我國沿海地區(qū)大氣環(huán)境特征及典型沿海地區(qū)大氣腐蝕性研究

馬長李，馬瑞萍，白云輝

我國沿海地區(qū)大氣環(huán)境特征及典型沿海地區(qū)大氣腐蝕性研究

馬長李1，馬瑞萍1，白云輝2

（1.海軍裝備研究院，北京100161；2.中國人民解放軍海軍92730部隊，海南 三亞 572016）

目的分析我國沿海地區(qū)大氣環(huán)境特征，研究典型沿海地區(qū)大氣腐蝕性。方法根據(jù)近50年歷史氣象數(shù)據(jù)以及實測介質(zhì)數(shù)據(jù)，分析我國沿海地區(qū)的氣溫、濕度、太陽輻射、鹽霧等主要環(huán)境因素的分布規(guī)律，并結(jié)合主要環(huán)境因素與腐蝕數(shù)據(jù)對典型沿海地區(qū)大氣腐蝕性進(jìn)行比較。結(jié)果給出了我國沿海地區(qū)主要大氣環(huán)境因素的量值范圍，以及典型沿海地區(qū)大氣腐蝕嚴(yán)酷度等級。結(jié)論我國沿海地區(qū)大氣環(huán)境特征南北差異較大。大部分地區(qū)的大氣腐蝕性等級為C3級或C4級，極個別海岸地區(qū)及海洋平臺可達(dá)到C5級。

沿海地區(qū)；大氣環(huán)境；環(huán)境因素；大氣腐蝕

我國是陸地大國，也是瀕臨北太平洋的海洋大國，有渤海、黃海、東海和南海四大海域，海域遼闊，面積約300萬km2，南北縱貫37個緯度，大陸海岸線約1.8萬km，島嶼海岸線約1.4萬km[1]。由于現(xiàn)階段國防戰(zhàn)略以及地緣環(huán)境決定，我國近海特別是東海、南海將是我軍軍事斗爭準(zhǔn)備的重點(diǎn)方向。了解我國沿海地區(qū)的主要大氣環(huán)境特征及大氣腐蝕性，是保障我軍沿海裝備部署使用、作好軍事斗爭準(zhǔn)備的重要前提。

1 概述

我國沿海地形以丘陵、山地為主，間或有少量的沖積平原，具有氣候類型多樣、南北差異大的特點(diǎn)。從北至南覆蓋了溫帶（丹東至連云港）、亞熱帶（連云港以南、除雷州半島外的大陸沿海）、熱帶（雷州半島、海南島、臺灣南部、南海島礁）三個氣候帶。除渤海沿岸及黃海部分沿岸地區(qū)為亞濕潤氣候（年降水量在400～800 mm）外，我國其他沿海地區(qū)均為濕潤氣候（年降水量超過800 mm）。我國沿海地區(qū)既受海洋氣候影響又受大陸氣候影響，屬于典型的季風(fēng)氣候，氣溫、降水隨季節(jié)變化較大。在溫帶和亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷少雨，夏季高溫多雨。在熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，全年高溫，冬季少雨，夏季多雨。

2 我國沿海地區(qū)氣象因素變化規(guī)律 分析

2.1 氣溫分布

如圖1所示，我國沿海地區(qū)均位于季風(fēng)區(qū)，受季風(fēng)氣候影響，年均氣溫普遍高于西部同緯度非季風(fēng)區(qū)。由于我國南北緯度跨越大，分布于不同氣候帶的沿海地區(qū)氣溫差異較大，渤海及黃海北部沿海地區(qū)年平均氣溫在8～12 ℃，黃海南部沿海地區(qū)年平均氣溫在12～16 ℃，東海北部沿海地區(qū)年平均氣溫在16～20 ℃，東海南部以及南海大部分沿海地區(qū)年平均氣溫在20～24 ℃，海南島大部及臺灣南部沿海地區(qū)年平均氣溫超過24 ℃[2]。

表1列出了1962—2011年我國典型沿海地區(qū)的年最高氣溫和年最低氣溫分布情況。我國沿海各地區(qū)年最高溫度以及歷史高溫極值相差較小，大部分沿海地區(qū)年最高溫度均在30～40 ℃之間波動。四大海域中，東海沿海最高氣溫高于其他海域。其中，浙江沿海及上海等地個別年份最高氣溫超過40 ℃，如舟山歷史最高氣溫達(dá)到40.2 ℃。

表1 部分沿海地區(qū)近50年年最高氣溫、年最低氣溫分布

就低溫環(huán)境而言，我國沿海地區(qū)南北差異較大[3]。渤海及黃海北部沿海地區(qū)（遼寧沿海）最低氣溫可達(dá)－20 ℃以下，如大連瓦房店歷史最低氣溫達(dá)－25.1 ℃。山東半島如青島沿海地區(qū)年最低氣溫在－15～－5 ℃，黃海南部及東海北部沿海地區(qū)如舟山等地區(qū)年最低氣溫在－10～0 ℃，東海南部地區(qū)及南海大部分沿海地區(qū)年最低氣溫在0～5 ℃，雷州半島、海南島及臺灣南部沿海地區(qū)年最低氣溫在5～15 ℃。

2.2 相對濕度分布

我國沿海地區(qū)因為降水量多，且靠近海洋，水汽來源大，相對濕度普遍較附近內(nèi)陸地區(qū)高。就各海域而言，東海和南海沿海地區(qū)濕度要高于渤海和黃海沿海地區(qū)。我國沿海地區(qū)年均相對濕度普遍超過60%，東海和南海沿海地區(qū)年均相對濕度普遍超過70%，部分地區(qū)年均相對濕度可超過80%，見表2。

表2 部分沿海地區(qū)近50年年均相對濕度分布

2.3 太陽輻射分布

因為總云量大、海拔低，我國沿海地區(qū)太陽輻射總量普遍較西部及華北內(nèi)陸地區(qū)低。如圖2所示，黃海、渤海以及南海部分沿海地區(qū)太陽輻射總量在5000～5850 MJ/(m2·a)。東海沿海地區(qū)太陽輻射總量在4150～5000 MJ/(m2·a)，反而低于黃海、渤海沿海地區(qū)。這主要是由于總云量大，日照時間短造成的。需要特別注意的是，由于緯度低，東南沿海地區(qū)在云量較低時，短期太陽輻射強(qiáng)度要高于北方沿海地區(qū)。

2.4 降水分布

我國沿海地區(qū)降水明顯高于內(nèi)陸地區(qū)。如圖3所示，黃海及渤海沿海地區(qū)年降水量在400～1000 mm，東海及南海沿海地區(qū)年降水量均超過1000 mm，南海部分沿海地區(qū)、海南島東南部以及臺灣中央山脈以東地區(qū)年降水量超過2000 mm。我國沿海24 h降水極值也是全國24 h降水極值出現(xiàn)在雷州半島，降水量達(dá)1188.2 mm。

3 我國沿海地區(qū)大氣腐蝕介質(zhì)因素規(guī)律分析

3.1 酸雨分布

如圖4所示，我國沿海地區(qū)酸雨（pH值低于5.6）主要集中在東南沿海，以長三角地區(qū)最為嚴(yán)重。這些地區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，SO2，NO2等大氣污染物排放量大，如浙江、上海等地化硫濃度年均值在0.1 mg/m3以上，雨水中酸性物質(zhì)較多，個別區(qū)域雨水pH值年均值低于4.5（屬于酸雨控制區(qū)）[4]。相比之下，北方工業(yè)區(qū)雖然也存在污染物排放問題，但由于北方土壤偏堿性，因為堿性塵粒的影響，北方雨水的pH值普遍較高。

圖4 2008年全國915個站點(diǎn)酸雨分布

3.2 鹽霧分布

鹽霧含量的影響因素是多方面的，氣候條件（風(fēng)向、風(fēng)速、濕度等）、水文條件（海浪）和地理環(huán)境（海岸線地貌、離海距離等）等因素均會影響鹽霧含量。

西南技術(shù)工程研究所于2005年春季、冬季在我國典型沿海地區(qū)進(jìn)行過兩次鹽霧監(jiān)測（各監(jiān)測點(diǎn)距海岸0～10 km）。如圖5所示，各海域的整體鹽霧水平存在差異，東南沿海略高于北方沿海。相比海域之間的差異，同一海域不同監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測結(jié)果差異更大。如海南萬寧站（離海350 m）鹽霧沉積速率比海南三亞（離海2 km）、?？冢x海3 km）等地測試結(jié)果高出一個數(shù)量級。這表明，相比海域、氣候的影響，離海距離、地形等具體環(huán)境條件對鹽霧水平的影響更顯著。

圖5 典型沿海地區(qū)氯離子沉積速率

鹽霧在海面上產(chǎn)生后，隨著上升氣流向內(nèi)陸傳播，在傳播過程中部分鹽粒由于重力的作用而沉降。因此在同一地區(qū)，隨著離海距離的增加，鹽霧的濃度及沉積速率均會下降[5]。有研究表明，鹽霧沉積速率與離海距離的關(guān)系近似于冪函數(shù)=aX的關(guān)系。其中為鹽霧沉積速率，為離海距離，值為正值，值為負(fù)值，具體數(shù)值隨年份和地域有所變化。

ISO 9223標(biāo)準(zhǔn)[6]根據(jù)氯離子沉積速率將鹽霧水平分為4個等級。按此標(biāo)準(zhǔn)，我國沿海絕大部分地區(qū)可劃為較低的S1級。離海岸500 m內(nèi)，礁石多、風(fēng)浪大的極少數(shù)海岸地區(qū)能超過S1級，如海南萬寧離海150～350 m范圍能達(dá)到較高的S2級，萬寧站海洋平臺達(dá)到最高的S3級。

4 典型沿海地區(qū)大氣腐蝕性

4.1 大氣腐蝕性等級概況

溫度、相對濕度、鹽霧是海洋大氣環(huán)境下影響金屬腐蝕的主要環(huán)境因素[7—9]。按ISO 9223標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境因素法，可根據(jù)潤濕時間、氯離子沉積速率對我國沿海地區(qū)大氣腐蝕性等級進(jìn)行初步劃分。我國沿海大部分地區(qū)的大氣腐蝕等級為C3級或C4級，在極個別海岸地區(qū)如海南萬寧離海150 m的試驗場和海洋平臺可達(dá)到C5級。

4.2 南海島礁環(huán)境特征及大氣腐蝕性分析

4.2.1 溫度特征

永暑礁、永興島和萬寧站的年平均溫度分別為28.2，27.3，24.6 ℃。南沙永暑礁與西沙永興島兩地的月平均溫度、最高溫度、最低溫度都很接近，最大相差不超過3 ℃。兩地都屬于全年溫差小、持續(xù)高溫的地區(qū)。萬寧站屬于熱帶季風(fēng)氣候，氣溫存在明顯的季節(jié)變化特征，高溫高于兩地，低溫以及月平均溫度均低于兩地，冬季的萬寧站與兩地的溫差達(dá)10 ℃左右。

4.2.2 相對濕度特征

永暑礁與永興島全年月平均相對濕度變化基本穩(wěn)定，大都在78%±4%范圍波動，年平均相對濕度在78%左右。萬寧站年平均相對濕度要高于永暑礁和永興島。2010—2011年，萬寧站、永暑礁、永興島的平均相對濕度分別為85%，78%，78%。

4.2.3 鹽霧水平分析

西南技術(shù)工程研究所于1999年4月在萬寧站、永興島兩地各選擇位置相當(dāng)?shù)?個監(jiān)測點(diǎn)，采用相同方法測得萬寧站氯離子濃度為0.3866，0.5470 mg/m3，永興島為0.2632，0.2378 mg/m3。于2013年6月在南沙永暑礁上測得一個周期氯離子沉積速率，結(jié)果為0.2127 mg/(100 cm2·d)，同期測得的萬寧站內(nèi)暴露場氯離子沉積速率0.3625 mg/(100 cm2·d)。從現(xiàn)有的少量數(shù)據(jù)來看，萬寧站氯離子濃度高于西沙永興島，氯離子沉積速率高于南沙永暑礁。雖然各測量點(diǎn)的地形地貌以及建筑物分布存在差異，測量結(jié)果代表性有限，但可以初步估計萬寧站鹽霧水平應(yīng)不低于西沙永興島和南沙永暑礁。

4.3 大氣腐蝕性比較

工業(yè)和信息化部電子第五研究所曾于1999年1月—2000年7月在西沙永興島、海南瓊海、廣州同期開展過Q235鋼18個月的戶外暴露試驗。腐蝕率分別為：永興島126.4 μm/a，瓊海49.3 μm/a，廣州39.6 μm/a[4]。西南技術(shù)工程研究所于2002年11月—2003年10月在萬寧站不同離海距離開展過Q235鋼1年的暴露試驗。腐蝕率分別為：近海場（離海170 m）315.4 μm/a，內(nèi)暴露場（離海350 m）42.9 μm/a，離海1000 m處35.2 μm/a。

永興島大氣腐蝕嚴(yán)酷程度介于萬寧站近海場與內(nèi)暴露場之間。按ISO 9223標(biāo)準(zhǔn)，永興島屬于大氣腐蝕性很高的C5級[10]。

南沙永暑礁因缺少完整的環(huán)境因素數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)金屬暴露試驗數(shù)據(jù)，難以對其大氣腐蝕性進(jìn)行準(zhǔn)確評估。鑒于其與萬寧站同屬濕熱海洋大氣環(huán)境，年均氣溫雖然較高，但年均相對濕度略低于萬寧站，短期氯離子沉積速率也略低于萬寧站內(nèi)暴露場，其大氣腐蝕性與萬寧站相當(dāng)或稍弱，屬于C5級或C4級。在缺少更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以前，該地區(qū)裝備及建筑物的腐蝕防護(hù)均應(yīng)按照大氣腐蝕性為C5級考慮。

5 結(jié)論

1）我國沿海地區(qū)南北氣溫差異大，渤海及黃海北部年均氣溫在8～12 ℃，黃海南部年均氣溫在12～16 ℃，東海北部年均氣溫在16～20 ℃，東海南部以及南海大部年均氣溫在20～24 ℃，海南島大部及臺灣南部年均氣溫超過24 ℃。最高溫度差異較小，大部分地區(qū)在30～40 ℃之間。東海沿海部分地區(qū)最高氣溫可超40 ℃。低溫差異較大，渤海及黃海北部最低氣溫可達(dá)－20 ℃以下，雷州半島、海南島及臺灣南部沿海地區(qū)年最低氣溫在5～15 ℃。

2）我國沿海地區(qū)太陽輻射總量普遍較西部及華北內(nèi)陸地區(qū)低。黃海、渤海以及南海部分沿海地區(qū)太陽輻射在5000～5850 MJ/(m2·a)，東海地區(qū)太陽輻射在4150～5000 MJ/(m2·a)。

3）我國沿海地區(qū)相對濕度較附近內(nèi)陸地區(qū)高。年均相對濕度普遍超過60%，東海和南海沿海地區(qū)年均相對濕度普遍超過70%，部分地區(qū)年均相對濕度可超過80%。

4）我國大部分沿海地區(qū)可劃為鹽霧水平較低的S1級。只有離海邊500 m內(nèi)，礁石多風(fēng)浪大的極少數(shù)海岸地區(qū)能超過S1級。我國沿海地區(qū)酸雨主要集中在東南沿海地區(qū)，以長三角地區(qū)最為嚴(yán)重，雨水pH值年均值低于4.5。

5）我國沿海大部分地區(qū)的大氣腐蝕性等級為C3級或C4級，在極個別海岸地區(qū)如海南萬寧近海場（離海350 m）及海洋平臺可達(dá)到C5級。西沙、南沙等南海島礁大氣腐蝕性等級屬于C5級或C4級，腐蝕防護(hù)應(yīng)按照大氣腐蝕性為C5級考慮。

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Characteristics of Atmospheric Environment in China′s Coastal Areas and Atmospheric Corrosion in Typical Coastal Regions

MA Chang-li1, MA Rui-ping1, BAI Yun-hui2

(1.Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China; 2.Unit 92730 of PLA, Sanya 572016, China)

Objective To analyze characteristics of atmospheric environment in China′s coastal areas, and study the atmospheric corrosivity in typical coastal areas. Methods According to meteorological data and measured data of corrosive medium in the past 50 years, the distribution law of main environmental factors such as temperature, humidity, solar radiation and salt fog in coastal areas of China were analyzed. Results The range of main atmospheric environmental factors in coastal areas of China and the severity degree of atmospheric corrosion in typical coastal areas were given. Conclusion Environmental characteristics of coastal areas in China have great differences between the north and the south. Atmospheric corrosion of most coastal areas is C3 or C4 class, that of very few coastal areas and offshore platforms up to C5.

coastal areas; atmosphere environment; environmental factors; atmospheric corrosion

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.013

TJ01；TG172

A

1672-9242(2017)08-0065-05

2017-03-15；

2017-05-03

馬長李（1982—），男，吉林長春人，工程師，主要研究方向為海軍裝備試驗研究。