敦煌地區干熱與干冷環境特征研究

唐其環，張先勇，張燕

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

敦煌地區降雨量少，蒸發量大，氣候干燥，冬夏溫差和晝夜溫差都很大，輻射強度大，日照時間長[1]，屬典型的暖溫帶干旱性氣候，干熱、干冷特征明顯。這些氣候環境特點會引起材料的性能退化，導致設備的損壞。由于材料的種類、產品的類別繁多，產品的結構差異大，作用機理復雜，相關文獻都只列舉了一些材料和設備常見的環境效應[2-7]。如高溫易降低產品的絕緣性能，材料膨脹不一致使得零部件變形卡死；低溫會降低蓄電池內阻而使其容量下降，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；干燥氣候還會使材料龜裂，會產生靜電而對電子設備造成干擾等，多種環境應力同時作用會加劇材料和產品的性能劣化。在敦煌、吐魯番等干熱地區，對工程塑料、橡膠等材料及制品、液壓系統等開展了大量的自然環境適應性試驗與研究[8-15]。很多文獻在數據分析時，將材料或產品性能的退化籠統歸結為干熱氣候的影響，實際上干熱氣候的地區，在夏季為干熱氣候，到了冬季則為干冷氣候，產品在該地區多年的自然環境適應性試驗結果也包含有干冷條件引起的環境效應。

暖溫帶干旱性氣候環境中，干熱、干冷條件是影響材料和產品環境適應性的重要影響因素，但目前對干熱、干冷條件還不能進行定量表征，這影響了材料和產品的干旱性氣候環境適應性的評價。文中提出了干熱、干冷環境條件新的表征方法，并根據敦煌最近15 年的溫度、相對濕度數據，研究得到了敦煌地區給定條件下的干熱與干冷環境特征，可為相關產品開展干熱、干冷自然環境適應性試驗提供參考。

1 干熱、干冷環境條件表征方法

從相關文獻看，學術上并沒有嚴格區分干熱、干冷環境條件，籠統稱為干熱環境條件。表征方法大致可分為極值環境條件表征法、一般性統計表征法、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品和機械產品無氣候防護場所的干熱氣候環境條件，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 ℃；低相對濕度，戶外為5%，戶內為10%；太陽輻射強度為1120 W/m2；有凝露；地表最高沙土溫度為 80 ℃；最大風速為 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]給出的無氣候防護場所干熱氣候環境條件為4K4L 和4K4S，查GB/T 4798.4[4]可知，4K4L 等級下有最高氣溫、最低氣溫、最高相對濕度、最低相對濕度、最高氣壓、最低氣壓、溫變速率、降雨強度、輻射等18 項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 ℃。這兩種標準所列環境條件只是描述產品在干熱氣候環境中可能遭遇到的環境條件，不能用于自然環境適應性試驗結果的定量分析。如析因分析，只可用于自然環境適應性試驗的代表性之類的定性分析。

所謂一般性統計表征法，就是列出當地某些氣象因素的一些常見統計數據，如敦煌全年日照時數為3246.7 h，年平均降水量為 42.2 mm，蒸發量為2505 mm，年平均氣溫為9.9 ℃，最高氣溫為41.7 ℃，最低氣溫為-30.5 ℃。前述許多自然環境適應性試驗文獻就是按這種方法表征試驗環境的，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計數據雖然來源于當地的實測數據，但并不是由試驗期間的觀測數據統計得來，常常不知道其時空尺度，與試驗期間的環境條件可能相差較大。如漠河歷史最低氣溫為1969 年2 月觀測到的-52.3 ℃[16]，后來記錄的年最低氣溫遠高于該值，若以此分析試驗結果，難免會造成較大的誤差。

所謂給定條件表征法，就是結合產品的特性和服役環境的特點，設置特定的環境條件，在實驗室開展相應環境試驗的一種表征方法。王永濤以 35 ℃、RH50%作為干熱條件研究了干熱氣候對混凝土施工的影響[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高性能混凝土強度的影響[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 數據處理方法

文中給定干冷、干熱的不同臨界溫濕度條件，統計全月和全年溫度、相對濕度滿足相應臨界條件的時間占當月和當年的時間百分比，表征干冷、干熱特征。

以敦煌試驗站最近10 年的溫度、相對濕度時值數據為研究對象，以溫度20、25、30 ℃為高熱條件，以溫度-5、0、5 ℃為寒冷條件，以相對濕度30%、40%、50%為干燥條件，分別統計不同溫濕度組合條件的干熱、干冷月份和全年時間百分比。以溫度、相對濕度4 次和24 次時值數據為研究對象，分別統計25 ℃、40%溫濕度組合條件的干熱、干冷時間百分比。研究臨界條件、數據間隔時間對干熱、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 結果與分析

3.1 干熱時間分布統計

給定溫濕度臨界條件，根據24 次時值數據，統計敦煌2006—2015 年的月干熱時間分布，25 ℃、40%溫濕度臨界條件下月干熱時間分布如圖1 所示。從圖1 知，敦煌4—10 月份屬于干熱氣候，其中6、7 月份最為嚴酷，11 月份到次年的3 月份則不會出現干熱條件。在嚴酷月份，該臨界條件的月干熱時間占當月時間的百分比可超過40%。從圖1 還可知，不同年份的月干熱時間百分比相差較大，7 月份的月干熱時間百分比最大值超過40%，最小值卻低于20%。經計算，7 月份的月干熱時間百分比的標準差將近8%，其他月份的干熱時間百分比也具有此規律。全年干熱時間所占百分比的平均值、標準差、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間分布Fig.1 Monthly dry-heat time distribution under 25 ℃, 40 %RH critical conditions in Dunhuang

3.2 干冷時間的月份分布

給定溫濕度臨界條件，根據24 次時值數據，統計敦煌2006—2015 年的月干冷時間分布。5 ℃、40%溫濕度臨界條件下月干冷時間的分布如圖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 月份最為嚴酷，6—9 月份則不會出現干冷條件。在嚴酷月份，該臨界條件的月干冷時間占當月時間的百分比可超過70%。從圖2 還可知，不同年份的月干冷時間百分比相差也較大，1 月份的月干冷時間百分比最大值超過70%，最小值卻約為3%。經計算，1 月份的月干冷時間百分比的標準差將近23%。全年干冷時間所占百分比的平均值、標準差、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 臨界條件對干熱、干冷時間分布的影響

根據24 次時值數據，分別統計敦煌在不同溫濕度臨界條件下2006—2015 年月干熱、干冷時間分布。干熱時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%。再分別統計不同臨界溫度、不同臨界相對濕度的各年的干熱、干冷時間百分比，統計結果分別見表1、表2。

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

表2 臨界條件對敦煌干熱時間分布的影響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，干熱時間越長，干冷時間越短；臨界相對濕度越高，干熱時間和干冷時間都會越長，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、干冷時間或其百分比，必須明確溫濕度臨界條件。

由于產品特性的不同，干熱、干冷作用的臨界值也是不同的。在分析這二種環境要素對產品環境適應的影響時，需要根據產品的特性確定其臨界條件。對于一般性描述，可分別采用25 ℃-40%和5 ℃-40%的臨界條件進行表征。

3.4 數據間隔時間對干熱、干冷特征統計的影響

在3.1—3.3 小節中統計分析的是24 次時值數據，即數據間隔時間為1 h，統計每天2:00、8:00、14:00、20:00 的4 次時值數據，可得到數據間隔時間為6 h的月干熱、干冷時間百分比分布，并分別計算4 次時值數據和24 次時值數據統計的對應月干熱時間百分比的差值和月干冷時間百分比的差值，如圖3、圖4所示。

圖3 間隔時間對月干熱時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，無論是干熱時間百分比，還是干冷時間百分比，4 次時值數據統計和從24 次時值數據統計的結果都有較大的誤差，其差值大多在5%以內，最大的可達10%以上。因此，不同的數據間隔時間，對干熱時間百分比和干冷時間百分比的統計結果有較大的影響。

圖4 間隔時間對月干冷時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，在進行數據統計時，當溫濕度滿足臨界條件時，就認為整個間隔時間的溫濕度都滿足臨界條件，而溫度、濕度在間隔時間可能因變化而有部分并不滿足臨界條件，這就會引入誤差。間隔時間越長，引入誤差的可能性就越高。自動氣象站觀測的溫度和相對濕度，一般會保存分鐘數據，從分鐘數據統計的結果應該比從24 次時值數據、4 次數據統計的結果更準確。因此，在條件許可時，優先采用分鐘數據統計干熱時間百分比和干冷時間百分比。

4 結論

綜上所述，給定條件法可以定量表征干熱、干冷環境特征。給定臨界溫度和相對濕度，以溫度高于臨界溫度、相對濕度低于臨界相對濕度的時間為干熱時間，以溫度低于臨界溫度、相對濕度低于臨界相對濕度的時間為干冷時間，以全年和各月的干熱時間、干冷時間分別占當月、當年總時間的百分比及各月的分布來表征干熱、干冷環境特征。具體表征參數有干熱時間和干冷時間的年百分比、月份分布的均值、標準差、最大值和最小值等。

臨界溫濕度條件應根據材料的特性確定適當的溫度和相對濕度的臨界值，對于環境特性而言，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。數據間隔時間對干熱、干冷環境特征表征參數的統計有較大的影響，間隔時間越短，表征參數越真實，數據間隔時間不應大于1 h，建議數據間隔時間為1 min。