間隔時(shí)間對(duì)干熱、干冷特征的影響，并給出給定溫濕度條件的干熱、干冷特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 干熱時(shí)間分布統(tǒng)計(jì)

給定溫濕度臨界條件，根據(jù)24 次時(shí)值數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)敦煌2006—2015 年的月干熱時(shí)間分布，25 ℃、40%溫濕度臨界條件下月干熱時(shí)間分布如圖1 所示。從圖1 知，敦煌4—10 月份屬于干熱氣候，其中6、7 月份最為嚴(yán)酷，11 月份到次年的3 月份則不會(huì)出現(xiàn)干熱條件。在嚴(yán)酷月份，該臨界條件的月干熱時(shí)間占當(dāng)月時(shí)間的百分比可超過40%。從圖1 還可知，不同年份的月干熱時(shí)間百分比相差較大，7 月份的月干熱時(shí)間百分比最大值超過40%，最小值卻低于20%。經(jīng)計(jì)算，7 月份的月干熱時(shí)間百分比的標(biāo)準(zhǔn)差將近8%，其他月份的干熱時(shí)間百分比也具有此規(guī)律。全年干熱時(shí)間所占百分比的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值分別為10.0%、1.2%、11.9%和8%。

圖1 敦煌25 ℃、40%溫濕度臨界條件下月干熱時(shí)間分布Fig.1 Monthly dry-heat time distribution under 25 ℃, 40 %RH critical conditions in Dunhuang

3.2 干冷時(shí)間的月份分布

給定溫濕度臨界條件，根據(jù)24 次時(shí)值數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)敦煌2006—2015 年的月干冷時(shí)間分布。5 ℃、40%溫濕度臨界條件下月干冷時(shí)間的分布如圖2 所示。從圖2 可知，敦煌10 月份到次年的5 月份屬于干冷氣候，其中1、2 月份最為嚴(yán)酷，6—9 月份則不會(huì)出現(xiàn)干冷條件。在嚴(yán)酷月份，該臨界條件的月干冷時(shí)間占當(dāng)月時(shí)間的百分比可超過70%。從圖2 還可知，不同年份的月干冷時(shí)間百分比相差也較大，1 月份的月干冷時(shí)間百分比最大值超過70%，最小值卻約為3%。經(jīng)計(jì)算，1 月份的月干冷時(shí)間百分比的標(biāo)準(zhǔn)差將近23%。全年干冷時(shí)間所占百分比的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值分別為13.9%、4.2%、23.2%和7.9%。

圖2 敦煌5 ℃、40%溫濕度臨界條件下月干冷時(shí)間分布Fig.2 Monthly dry-cool time distribution under 5 ℃40 % RH critical conditions in Dunhuang

3.3 臨界條件對(duì)干熱、干冷時(shí)間分布的影響

根據(jù)24 次時(shí)值數(shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)敦煌在不同溫濕度臨界條件下2006—2015 年月干熱、干冷時(shí)間分布。干熱時(shí)間分布溫濕度臨界條件有：20 ℃-30%、20 ℃-40%、20 ℃-50%、25 ℃-30%、25 ℃-40%、25 ℃-50%、30 ℃-30%、30 ℃-40%、30 ℃-50%；干冷時(shí)間分布溫濕度臨界條件有：-5 ℃-30%、-5 ℃-40%、-5 ℃-50%、0 ℃-30%、0 ℃-40%、0 ℃-50%、5 ℃-30%、5 ℃-40%、5 ℃-0%。再分別統(tǒng)計(jì)不同臨界溫度、不同臨界相對(duì)濕度的各年的干熱、干冷時(shí)間百分比，統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別見表1、表2。

表1 臨界條件對(duì)敦煌干熱時(shí)間分布的影響Tab.1 Effect of critical conditions on the time distribution of dry-heat in Dunhuang %

表2 臨界條件對(duì)敦煌干熱時(shí)間分布的影響Tab.2 Effect of critical conditions on dry-heat time distribution in Dunhuang %

由表1、表2 可知，臨界溫度越高，干熱時(shí)間越長(zhǎng)，干冷時(shí)間越短；臨界相對(duì)濕度越高，干熱時(shí)間和干冷時(shí)間都會(huì)越長(zhǎng)，且不同年份臨界條件的影響程度是不同的。由此可知，要定量描述干熱、干冷時(shí)間或其百分比，必須明確溫濕度臨界條件。

由于產(chǎn)品特性的不同，干熱、干冷作用的臨界值也是不同的。在分析這二種環(huán)境要素對(duì)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)的影響時(shí)，需要根據(jù)產(chǎn)品的特性確定其臨界條件。對(duì)于一般性描述，可分別采用25 ℃-40%和5 ℃-40%的臨界條件進(jìn)行表征。

3.4 數(shù)據(jù)間隔時(shí)間對(duì)干熱、干冷特征統(tǒng)計(jì)的影響

在3.1—3.3 小節(jié)中統(tǒng)計(jì)分析的是24 次時(shí)值數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為1 h，統(tǒng)計(jì)每天2:00、8:00、14:00、20:00 的4 次時(shí)值數(shù)據(jù)，可得到數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為6 h的月干熱、干冷時(shí)間百分比分布，并分別計(jì)算4 次時(shí)值數(shù)據(jù)和24 次時(shí)值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的對(duì)應(yīng)月干熱時(shí)間百分比的差值和月干冷時(shí)間百分比的差值，如圖3、圖4所示。

圖3 間隔時(shí)間對(duì)月干熱時(shí)間百分比的差值影響柱狀圖Fig.3 Difference effect of interval time on the percentage of monthly dry-heat time

由圖3、圖4 可知，無論是干熱時(shí)間百分比，還是干冷時(shí)間百分比，4 次時(shí)值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和從24 次時(shí)值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果都有較大的誤差，其差值大多在5%以內(nèi)，最大的可達(dá)10%以上。因此，不同的數(shù)據(jù)間隔時(shí)間，對(duì)干熱時(shí)間百分比和干冷時(shí)間百分比的統(tǒng)計(jì)結(jié)果有較大的影響。

圖4 間隔時(shí)間對(duì)月干冷時(shí)間百分比的差值影響柱狀圖Fig.4 Difference effect of interval time on the percentage of monthly dry-cooling time

存在較大誤差的原因在于，在進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，當(dāng)溫濕度滿足臨界條件時(shí)，就認(rèn)為整個(gè)間隔時(shí)間的溫濕度都滿足臨界條件，而溫度、濕度在間隔時(shí)間可能因變化而有部分并不滿足臨界條件，這就會(huì)引入誤差。間隔時(shí)間越長(zhǎng)，引入誤差的可能性就越高。自動(dòng)氣象站觀測(cè)的溫度和相對(duì)濕度，一般會(huì)保存分鐘數(shù)據(jù)，從分鐘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果應(yīng)該比從24 次時(shí)值數(shù)據(jù)、4 次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果更準(zhǔn)確。因此，在條件許可時(shí)，優(yōu)先采用分鐘數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)干熱時(shí)間百分比和干冷時(shí)間百分比。

4 結(jié)論

綜上所述，給定條件法可以定量表征干熱、干冷環(huán)境特征。給定臨界溫度和相對(duì)濕度，以溫度高于臨界溫度、相對(duì)濕度低于臨界相對(duì)濕度的時(shí)間為干熱時(shí)間，以溫度低于臨界溫度、相對(duì)濕度低于臨界相對(duì)濕度的時(shí)間為干冷時(shí)間，以全年和各月的干熱時(shí)間、干冷時(shí)間分別占當(dāng)月、當(dāng)年總時(shí)間的百分比及各月的分布來表征干熱、干冷環(huán)境特征。具體表征參數(shù)有干熱時(shí)間和干冷時(shí)間的年百分比、月份分布的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值和最小值等。

臨界溫濕度條件應(yīng)根據(jù)材料的特性確定適當(dāng)?shù)臏囟群拖鄬?duì)濕度的臨界值，對(duì)于環(huán)境特性而言，建議采用25 ℃-40%和5 ℃-40%的溫濕度組合條件分別為干冷、干熱的臨界溫濕度條件。數(shù)據(jù)間隔時(shí)間對(duì)干熱、干冷環(huán)境特征表征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)有較大的影響，間隔時(shí)間越短，表征參數(shù)越真實(shí)，數(shù)據(jù)間隔時(shí)間不應(yīng)大于1 h，建議數(shù)據(jù)間隔時(shí)間為1 min。