漠河低溫工作極值及其統(tǒng)計(jì)方法探討

張先勇，唐其環(huán)，張燕

（1. 西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039； 2.漠河大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，黑龍江 漠河 165399）

漠河大氣試驗(yàn)站是國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)站網(wǎng)的寒冷試驗(yàn)站，位于黑龍江漠河縣城郊，已成為我國裝備低溫自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和評(píng)價(jià)的重要試驗(yàn)站，已開展大量裝備及相關(guān)材料的自然環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)。漠河是我國最寒冷的地區(qū)，最低溫度可達(dá)到– 52 ℃[1]，年平均溫度僅–1.8 ℃，每年有兩個(gè)多月的時(shí)間在–40 ℃以下，屬于典型的北寒帶寒冷森林型氣候[2]。

低溫幾乎對(duì)所有的基體材料都有不利影響，對(duì)于暴露于低溫環(huán)境的裝備，由于低溫會(huì)改變其組成材料的物理特性，對(duì)其性能會(huì)造成暫時(shí)或永久性的損害。GJB 50A列出了諸如材料的硬化和脆化、潤滑油的潤滑作用和流動(dòng)性降低等12種環(huán)境效應(yīng)[3]。對(duì)于鋰離子電池，–10 ℃時(shí)，三元材料鋰離子電池的放電功率衰減45%，磷酸鐵鋰電池衰減58%[4]。–40 ℃時(shí)，有的鋰離子電池的放電容量只有室溫時(shí)的12%[5]。對(duì)于天文望遠(yuǎn)鏡，在低溫環(huán)境下，傳動(dòng)系統(tǒng)由于潤滑、間隙、材料特性等因素的影響，導(dǎo)致望遠(yuǎn)鏡的負(fù)載扭矩增大，并具有非線性特性，甚至超過電機(jī)的峰值扭矩，從而卡死傳動(dòng)系統(tǒng)[6]。為了應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境的影響，目前在南極和空間設(shè)備上主要采取的措施是被動(dòng)溫控、優(yōu)選器件和隔離[7-9]。

工作極值和承受極值是GJB 1172中氣象要素的兩個(gè)重要極值概念，工作極值表征了保障軍用設(shè)備正常工作的氣象要素臨界值，承受極值表征了軍用設(shè)備不發(fā)生不可逆損壞的氣象要素臨界值。類似的標(biāo)準(zhǔn)還有GJB 4657[10]、MIL-STD-210[11]等，可見，工作極值和承受極值是氣象要素?cái)?shù)據(jù)在軍用裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估和試驗(yàn)中的具體應(yīng)用。然而，工作極值和承受極值的應(yīng)用和發(fā)展并不理想，GJB 1172和GJB 4657發(fā)布了近30年，卻一直沒有更新過。以GJB 1172、工作極值、承受極值為關(guān)鍵詞，在網(wǎng)上只查到1篇1995年發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)[12]，另外在1本2004年的會(huì)議論文集中找到1篇相關(guān)文獻(xiàn)[13]；以氣候極值為關(guān)鍵詞，在維普上從2011—2020年只能查到15篇相關(guān)文獻(xiàn)[14-18]；以再現(xiàn)期為關(guān)鍵詞，在維普上從2010—2018年只查到6篇相關(guān)文獻(xiàn)[19-22]。承受極值與氣候極值的內(nèi)涵是一致的，數(shù)據(jù)處理的方法也相同，但二者應(yīng)用的領(lǐng)域不同。由于研究人員的關(guān)注點(diǎn)不同，承受極值的發(fā)展并沒有提升軍用裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估和試驗(yàn)的水平，更何況工作極值的研究遠(yuǎn)不如人們對(duì)承受極值的研究。

低溫工作極值是低溫保障設(shè)備正常工作的臨界值，是描述低溫的重要環(huán)境參數(shù)。GJB 1172.1列出了相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)方法：比較各月的月最高值或月最低值、月平均值、小于某一閾值的月天數(shù)選取嚴(yán)酷月，根據(jù)低溫嚴(yán)酷月的逐時(shí)資料和時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。不同的統(tǒng)計(jì)量所統(tǒng)計(jì)的工作極值是不相同的，統(tǒng)計(jì)時(shí)間長度還有1年、連續(xù)多年之分，這會(huì)影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果，GJB 1172未予明確規(guī)定。文中根據(jù)漠河氣象局、漠河試驗(yàn)站在漠河觀測(cè)的溫度日記時(shí)值數(shù)據(jù)，研究不同統(tǒng)計(jì)量和年份對(duì)統(tǒng)計(jì)的低溫工作極值的影響。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

漠河氣象局在東經(jīng)122°31′、北緯52°58′，海拔433.0 m。文中研究數(shù)據(jù)取自漠河氣象局1991—2005年每天2:00、8:00、14:00、20:00的4次溫度數(shù)據(jù)，2011、2012年的日記時(shí)值溫度數(shù)據(jù)。圖1為漠河氣象局溫度4次數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖。

圖1 漠河氣象局1991—2005年4次日記數(shù)據(jù) Fig.1 Four diary data of the Mohe Meteorological Bureau from 1991 to 2005

2 數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)GJB 1172.1規(guī)定的方法，確定漠河的工作極值。比較各月的月最高值或月最低值、月平均值、小于某一閾值的月天數(shù)選取嚴(yán)酷月。將嚴(yán)酷月的逐時(shí)或逐次記錄由小到大排序，按照式（1）確定的第i個(gè)記錄為時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率等于t的工作極值。

式中：i為排序后的記錄號(hào)；t為時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率；N為嚴(yán)酷月記錄總數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

3.1 嚴(yán)酷月的確定

3.1.1 月最低溫度統(tǒng)計(jì)及嚴(yán)酷月的確定

對(duì)于低溫，嚴(yán)酷月只會(huì)出現(xiàn)在冬季，嚴(yán)酷月只需要從1—3月、10—12月中選取即可。以月最低溫度為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)漠河各年冬季每月的最低溫度，將月最低溫度最低的月份確定為嚴(yán)酷月，其結(jié)果見表1。從表1知，1991—2015年和2011、2012年，嚴(yán)酷月的分布為：1月9次、12月5次、2月2次、11月1次。

表1 漠河各年冬季每月的最低溫度及嚴(yán)酷月 Tab.1 Monthly lowest temperature and harsh months of winter in each year in Mohe

3.1.2 月平均溫度統(tǒng)計(jì)及嚴(yán)酷月的確定

以月平均溫度為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)漠河各年冬季每月的平均溫度，將平均溫度最低的月份確定為嚴(yán)酷月，其結(jié)果見表2。從表2可知，1991—2015年和2011、2012年，嚴(yán)酷月的分布為：1月10次、12月7次。與最低溫度選取的嚴(yán)酷月相比，2月、11月沒有被選為嚴(yán)酷月的年份。

表2 漠河各年冬季每月的平均溫度及嚴(yán)酷月 Tab.2 Monthly average temperature and harsh months of winter in each year in Mohe

3.1.3 溫度小于–35 ℃每月天數(shù)統(tǒng)計(jì)及嚴(yán)酷月的確定

以溫度小于–35 ℃每月天數(shù)為基準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)漠河各年冬季每月的天數(shù)，以天數(shù)最多的月份確定為嚴(yán)酷月，其結(jié)果見表3。從表3可知，1991—2015年和2011、2012年，嚴(yán)酷月的分布為：1月11次、12月6次、2月1次。2月、11月沒有被選為嚴(yán)酷月的年份。

表3 氣象局?jǐn)?shù)據(jù)年度溫度小于–35 ℃的月天數(shù)統(tǒng)計(jì) Tab.3 Meteorological Bureau data statistics of the number of monthly days with annual temperature below –35℃

3.1.4 從所有年份確定不同基準(zhǔn)條件的嚴(yán)酷月

將1991—2005年，2011、2012年視為一個(gè)整體，統(tǒng)計(jì)不同基準(zhǔn)條件各月的最低溫度或最多天數(shù)，并確定相應(yīng)的嚴(yán)酷月，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。從表4可知，3種基準(zhǔn)條件統(tǒng)計(jì)結(jié)果都是1月份為嚴(yán)酷月。

表4 從所有年份確定不同基準(zhǔn)條件的嚴(yán)酷月 Tab.4 Harsh months for different base conditions from all years

3.2 工作極值的確定

3.2.1 規(guī)定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的記錄號(hào)

由于不同嚴(yán)酷月天數(shù)不同、每天數(shù)據(jù)采集次數(shù)不同、基準(zhǔn)條件不同、漠河試驗(yàn)站觀測(cè)數(shù)據(jù)存在一定的缺失等原因，嚴(yán)酷月的記錄總數(shù)并不相同，按式（1）計(jì)算的規(guī)定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)應(yīng)的記錄號(hào)也不相同。嚴(yán)酷月記錄總數(shù)和規(guī)定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)應(yīng)的記錄號(hào)見表5。

表5 嚴(yán)酷月數(shù)據(jù)記錄總數(shù)及相應(yīng)時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的記錄號(hào) Tab.5 Data records number of harsh months and corresponding time risk rates

3.2.2 給定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率的工作極值

根據(jù)氣象局?jǐn)?shù)據(jù)中漠河1991—2005年各年的嚴(yán)酷月、漠河站2011、2012年嚴(yán)酷月，分別組織相應(yīng)的溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)，并獨(dú)立從小到大排序，各自選取規(guī)定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率記錄號(hào)對(duì)應(yīng)的溫度值，即可為相應(yīng)的工作極值，不同基準(zhǔn)條件統(tǒng)計(jì)的工作極值見表6。表6中I、II、III分別表示月最低溫度、月平均溫度和小于溫度–35 ℃的每月天數(shù)。從表6可知，不同年份的嚴(yán)酷月并不相同，不同的基準(zhǔn)條件所確定的嚴(yán)酷月在某些年份也不一樣，這導(dǎo)致了所統(tǒng)計(jì)的工作極值有較大的差別。

4 分析與討論

4.1 基準(zhǔn)條件對(duì)工作極值統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響

從表6中篩選出有多種工作極值年份的統(tǒng)計(jì)數(shù) 據(jù)，統(tǒng)計(jì)給定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率條件下工作極值的極差，即同一年內(nèi)最高工作極值與最低工作極值之差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。從表7可知，不同基準(zhǔn)條件統(tǒng)計(jì)的低溫工作極值有一定的偏差，最大極差值為3.7 ℃，約占工作極值的10%，平均極差值為1.5~1.8 ℃。

表7 不同基準(zhǔn)條件統(tǒng)計(jì)給定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率條件下工作極值的極差值 Tab.7 Range of operational extreme values under given timerisk rates and different base conditions ℃

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，3種基準(zhǔn)條件統(tǒng)計(jì)的工作極值有顯著的差異，這會(huì)影響工作極值的推廣應(yīng)用。為此，需要界定基準(zhǔn)條件，規(guī)范工作極值的處理方法，建議在給出工作極值的同時(shí)要給出相應(yīng)的基準(zhǔn)條件。

4.2 不同年份對(duì)工作極值統(tǒng)計(jì)結(jié)果的影響

對(duì)表6中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)給定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率條件下工作極值的極差值、最大值、最小值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，其中極差是指給定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率條件下所有年份內(nèi)最高工作極值與最低工作極值之差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8。從表8可知，不同年份統(tǒng)計(jì)的低溫工作極值相差較大，極差值約為工作極值的30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基準(zhǔn)條件的影響，二者相差3倍，這是因?yàn)槊磕隁庀笠蛩夭▌?dòng)較大所致。

表8 不同年份給定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率條件下工作極值的統(tǒng)計(jì)量 Tab.8 Statistics of operational extreme values under given time risk rates in different years ℃

4.3 數(shù)據(jù)缺失對(duì)工作極值統(tǒng)計(jì)的影響

自動(dòng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺失是在所難免的。數(shù)據(jù)缺失可分為缺失數(shù)據(jù)的多少、數(shù)據(jù)缺失的月份和時(shí)段3種情況，不同情況對(duì)工作極值的影響是不同的。

數(shù)據(jù)缺失的月份若不是嚴(yán)酷月，則數(shù)據(jù)缺失的多少和時(shí)段對(duì)工作極值的統(tǒng)計(jì)結(jié)果都沒有任何影響。若缺失數(shù)據(jù)正好是嚴(yán)酷月份的逐時(shí)數(shù)據(jù)，必然會(huì)影響工作極值的統(tǒng)計(jì)，缺失較多時(shí)，甚至無法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)工作極值。工作極值統(tǒng)計(jì)方法要求是嚴(yán)酷月的逐時(shí)或逐次數(shù)據(jù)，這里的“逐”字，含有間隔時(shí)間相等的意思，否則無法確定時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率。因此，逐時(shí)數(shù)據(jù)有缺失時(shí)，可考慮轉(zhuǎn)為逐次數(shù)據(jù)處理，為滿足間隔時(shí)間相等的條件。逐次數(shù)據(jù)的“逐次”應(yīng)為24的因子，即4次、6次、8次和12次。另外，若所缺失的逐時(shí)或逐次數(shù)據(jù)具有極值性，或直接拉低了平均值，還可能造成所確定的嚴(yán)酷月失真。

4.4 工作極值統(tǒng)計(jì)年限的要求

從算法看，GJB 1172在統(tǒng)計(jì)工作極值時(shí)未明確規(guī)定統(tǒng)計(jì)年限，一般理解為1年。由于不同年份的工作極值相差很大，對(duì)同一個(gè)地區(qū)會(huì)得到不同的工作極值，這會(huì)影響工作極值在裝備環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估中的應(yīng)用。為此，可合并多年的逐時(shí)數(shù)據(jù)或相同次數(shù)的逐次數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)酷月的確定和工作極值的統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果應(yīng)給出數(shù)據(jù)的年限。

5 結(jié)論

綜上所述，工作極值統(tǒng)計(jì)至少應(yīng)給出：數(shù)據(jù)年限、基準(zhǔn)條件、嚴(yán)酷月、時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率、與時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率對(duì)應(yīng)的工作極值。漠河低溫工作極值：數(shù)據(jù)年限為1991—2005年，基準(zhǔn)條件為最低溫度，時(shí)間風(fēng)險(xiǎn)率為1%、5%、10%、20%、30%，工作極值為–44.0、–40.7、–38.1、–35.6、–33.6 ℃。