濕熱海岸沙漠環(huán)境特征與干熱沙漠環(huán)境特征對比分析

趙全成，徐強，張凱，劉聰，王振海，劉翔

（1.甘肅敦煌大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 敦煌 736200；2.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；3.浙江省海洋巖土工程與材料重點實驗室，杭州 310058）

全球沙漠分布主要分布于南北緯15°～35°，如圖1所示。DEF STAN 00-35 《國防裝備環(huán)境手冊》將沙漠環(huán)境分為極干熱沙漠環(huán)境、干熱沙漠環(huán)境和濕熱海岸沙漠環(huán)境。極干熱沙漠環(huán)境溫度極高、太陽輻射極強，主要分布在北非、中東、印度北部、美國西南部、歐洲的最南部和澳洲大陸的大部分地區(qū)。干熱沙漠環(huán)境年最高溫度高、太陽輻射強，濕度中下，主要分布在中南亞、非洲北部、中國西部等地區(qū)。濕熱海岸沙漠環(huán)境溫度高，地表空氣中水汽含量高、太陽輻射強，主要分布在諸如波斯灣和紅海之類廣闊水域附近的高溫沙漠地區(qū)[1]。

圖1 全球主要沙漠分布情況Fig.1 Distribution of major deserts in the world

總的來說，沙漠環(huán)境具有夏季氣溫高、晝夜溫差大、太陽輻射強、空氣含塵率高、降水稀少的氣候特點[2-8]，會造成復(fù)合材料翹曲變形、涂層開裂粉化、玻璃應(yīng)力開裂、加速產(chǎn)品表面的磨蝕、活動部件卡死、元器件靜電失效、蓄電池自放電以及堵塞通風(fēng)管道和過濾裝置等[9-14]環(huán)境適應(yīng)性問題。我國的沙漠主要分布于西北地區(qū)，屬典型干熱沙漠環(huán)境，其環(huán)境特征主要表現(xiàn)為晝夜溫差大、空氣干燥、降水稀少、日照時間長、沙塵暴頻發(fā)、夏季干熱、冬季干冷等[15-16]。我國無極干熱沙漠環(huán)境和濕熱海岸沙漠環(huán)境，因此對這2種沙漠環(huán)境特征的研究較少。

從DEF STAN 00-35 《國防裝備環(huán)境手冊》[1]中的分類來看，極干熱沙漠環(huán)境相比于干熱沙漠環(huán)境只是“干熱”特征的嚴(yán)酷度更高，但從吉利汽車研究院在濕熱海岸沙漠環(huán)境與干熱沙漠環(huán)境特中開展的整車對比試驗來看，濕熱海岸沙漠環(huán)境中車漆腐蝕更嚴(yán)重，橡膠件老化更快[17-18]。為分析2種沙漠環(huán)境腐蝕老化差異的原因，有必要開展?jié)駸岷０渡衬h(huán)境特征與干熱沙漠環(huán)境特征的對比研究，尤其是隨著“一帶一路”等國家發(fā)展戰(zhàn)略的推進，我國產(chǎn)品和裝備必將有在波斯灣、紅海等區(qū)域的濕熱海岸沙漠環(huán)境中使用和服役需求，該項研究顯得更為迫切。

本文為研究濕熱海岸沙漠環(huán)境特征與干熱沙漠環(huán)境特征差異，收集和采集了濕熱海岸沙漠環(huán)境和干熱沙漠環(huán)境典型地區(qū)的環(huán)境因素數(shù)據(jù)，對比分析溫度、濕度、太陽輻射等環(huán)境要素的極值、月變化、累計作用日數(shù)和日變化，為濕熱海岸沙漠環(huán)境的模擬和產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的考核提供數(shù)據(jù)支撐。

1 環(huán)境數(shù)據(jù)選取及分析方法

阿布扎比處于阿拉伯沙漠東北角，年降雨量極少，屬于典型的沙漠環(huán)境，絕大部分地區(qū)寸草不生，阿布扎比也被譽為建在沙漠上的城市，阿布扎比北面與東面被波斯灣環(huán)繞，是DEF STAN 00-35《國防裝備環(huán)境手冊》中描述的典型濕熱海岸沙漠氣候類型環(huán)境，因此選取阿布扎比作為濕熱海岸沙漠特征環(huán)境代表點開展分析。敦煌在我國甘肅省最西端，處于庫姆塔格沙漠東南邊緣，屬于中緯度地區(qū)，最高氣溫高，太陽輻射強，日照時間長，降雨量少，蒸發(fā)量大，氣候干燥[19]，是典型的干熱沙漠氣候類型環(huán)境，因此選取敦煌為干熱沙漠環(huán)境特征代表點開展分析。選取敦煌、阿布扎比2009年1月至2018年12月大氣溫度、相對濕度、降水、太陽輻射等要素日數(shù)據(jù)開展對比分析。

對標(biāo)GJB 1172—1991《軍用設(shè)備氣候極值》[20]、DEF STAN 00-35《國防裝備環(huán)境手冊》[1]、MILHDBK-310軍事裝備研發(fā)用全球氣候數(shù)據(jù)[21]等，研究特征環(huán)境因素均值、極值、累計時數(shù)、晝夜循環(huán)等特征參數(shù)，掌握特征環(huán)境因素的各類風(fēng)險率與極值。

1）算術(shù)平均值。當(dāng)樣本數(shù)量不多時，可采用算術(shù)平均數(shù)作為平均水平的統(tǒng)計指標(biāo)，即將所有觀測數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn直接相加，其和除以樣本數(shù)量n，其計算表達式為：

式中：為所有樣本的平均值；xi為第i個樣本觀測值；n為樣本總數(shù)。

2）極值。針對采集或收集的自然環(huán)境因素樣本數(shù)據(jù)，需要分析其記錄年限內(nèi)的年度、月份、日的最高值或最低值，同時給出出現(xiàn)的時間、地點及其他有關(guān)情況。極大值和極小值的表達式為：

式中：Xi為樣本總體中第i個樣本的值；Xmax為樣本總體中的最大值；Xmin為樣本總體中的最小值。

3）變化幅度。針對采集或收集的自然環(huán)境因素樣本數(shù)據(jù)，需要分析其記錄年限內(nèi)的年度、月份、日的某一環(huán)境因素的變化幅度，同時給出出現(xiàn)的時間、地點及其他有關(guān)情況。變化幅度表達式為：

式中：ΔX為某時期內(nèi)變化幅度；Xmax為樣本總體中的最大值；Xmin為樣本總體中的最小值。

2 結(jié)果及分析

2.1 溫度

2.1.1 極值

從表1和圖2—4中可知，2009—2018年10年內(nèi)，阿布扎比全年平均氣溫約29 ℃左右，偏差約1 ℃，全年平均氣溫在11 ℃左右，偏差約1 ℃?？梢?，兩地年平均氣溫較為穩(wěn)定，濕熱海岸沙漠年平均氣比干熱沙漠高約18 ℃。阿布扎比年最高溫度平均為46.5 ℃，年最高溫度為47.2 ℃，出現(xiàn)在2017年，敦煌年最高溫度平均為40.5 ℃。可見，相比于干熱沙漠，濕熱海岸沙漠極端高溫更高。阿布扎比年最低溫度平均為11.6 ℃，年最低溫度10.4 ℃，出現(xiàn)在2010年。敦煌年最低溫度平均為–20.6 ℃，年最低溫度為–22.3 ℃，可見濕熱海岸沙漠最低溫度比干熱沙漠高30 ℃。阿布扎比年溫差約35 ℃，敦煌年溫差約60 ℃，可見濕熱海岸沙漠常年高溫且夏季酷熱，而干熱沙漠地區(qū)表現(xiàn)為大的年溫差，且為典型的夏季高溫、冬季低溫的特征。

表1 2009—2018年阿布扎比與敦煌溫度要素對比Tab.1 Comparison of temperature factors in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

圖2 2009—2018年阿布扎比與敦煌年平均溫度變化特征Fig.2 Annual average temperature variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

圖3 2009—2018年阿布扎比與敦煌年最高溫度變化特征Fig.3 Annual maximum temperature variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

圖4 2009—2018年阿布扎比與敦煌年最低溫度變化特征Fig.4 Annual minimum temperature variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

2.1.2月變化

計算2009年1月至2018年12月阿布扎比與敦煌的月平均溫度、月最高溫度、月最低溫度的平均值，結(jié)果如圖5所示。

圖5 2009—2018年阿布扎比與敦煌平均溫度、最高溫度、最低溫度月變化特征Fig.5 Monthly variation characteristics of average temperature, maximum temperature and minimum temperature in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018: a) Abu Dhabi; b)Dunhuang

從圖5中可知，阿布扎比的月平均氣溫在19～37 ℃，有近4個月超過35 ℃，敦煌月平均氣溫在–6～28 ℃，有2個多月低于0 ℃。由此可見，濕熱海岸沙漠環(huán)境全年高溫，全年溫度最低月平均氣溫也接近20 ℃，而干熱沙漠環(huán)境氣溫有著明顯的月度變化，有明顯的冷熱變化。對于產(chǎn)品和裝備溫度適應(yīng)性來說，在濕熱海岸沙漠環(huán)境主要考慮耐極高溫，而干熱沙漠環(huán)境既要考慮耐高溫，也要考慮耐低溫。

2.1.3 累積作用時間

采集阿布扎比2009年1月至2018年12月年的觀測數(shù)據(jù)，以月最高溫度超過35 ℃作為嚴(yán)酷月篩選依據(jù)。經(jīng)篩選，高溫嚴(yán)酷月為2013年7月，可篩選出阿布扎比高溫嚴(yán)酷年為2013年。由于濕熱海岸沙漠年最低氣溫在10 ℃以上，因此不存在低溫嚴(yán)酷特性。阿布扎比高溫嚴(yán)酷年氣溫累計作用天數(shù)變化情況如圖6所示。

圖6 阿布扎比最高氣溫年累計作用年天數(shù)變化情況Fig.6 Variation of annual cumulative effect of maximum temperature in Abu Dhabi

從圖6中可以看出，阿布扎比最高溫度全年超過20 ℃，高氣溫嚴(yán)酷年份中，溫度的極大值為47.2 ℃，溫度超過35 ℃的天數(shù)為190 d，高溫天氣全年累計超過半年，溫度超過40 ℃的天數(shù)為107 d，溫度超過45 ℃的天數(shù)有8 d。這表明濕熱海岸沙漠地區(qū)具有長年氣溫高且持續(xù)時間長的特征，并易出現(xiàn)極端高溫情況。

采集敦煌2009年1月至2018年12月年的觀測數(shù)據(jù)，以月平均最低或最高溫度作為嚴(yán)酷月篩選依據(jù)。經(jīng)篩選，高溫嚴(yán)酷月和低溫嚴(yán)酷月分別為2010年8月和2011年1月，由此可篩選出干熱沙漠地區(qū)的低溫年份和高溫年份分別為2011年和2010年。敦煌地區(qū)低氣溫與高氣溫年累計作用天數(shù)變化情況如圖7所示。

從圖7中可以看出，低溫嚴(yán)酷年份中，敦煌最低溫為–22.5 ℃，且最低溫度低于0 ℃的天數(shù)為141 d，占全年占比38.6%。干熱沙漠地區(qū)全年有超過1/4的時間氣溫在0 ℃以下，體現(xiàn)了了冬季溫度低，且持續(xù)時間長的特點。高溫嚴(yán)酷年份中，溫度的極大值為40.7 ℃，溫度超過35 ℃的天數(shù)為31 d，高溫天氣全年累計超過1個月，表明干熱沙漠地區(qū)具有夏季氣溫高、持續(xù)時間長的特征。

2.1.4日溫差

選取阿布扎比和敦煌2013年的觀測數(shù)據(jù)，計算晝夜溫差，制作晝夜溫差對比曲線，如圖8所示。經(jīng)計算，2013年阿布扎比平均日溫差約為12 ℃，最大日溫差為17.2 ℃，敦煌年溫差約為14 ℃，最大日溫差為22.7 ℃。從圖8中可知，干熱沙漠日溫差略大于濕熱海岸沙漠，濕熱海岸沙漠年最大溫差主要集中在夏季最炎熱時間段，而干熱沙漠最大溫差主要出現(xiàn)在春季。綜上所述，濕熱海岸沙漠與干熱沙漠兩地均處在沙漠環(huán)境，具有共同的晝夜溫差大的特征，但由于濕熱海岸沙漠受海洋氣候的影響，溫差略小于干熱沙漠。

圖8 阿布扎比與敦煌2013年度晝夜溫差變化特征Fig.8 Variation characteristics of diurnal temperature difference in Abu Dhabi and Dunhuang in 2013

綜上所述，在濕熱海岸沙漠環(huán)境中使用的產(chǎn)品需要加強極端高溫適應(yīng)性和長期高溫適應(yīng)性設(shè)計，戶外機械、電子設(shè)備散熱性能需極大加強。塑料、橡膠等高分子材料在濕熱海岸沙漠環(huán)境更容易發(fā)生變形，彎曲等現(xiàn)象。

2.2 濕度

統(tǒng)計阿布扎比與敦煌年平均相對濕度、月平均相對濕度進行對比分析，結(jié)果如圖9、10所示。經(jīng)計算，2009—2018年阿布扎比平均相對濕度為約為45%，敦煌相對濕度約為34%，兩地年均相對濕度穩(wěn)定在10 a平均相對濕度附近，偏差為3%。從圖9、圖10中可看出，兩地均明顯呈現(xiàn)冬季相對濕度高，夏季相對濕度低的特點，而阿布扎比最低相對濕度月對應(yīng)氣溫最高的7—8月，而敦煌平均相對濕度最低月出現(xiàn)在春季3—5月?？梢?，受海洋氣候的影響，濕熱海岸沙漠平均相對濕度比干熱沙漠高11%，濕熱海岸沙漠日溫差也較大，因此濕熱海岸沙漠比干熱沙漠更容易出現(xiàn)結(jié)露的現(xiàn)象。金屬表面由于結(jié)露形成的液膜可以提供腐蝕的環(huán)境，更易發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，更高的溫度也意味著金屬有更高的活性。因此，金屬材料在濕熱海岸沙漠環(huán)境中的腐蝕速率將遠(yuǎn)大于干熱沙漠環(huán)境。

圖9 2009—2018年阿布扎比與敦煌平均相對濕度年變化特征Fig.9 Annual variation characteristics of average relative humidity in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

2.3 輻射特征

采集2013年1月至2018年12月阿布扎比與敦煌的觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計年總輻射、月平均輻射進行對比分析，如圖11、12所示。2013—2018年阿布扎比的年總輻射約為7 600 MJ/m2，敦煌的年總輻射約為6 500 MJ/m2，阿布扎比總輻射比敦煌多16%，這與阿布扎比緯度較低，處于北回歸線附近有關(guān)。從輻射月變化來看，阿布扎比月總輻射始終高于敦煌，在冬季敦煌月總輻射急劇降低至300 MJ/m2，僅為最大輻射月輻射量1/2不到，而阿布扎比各月輻射量均維持在較高水平。結(jié)合圖11與圖12分析，可發(fā)現(xiàn)溫度變化趨勢與輻射變化趨勢基本一致。由于海岸沙漠處于較低緯度地區(qū)，因此海岸沙漠總輻射明顯高于干熱沙漠環(huán)境。對于對輻射比較敏感的高分子材料來說，更強的輻射會加劇分子鍵的斷裂，濕熱海岸沙漠環(huán)境下的塑料、橡膠等高分子材料更容易發(fā)生老化，壽命會更短。

圖11 2013—2018年阿布扎比與敦煌年總輻射變化特征Fig.11 Annual total radiation variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2013 to 2018

圖12 2013—2018年阿布扎比與敦煌輻射月平均變化特征Fig.12 Monthly average variation characteristics of radiation in Abu Dhabi and Dunhuang from 2013 to 2018

2.4 降水特征

采集2013年1月至2018年12月阿布扎比與敦煌的觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計年降水量進行對比分析，如圖13所示。從圖13中可知，2009—2018年，阿布扎比平均年降水量約為60 mm，敦煌平均年降水量約為50 mm，兩地年均降水量均較小，阿布扎比略大于敦煌。從年際變化來看，敦煌年降水量在平均降水量上下小幅度波動，最大年降水量不足70 mm，而阿布扎比年降水量波動極大。分析其原因，干熱沙漠由于地處內(nèi)陸，大氣水汽含量較少，難以滿足形成降水必要的水汽條件，因此降水較少；濕熱海岸沙漠在大部分時間中有沙漠降水量少的特性，但受海洋氣候影響，在海洋猛烈向陸地輸送水汽時，易形成數(shù)倍于平均值的降水，導(dǎo)致濕熱海岸沙漠降水量年分布差異極大。在干熱沙漠環(huán)境中，降水稀少，降水也很快會被蒸發(fā)，但濕熱海岸沙漠環(huán)境降水分布差異極大，因此仍需加強裝備和產(chǎn)品的防水設(shè)計。

圖13 2009—2018年阿布扎比與敦煌年降水量變化特征Fig.13 Annual precipitation variation characteristics in Abu Dhabi and Dunhuang from 2009 to 2018

3 結(jié)論

1）濕熱海岸沙漠環(huán)境高溫嚴(yán)酷程度遠(yuǎn)高于干熱沙漠環(huán)境，濕熱海岸沙漠年平均氣溫比干熱沙漠高約17 ℃，最高氣溫達到47.2 ℃。濕熱海岸沙漠環(huán)境溫度月變化小于干熱沙漠環(huán)境，海岸沙漠環(huán)境溫度超過35 ℃的天數(shù)遠(yuǎn)大于干熱沙漠環(huán)境。2種沙漠環(huán)境共同具有晝夜溫差大的特征，但由于海岸沙漠受海洋氣候的影響，溫差略小于干熱沙漠。在濕熱海岸沙漠環(huán)境中使用的產(chǎn)品需加強耐極端高溫和長期高溫的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，高分子材料更易變形。

2）受海洋氣候的影響，海岸沙漠環(huán)境濕度比干熱沙漠環(huán)境高約10%，因此海岸沙漠更容易出現(xiàn)結(jié)露的現(xiàn)象，造成濕熱海岸沙漠環(huán)境腐蝕速率將遠(yuǎn)大于干熱沙漠環(huán)境。

3）海岸沙漠環(huán)境總輻射高于干熱沙漠環(huán)境，海岸沙漠環(huán)境月輻射量均維持在較高水平，而干熱沙漠環(huán)境在冬季月總輻射急劇降低。濕熱海岸沙漠環(huán)境下的塑料、橡膠等高分子材料更容易發(fā)生老化，壽命會更短。

4）2種沙漠環(huán)境的年均降水量均較小，受海洋氣候影響，海岸沙漠環(huán)境降水量年分布差異極大。濕熱海岸沙漠環(huán)境需加強裝備和產(chǎn)品的防水設(shè)計。