漠河低温工作极值及其统计方法探讨

张先勇，唐其环，张燕

（1. 西南技术工程研究所，重庆 400039； 2.漠河大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，黑龙江 漠河 165399）

漠河大气试验站是国防科技工业自然环境试验站网的寒冷试验站，位于黑龙江漠河县城郊，已成为我国装备低温自然环境适应性试验和评价的重要试验站，已开展大量装备及相关材料的自然环境适应性试验。漠河是我国最寒冷的地区，最低温度可达到– 52 ℃[1]，年平均温度仅–1.8 ℃，每年有两个多月的时间在–40 ℃以下，属于典型的北寒带寒冷森林型气候[2]。

低温几乎对所有的基体材料都有不利影响，对于暴露于低温环境的装备，由于低温会改变其组成材料的物理特性，对其性能会造成暂时或永久性的损害。GJB 50A列出了诸如材料的硬化和脆化、润滑油的润滑作用和流动性降低等12种环境效应[3]。对于锂离子电池，–10 ℃时，三元材料锂离子电池的放电功率衰减45%，磷酸铁锂电池衰减58%[4]。–40 ℃时，有的锂离子电池的放电容量只有室温时的12%[5]。对于天文望远镜，在低温环境下，传动系统由于润滑、间隙、材料特性等因素的影响，导致望远镜的负载扭矩增大，并具有非线性特性，甚至超过电机的峰值扭矩，从而卡死传动系统[6]。为了应对低温环境的影响，目前在南极和空间设备上主要采取的措施是被动温控、优选器件和隔离[7-9]。

工作极值和承受极值是GJB 1172中气象要素的两个重要极值概念，工作极值表征了保障军用设备正常工作的气象要素临界值，承受极值表征了军用设备不发生不可逆损坏的气象要素临界值。类似的标准还有GJB 4657[10]、MIL-STD-210[11]等，可见，工作极值和承受极值是气象要素数据在军用装备环境适应性评估和试验中的具体应用。然而，工作极值和承受极值的应用和发展并不理想，GJB 1172和GJB 4657发布了近30年，却一直没有更新过。以GJB 1172、工作极值、承受极值为关键词，在网上只查到1篇1995年发表的相关文献[12]，另外在1本2004年的会议论文集中找到1篇相关文献[13]；以气候极值为关键词，在维普上从2011—2020年只能查到15篇相关文献[14-18]；以再现期为关键词，在维普上从2010—2018年只查到6篇相关文献[19-22]。承受极值与气候极值的内涵是一致的，数据处理的方法也相同，但二者应用的领域不同。由于研究人员的关注点不同，承受极值的发展并没有提升军用装备环境适应性评估和试验的水平，更何况工作极值的研究远不如人们对承受极值的研究。

低温工作极值是低温保障设备正常工作的临界值，是描述低温的重要环境参数。GJB 1172.1列出了相应的统计方法：比较各月的月最高值或月最低值、月平均值、小于某一阈值的月天数选取严酷月，根据低温严酷月的逐时资料和时间风险率进行统计。不同的统计量所统计的工作极值是不相同的，统计时间长度还有1年、连续多年之分，这会影响统计结果，GJB 1172未予明确规定。文中根据漠河气象局、漠河试验站在漠河观测的温度日记时值数据，研究不同统计量和年份对统计的低温工作极值的影响。

1 观测数据

漠河气象局在东经122°31′、北纬52°58′，海拔433.0 m。文中研究数据取自漠河气象局1991—2005年每天2:00、8:00、14:00、20:00的4次温度数据，2011、2012年的日记时值温度数据。图1为漠河气象局温度4次数据的散点图。

图1 漠河气象局1991—2005年4次日记数据 Fig.1 Four diary data of the Mohe Meteorological Bureau from 1991 to 2005

2 数据处理方法

根据GJB 1172.1规定的方法，确定漠河的工作极值。比较各月的月最高值或月最低值、月平均值、小于某一阈值的月天数选取严酷月。将严酷月的逐时或逐次记录由小到大排序，按照式（1）确定的第i个记录为时间风险率等于t的工作极值。

式中：i为排序后的记录号；t为时间风险率；N为严酷月记录总数。

3 数据处理结果

3.1 严酷月的确定

3.1.1 月最低温度统计及严酷月的确定

对于低温，严酷月只会出现在冬季，严酷月只需要从1—3月、10—12月中选取即可。以月最低温度为基准，统计漠河各年冬季每月的最低温度，将月最低温度最低的月份确定为严酷月，其结果见表1。从表1知，1991—2015年和2011、2012年，严酷月的分布为：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温度及严酷月 Tab.1 Monthly lowest temperature and harsh months of winter in each year in Mohe

3.1.2 月平均温度统计及严酷月的确定

以月平均温度为基准，统计漠河各年冬季每月的平均温度，将平均温度最低的月份确定为严酷月，其结果见表2。从表2可知，1991—2015年和2011、2012年，严酷月的分布为：1月10次、12月7次。与最低温度选取的严酷月相比，2月、11月没有被选为严酷月的年份。

表2 漠河各年冬季每月的平均温度及严酷月 Tab.2 Monthly average temperature and harsh months of winter in each year in Mohe

3.1.3 温度小于–35 ℃每月天数统计及严酷月的确定

以温度小于–35 ℃每月天数为基准，统计漠河各年冬季每月的天数，以天数最多的月份确定为严酷月，其结果见表3。从表3可知，1991—2015年和2011、2012年，严酷月的分布为：1月11次、12月6次、2月1次。2月、11月没有被选为严酷月的年份。

表3 气象局数据年度温度小于–35 ℃的月天数统计 Tab.3 Meteorological Bureau data statistics of the number of monthly days with annual temperature below –35℃

3.1.4 从所有年份确定不同基准条件的严酷月

将1991—2005年，2011、2012年视为一个整体，统计不同基准条件各月的最低温度或最多天数，并确定相应的严酷月，统计结果见表4。从表4可知，3种基准条件统计结果都是1月份为严酷月。

表4 从所有年份确定不同基准条件的严酷月 Tab.4 Harsh months for different base conditions from all years

3.2 工作极值的确定

3.2.1 规定时间风险率的记录号

由于不同严酷月天数不同、每天数据采集次数不同、基准条件不同、漠河试验站观测数据存在一定的缺失等原因，严酷月的记录总数并不相同，按式（1）计算的规定时间风险率对应的记录号也不相同。严酷月记录总数和规定时间风险率对应的记录号见表5。

表5 严酷月数据记录总数及相应时间风险率的记录号 Tab.5 Data records number of harsh months and corresponding time risk rates

3.2.2 给定时间风险率的工作极值

根据气象局数据中漠河1991—2005年各年的严酷月、漠河站2011、2012年严酷月，分别组织相应的温度观测数据，并独立从小到大排序，各自选取规定时间风险率记录号对应的温度值，即可为相应的工作极值，不同基准条件统计的工作极值见表6。表6中I、II、III分别表示月最低温度、月平均温度和小于温度–35 ℃的每月天数。从表6可知，不同年份的严酷月并不相同，不同的基准条件所确定的严酷月在某些年份也不一样，这导致了所统计的工作极值有较大的差别。

4 分析与讨论

4.1 基准条件对工作极值统计结果的影响

从表6中筛选出有多种工作极值年份的统计数 据，统计给定时间风险率条件下工作极值的极差，即同一年内最高工作极值与最低工作极值之差，统计结果见表7。从表7可知，不同基准条件统计的低温工作极值有一定的偏差，最大极差值为3.7 ℃，约占工作极值的10%，平均极差值为1.5~1.8 ℃。

表7 不同基准条件统计给定时间风险率条件下工作极值的极差值 Tab.7 Range of operational extreme values under given timerisk rates and different base conditions ℃

上述统计结果表明，3种基准条件统计的工作极值有显著的差异，这会影响工作极值的推广应用。为此，需要界定基准条件，规范工作极值的处理方法，建议在给出工作极值的同时要给出相应的基准条件。

4.2 不同年份对工作极值统计结果的影响

对表6中的统计数据，统计给定时间风险率条件下工作极值的极差值、最大值、最小值、平均值和标准差，其中极差是指给定时间风险率条件下所有年份内最高工作极值与最低工作极值之差，统计结果见表8。从表8可知，不同年份统计的低温工作极值相差较大，极差值约为工作极值的30%，远远大于基准条件的影响，二者相差3倍，这是因为每年气象因素波动较大所致。

表8 不同年份给定时间风险率条件下工作极值的统计量 Tab.8 Statistics of operational extreme values under given time risk rates in different years ℃

4.3 数据缺失对工作极值统计的影响

自动气象站观测数据的缺失是在所难免的。数据缺失可分为缺失数据的多少、数据缺失的月份和时段3种情况，不同情况对工作极值的影响是不同的。

数据缺失的月份若不是严酷月，则数据缺失的多少和时段对工作极值的统计结果都没有任何影响。若缺失数据正好是严酷月份的逐时数据，必然会影响工作极值的统计，缺失较多时，甚至无法准确统计工作极值。工作极值统计方法要求是严酷月的逐时或逐次数据，这里的“逐”字，含有间隔时间相等的意思，否则无法确定时间风险率。因此，逐时数据有缺失时，可考虑转为逐次数据处理，为满足间隔时间相等的条件。逐次数据的“逐次”应为24的因子，即4次、6次、8次和12次。另外，若所缺失的逐时或逐次数据具有极值性，或直接拉低了平均值，还可能造成所确定的严酷月失真。

4.4 工作极值统计年限的要求

从算法看，GJB 1172在统计工作极值时未明确规定统计年限，一般理解为1年。由于不同年份的工作极值相差很大，对同一个地区会得到不同的工作极值，这会影响工作极值在装备环境适应性评估中的应用。为此，可合并多年的逐时数据或相同次数的逐次数据进行严酷月的确定和工作极值的统计，统计结果应给出数据的年限。

5 结论

综上所述，工作极值统计至少应给出：数据年限、基准条件、严酷月、时间风险率、与时间风险率对应的工作极值。漠河低温工作极值：数据年限为1991—2005年，基准条件为最低温度，时间风险率为1%、5%、10%、20%、30%，工作极值为–44.0、–40.7、–38.1、–35.6、–33.6 ℃。