空氣中氯離子沉積速率的影響因素分析

郭贊洪，梁少燕，唐其環，劉聰，毛福軍

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.中國人民解放軍69008部隊，新疆 五家渠市 831300）

大氣腐蝕造成的損失對國民經濟的影響非常嚴重，影響大氣腐蝕的因素復雜眾多，主要包括材料本身以及外界環境條件，如氣溫、相對濕度、空氣中的腐蝕介質及海水浪高、海水溫度等。在沿海地區和島礁，由于臨近大海，這些地區的大氣中的氯離子較內陸多，氯離子成為影響金屬腐蝕的主要影響因子。空氣中氯離子對金屬的腐蝕是由于海鹽粒子（包含氯離子）容易被風攜帶并降在暴露的金屬表面上，在一定的相對濕度下，如果金屬表面不均勻或沉積有可溶性鹽粒，則水蒸氣優先在表面上的這些活性部位發生凝聚或吸附，進而形成電解液膜或液滴，這種液膜或液滴的存在加速了金屬的大氣腐蝕過程金屬的腐蝕愈加嚴重[1-6]。此外，ISO 9223-2012 《Corrosion of metals and alloys —Corrosivity of atmospheres —Classification,determination and estimation》[7]和 GB/T 19292.1-2018《金屬盒合金的腐蝕 大氣腐蝕性 分類》[8]都指出空氣中氯離子的沉積速率是大氣腐蝕性分類和評估的重要環境因素之一。因此，研究氯離子沉積速率的影響因素對研究氯離子沉積速率的分布以及進一步評估大氣腐蝕性等級都具有重要意義。

到目前為止，已有部分學者開展過氯離子沉積速率的研究工作，并發表了相關研究成果文章[14-18]，但分析氯離子沉積速率的影響因素的卻少有報道。空氣中氯離子沉積速率的影響因素較多，包括氣象環境因素、海水環境因素、地理環境因素等。文中重點分析了氣象環境因素（氣溫、相對濕度、風速、降雨量）和海水環境因素（海水有效波高、海水溫度）對氯離子沉積速率的影響，其他因素如風向、地形地貌等因素不在本項目中分析。

空氣中的氯離子沉積速率的采集方法已較為成熟，采樣方法主要有掛片法和濕燭法，分析方法較多。國內外都形成了相應的方法和標準[9-13]。筆者采用干片法采集空氣中的氯離子；采用灰色關聯法、pearson相關系數法、spearman相關系數法分析氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與空氣中氯離子沉積速率的相關系數，以此來分析氯離子沉積速率的影響因素。

1 試驗方法

1.1 采樣地點

采樣地點設在海南省中東部離海岸線距離約為350 m的地點。

1.2 采集方法及采集時間

空氣中氯離子沉積速率采集按照 GJB 8894.1-2017 標準[12]中的掛片法要求進行，每次放置3個平行樣，每次采樣周期為（30±2）天，最后取3個平行樣的數據平均值作為當月的氯離子沉積速率值。采集裝置如圖1所示。

圖1 采樣裝置安裝示意Fig.1 Installation diagram of sampling device

氣象數據按照GB/T 35221-2017《地面氣象監測規范》系列標準中的要求采集，通過統計各自然月采集的原始數據，求平均得到各個自然月的平均值，如平均氣溫、平均風速、平均相對濕度，累計求和獲取降雨量的月累計值。海水溫度和海水有效波高數據從國家海洋局獲取。

采樣時間段為2013年1月到2013年12月，共計1年12個月。

2 試驗數據

采集并統計了2013年1月到12月各月份的平均氣溫、平均相對濕度、平均風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度、氯離子沉降速率等數據，獲取的數據如圖2所示。

圖2 海南省中東部離海岸線350 m處原始環境數據Fig.2 Original environmental data for 350 meters from the coastline in the Middle East of Hainan Province

3 數據分析方法

灰色關聯分析法是根據因素之間發展趨勢的相似或相異程度，亦即“灰色關聯度”，是衡量因素之間關聯程度的一種方法。關聯度是指對于兩個系統之間的因素，其隨時間或不同對象而變化的關聯性大小的量度，稱為關聯度。在系統發展過程中，各因素的變化趨勢具有一致性，則同步變化程度較高，即二者關聯度較高，反之，則較低。灰色關聯度分析給一個系統的發展變化態勢提供了量化的度量，非常適合動態歷程分析。

pearson相關系數又稱pearson積矩相關系數，是用于度量兩個變量X和Y之間的線性相關。pearson相關系數的取值范圍為[－1,1]，當pearson相關系數大于0時，說明兩個變量正相關；當pearson相關系數小于0時，說明兩個變量呈負相關，當pearson相關系數為0時，說明兩個變量無關。pearson相關系數的絕對值越大，說明兩個變量之間的相關性越強。

spearman相關系數是用于度量兩個變量X和Y之間的相關性，并不一定是線性相關。同pearson相關系數一樣，spearman相關系數的取值范圍為[－1,1]；當spearman相關系數大于0時，說明兩個變量正相關；當 spearman相關系數小于0時，說明兩個變量呈負相關，當 spearman相關系數為0時，說明兩個變量無關。spearman相關系數的絕對值越大，說明兩個變量之間的相關性越強。

4 分析和討論

4.1 氯離子沉積速率的季節變化規律

根據表1中海南省中東部站近海岸線曝露場2013年的氯離子沉積速率數據，分別統計春季、夏季、秋季、冬季的氯離子沉積速率平均值。春季統計3月、4月、5月的氯離子沉積速率的平均值；夏季統計6月、7月、8月的氯離子沉積速率的平均值；秋季統計9月、10月、11月的氯離子沉積速率的平均值；冬季統計1月、2月、12月的氯離子沉積速率的平均值。統計結果見表1。海南省中東部站近海岸線曝露場2013年的氯離子沉積速率時序變化趨勢如圖3所示。

表1 海南省中東部離海岸線350 m處2013年春、夏、秋、冬氯離子沉積速率平均值Tab.1 Average values of chloride deposition rates in spring,summer, autumn and winter at 350 meters from the coastline in the Middle East of Hainan Province

圖3 海南省中東部離海岸線350 m處2013年各月份氯離子沉積速率時序變化Fig.3 Time series change chart of chloride deposition rate at 350 meters from the coastline in the Middle East of Hainan Province in each month of 2013

根據表1中統計的海南省中東部離海岸線350 m春季、夏季、秋季、冬季的氯離子沉積速率，秋季和冬季的氯離子沉積速率明顯大于春季和夏季的氯離子沉積速率，這與唐其環[19-20]研究海南省中東部站的氯離子沉積速率的季節變化規律是相同的。結合圖2也可以明顯看出，秋季和冬季的氯離子沉積速率明顯大于春季和夏季的氯離子沉積速率。

4.2 灰色關聯分析

利用SPSS軟件分別計算海南省中東部離海岸線350 m的氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的灰色關聯度，計算結果見表2。

從表2中可以看出，氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的灰色關聯度由高到低排序為：海水有效波高、風速、相對濕度、海水溫度、氣溫、降雨量。因此，海水有效波高與氯離子沉積速率的相關性最強。

表2 氯離子沉積速率與其他環境因素的灰色關聯度Tab.2 Gray correlation between the chloride deposition rate and other environmental factors

4.3 pearson相關系數法分析

利用SPSS軟件分別計算海南省中東部離海岸線350 m的氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的pearson相關系數，計算結果見表3。圖4為氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的兩兩因素變化趨勢。

表3 氯離子沉積速率與其他環境因素的pearson相關系數Tab.3 Pearson correlation coefficient between the chloride deposition rate and other environmental factors

從表3中的氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的 pearson相關系數可知，各因素的相關性從高到低排序為海水有效波高、風速、氣溫、相對濕度、降雨量、海水溫度，對應的 pearson相關系數分別為 0.821、0.440、-0.306、-0.286、0.144、-0.136。其中：氣溫、相對濕度、海水溫度與氯離子沉積速率呈現負相關；風速、降雨量、海水有效波高與氯離子沉積速率呈現正相關。從各因素與氯離子沉積速率相關性的顯著性分析可知，僅海水有效波高與氯離子沉積速率的 pearson相關系數在置信度 0.01水平（雙側）上顯著相關，而其他5種因素則不呈現顯著相關。

從圖4中可以看出，僅海水有效波高與氯離子沉積速率存在較好的線性關系，而其他5種環境因素與氯離子沉積速率沒有明顯的線性關系。因此，其他5種環境因素采用pearson相關系數法計算其與氯離子沉積速率的pearson相關系數不能代表其真實的相關程度，而海水有效波高則可以采用pearson相關系數代表其與氯離子沉積速率的相關性。

圖4 氯離子沉積速率與其他環境因素的變化趨勢Fig.4 Trend of the chloride deposition rate and other environmental factors: a) air temperature; b) relative humidity;c) wind speed; d) rainfall; e) significant wave height of sea water; f) sea water temperature

因此，氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度6種環境因素中，海水有效波高可以采用 pearson相關系數法計算出其與氯離子沉積速率的相關系數最大，為0.821，且計算結果在置信度 0.01水平（雙側）上顯著相關；而其他5種環境因素與氯離子沉積速率不呈現線性關系，則計算的 pearson相關系數不能表示與氯離子沉積速率的相關程度。因此，需采用spearman相關系數分析。

4.4 spearman相關系數法分析

利用SPSS軟件分別計算海南省中東部離海岸線350 m的氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的 spearman相關系數，計算結果見表4。

從表4中的氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的spearman相關系數可知，各因素的相關性從高到低排序為海水有效波高、氣溫、海水溫度、風速、相對濕度、降雨量，對應的spearman相關系數分別為0.850、-0.547、-0.420、0.386、-0.290、0.133；其中，氣溫、相對濕度、海水溫度與氯離子沉積速率呈現負相關，風速、降雨量、海水有效波高與氯離子沉積速率呈現正相關。從各因素與氯離子沉積速率相關性的顯著性分析可知，僅海水有效波高與氯離子沉積速率的spearman相關系數在置信度 0.01水平（雙側）上顯著相關；而其他5種因素則不呈現顯著相關。

圖5為氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的時序變化圖。

圖5 氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的時序變化Fig.5 Time series comparison of temperature, relative humidity, wind speed, rainfall, sea water effective wave height, sea water temperature and chloride deposition rate: a) temperature and chloride deposition rate; b) relative humidity and chloride deposition rate; c) wind speed and chloride deposition rate; d) rainfall and chloride deposition rate; e) sea water effective wave height and chloride deposition rate; f) sea water temperature and chloride deposition rate

表4 氯離子沉積速率與其他環境因素的spearman相關系數Tab.4 Spearman correlation coefficient between the chloride deposition rate and other environmental factors

結合圖5中氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度分別與氯離子沉積速率的時序變化對比，可以明顯看出海水有效波高與氯離子沉積速率的時序變化趨勢基本一致，而另外5種環境因素與氯離子沉積速率的時序變化趨勢對比不明顯。

5 結論

綜合灰色關聯分析法、pearson相關系數法、spearman相關系數法分析了海南省中東部地區氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率的相關性，以及對氯離子沉積速率的季節性規律的分析，得出以下結論：

1）氣溫、相對濕度、風速、降雨量、海水有效波高、海水溫度與氯離子沉積速率相關性，相關性最強的是海水有效波高，且呈顯著性正相關，即海水有效波高越高，氯離子沉積速率越大。

2）季節性影響明顯，秋季和冬季的氯離子沉積速率明顯大于春季和夏季的氯離子沉積速率。