基于三角函数探究我国不同地区温度和相对湿度变化规律_刘俊邦.pdf

352023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性摘要：对于各种材料、元器件或设备，自然环境中的温度与湿度对其老化行为有着重要影响。在探究其环境适应性以及使用寿命时，现行的实验室试验标准未能真实还原自然环境中温湿度的变化，难以对样品达到等效老化的效果。本文通过对实际自然环境温度与相对湿度的收集、分析、处理与归纳，利用三角函数对其进行拟合，探究各地区的温度与相对湿度变化规律，为实验室自然环境加速试验谱的编制提供支撑。关键词：温度；相对湿度；正弦函数；环境试验谱；环境适应性中图分类号：TN06 文献标识码：A 文章编号：1004-7204(2023)02-0035-07基于三角函数探究我国不同地区温度和相对湿度变化规律Investigated Variation Regularity of the Temperature and Relative Humidity in Different Regions Based on Trigonometric Function刘俊邦1，唐庆云1*，张腾2，张少锋1（1.工业和信息化部电子第五研究所，广州 510610；2.空军工程大学航空工程学院，西安 710100）LIU Jun-bang1,TANG Qing-yun1*,ZHANG Teng2,ZHANG Shao-feng1(1.CEPREI,Guangzhou 510610；2.Air Force Engineering University Aeronautical Engineering Institute,Xian 710100)A b s t r a c t：For various materials,components or equipment,the ambient temperature and relative humidity have an important impact on their aging behavior.The current laboratory test standards unable to restore the variation of the ambient temperature and relative humidity in the investigation of environmental adaptability and service life,which made it difficult to achieve equivalent aging effect on the samples.In this article,the ambient temperature and relative humidity were collected,analyzed,processed and summarized.The trigonometric function was used to fit the temperature and relative humidity,and the variation regularity of temperature and relative humidity in different regions were explored,which provided support for the establishment of accelerated test spectrum of natural environment in laboratory.K e y w o r d s：temperature;relative humidity;sine function;environmental test spectrum;environmental adaptability 引言各种材料、元器件以及设备在贮存、运输和服役过程中，其老化行为必定受环境温度和湿度的影响，环境的温湿度是影响贮存、运输和服役过程中材料、元器件和设备寿命、环境适应性的重要因素 1。在高温高湿下，基金项目：航空发动机及燃气轮机重大专项，项目编号：J2019-I-0016-0015。金属容易受腐蚀，高分子材料容易发生降解；并且在温度冲击效应下，湿度的变化，对材料和设备的结构性能产生影响，导致运动部件的卡紧或松弛，静电或绝缘失效导致短路，对材料的寿命影响较大，进而影响设备功能的完好性 2,3。36环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE对材料、元器件及设备的寿命、环境适应性考察分为自然环境试验和实验室加速环境试验。自然环境试验能够真实还原材料、元器件以及设备所经历的全过程，缺点在于试验时间长，地区差异大，多地区开展试验耗费金额高；实验室的加速环境试验虽然缩短了试验和评价时间，但是无法完全重现自然环境复杂的耦合情况 4。现行的 G J B 1 5 0.9 A中的温湿度加速试验采用的是通用环境应力，与自然环境的温湿度变化规律存在差异，无法真实还原样品的自然环境效应，难以达到等效评价样品老化行为的要求 5。因此收集实际环境温湿度数据，研究其变化规律，以此转化为具有等效老化效果的实验室加速试验温湿度谱，对研究材料、设备的老化行为具有重要意义。本文通过分析我国不同地区的温湿度数据，其变化规律近似呈现三角函数中的正余弦函数变化。通过理论分析建立地区自然环境温湿度的变化规律模型，利用各地区的历年气象实测数据拟合其三角函数曲线，探究各地区实测数据与拟合曲线的相关度以及影响因素，为编制实验室温湿度加速老化试验谱奠定基础 6。1地区温度与相对湿度数据的整理和曲线拟合1.1各地区的气象环境温湿度数据收集情况本文对我国的大气环境典型地区的气象环境温湿度进行收集，得到了新疆库尔勒、河北张家口、西藏阿里地区狮泉河、陕西临潼、广东遂溪与西沙永兴岛 6 个地区在 1 0 年间的环境温湿度数据，图 1 展示了各地区的地理位置分布。1.2气象环境温湿度数据分析整理与拟合各地区收集的气象数据持续时间为 1 0 年，可基本消除个别年份的气候异常所造成的误差影响。统计处理十年间的月平均温度和相对湿度，利用正弦函数对其进行拟合。温度的变化主要受到太阳辐射的影响，由于地球的公转与自转导致地球接受到的太阳辐射量符合正弦函数变化。地表附近的温度上升分为两种，一是大气直接受太阳辐射产生的温度上升，但大气对太阳辐射的直接接收能力较弱，该部分对地表附近的温度上升贡献较小；二是地表接收太阳辐射后通过逆辐射、对流、传导的方式，传递到大气中，对地表附近的温度上升做主要贡献，其热量的传递服从傅里叶定律。利用正弦函数对各地区的月平均温度进行数据建模。（1）式中：s 一年中的整月数；C 常数，是月平均温度第一次最接近年平均温度的整月数；Tm a x月平均温度最大值；Tm i n月平均温度最小值。地区的相对湿度受大气温度和绝对湿度的影响，根据多年的学者研究，在绝对湿度相对稳定的情况下，地区的温度与相对湿度成反比关系，因而利用正弦函数对各地区的月平均相对湿度进行数据建模。（2）式中：s 一年中的整月数；C 常数，是月平均相对湿度第一次最接近年平均相对湿度的整月数；图 1 气象环境温湿度数据收集地区372023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性R Hm a x月平均相对湿度最大值；R Hm i n月平均相对湿度最小值。1.2.1 新疆库尔勒图 2 展示了 2 0 0 3 2 0 1 2 年间新疆库尔勒月平均温度和月平均相对湿度的变化规律，并通过正弦函数对其进行拟合。从图中的温度和相对湿度变化规律可见，新疆库尔勒地区呈现典型的温带大陆性干旱气候。新疆库尔勒的年平均温度为1 2 ，其月平均温度最小值为-7 ，一般出现在 1 月；其月平均温度最大值为 2 7 ，一般出现在 7 月。其年平均相对湿度为 4 4%，月平均相对相对湿度最小值为 2 9%，一般出现在 4 6 月，月平均相对相对湿度最大值为 6 7%，一般出现在 1 2 月和 1 月。其月平均温度和月平均相对湿度的拟合曲线通过以上数据得到：（3）（4）月平均温度的拟合曲线与实测值决定系数达到0.9 6 4，两者为极强相关；月平均相对湿度的拟合曲线与实测值决定系数为 0.8 1 0，两者为强相关。1.2.2 河北张家口图 3 展示了 2 0 0 3 2 0 1 2 年间河北张家口月平均温度和月平均相对湿度的变化规律，并通过正弦函数对其进行拟合。从图中的温度和相对湿度变化规律可见，河北图 2 新疆库尔勒月平均温度和月平均相对湿度时序模型图图 3 河北张家口月平均温度和月平均相对湿度时序模型图(a)月平均温度(a)月平均温度(b)月平均相对湿度(b)月平均相对湿度38环境技术/Environmental Technology环境适应性和可靠性nvironmental Adaptability&ReliabilityE张家口地区呈现温带季风性气候。河北张家口的年平均温度为 9 ，其月平均温度最小值为-8 ，一般出现在1 月；其月平均温度最大值为 2 4 ，一般出现在 7 月。其年平均相对湿度为 4 6%，月平均相对相对湿度最小值为 3 4%，一般出现在 3、4 月，月平均相对相对湿度最大值为 6 0%，一般出现在 8 月。其月平均温度和月平均相对湿度的拟合曲线通过以上数据得到 （5）（6）月平均温度的拟合曲线与实测值决定系数达到0.9 9 0，两者为极强相关；月平均相对湿度的拟合曲线与实测值决定系数为 0.7 5 9，两者为强相关。1.2.3 西藏阿里地区狮泉河图 4 展示了 2 0 0 3 2 0 1 2 年间西藏阿里地区狮泉河月平均温度和月平均相对湿度的变化规律，并通过正弦函数对其进行拟合。从图中的温度和相对湿度变化规律可见，西藏阿里地区狮泉河呈现高原亚寒带干旱气候。西藏阿里地区狮泉河的年平均温度为 2 ，其月平均温度最小值为-1 1 ，一般出现在 1 月；其月平均温度最大值为 1 4 ，一般出现在 7 月。其年平均相对湿度为3 0%，月平均相对相对湿度最小值为 2 0%，一般出现在 1 1 月，月平均相对相对湿度最大值为 4 1%，一般出现在 8 月。其月平均温度和月平均相对湿度的拟合曲线通过以上数据得到：（7）（8）1 7 月：（9）8 1 2 月：月平均温度的拟合曲线与实测值决定系数达到0.9 8 0，两者为极强相关；两段月平均相对湿度的拟合曲线与实测值决定系数分别为 0.7 6 5 和 0.8 1 8，两者为强相关。1.2.4 陕西临潼图 5 展示了 2 0 0 3 2 0 1 2 年间陕西临潼月平均温度和月平均相对湿度的变化规律，并通过正弦函数对其进行拟合。从图中的温度和相对湿度变化规律可见，陕西临潼呈现温带大陆性季风气候。陕西临潼的年平均温度为1 4 ，其月平均温度最小值为 0 ，一般出现在 1 月；其月平均温度最大值为 2 6 ，一般出现在 7 月。其年平均相对湿度 6 6%，月平均相对相对湿度最小值为 5 1%，图 4 西藏阿里地区狮泉河月平均温度和月平均相对湿度时序模型图(a)月平均温度(b)月平均相对湿度392023 年 2 月/February 2023nvironmental Adaptability&ReliabilityE环境适应性和可靠性图 5 陕西临潼月平均温度和月平均相对湿度时序模型图图 6 广东遂溪月平均温度和月平均相对湿度时序模型图(a)月平均温度(a)月平均温度(b)月平均相对湿度(b)月平均相对湿度一般出现在4、6 月，月平均相对相对湿度最大值为8 1%，一般出现在 9 月。其月平均温度和月平均相对湿度的拟合曲线通过以上数据得到：