中汽中心盐城汽车试验场宏观气象规律分析*

于群 陈宏伟 张晓辉 崔晓川 李志国

（中汽研汽车检验中心（天津）有限公司）

整车道路性能试验是整车性能客观评价的重要组成部分，但是在室外汽车试验场中进行的整车道路试验受到气象、道路、轮胎等环境随机因素影响，试验结果波动较大，通常通过增加重复试验次数降低试验随机误差。而气象条件中，大气温度主要影响轮胎温度，风速、风向会影响汽车行驶过程中的气动特性，因而气象条件对汽车动态气动特性的影响规律比较复杂。我国汽车场地试验相关标准法规也对场地试验的气象条件、场地条件有着明确而严格的规定，但是往往很难保证试验一致性，并且大量重复试验使得试验成本增加。为了研究气象条件对汽车动态气动特性的影响规律，分析试验场地区总体的气象变化规律，文章对2018—2019 年中汽中心盐城汽车试验场（以下简称“盐城试验场”）气象数据进行宏观气象规律分析。

1 数据介绍

盐城试验场气象站气象数据采集位置，如图1 中星号标记位置所示。该位置处于T4 直线制动路与T5动态广场之间。气象数据采集时间间隔为5 min。风速风向采集点距地面高度分别为6 m 和1.5 m，文章中只使用距地面高度1.5 m 的风速风向数据。数据内容包括环境温度、环境湿度、大气压力、风向、瞬时风速、2 min 平均风速、10 min 平均风速、雨量间隔值、雨量日累计值。

图1 中汽中心盐城汽车试验场俯瞰图

2 环境温度

盐城市地处北亚热带气候向暖温带气候过渡地带，具有过渡性特征，且受海洋影响较大，季风气候较明显，冬季多偏北风而夏季多偏南风[1]。为了确定盐城试验场处气候的每个季节所在时间段，依据QX/T 152—2012《气候季节划分》，春季起始日定义为5 日滑动平均气温超过10 ℃的气温序列的第1 天；夏季起始日为5 日滑动平均气温超过22 ℃的气温序列的第1 天；秋季起始日为5 日滑动平均气温低于22 ℃的气温序列的第1 天；冬季起始日为5 日滑动平均气温低于10 ℃的气温序列的第1 天[2]。表1 示出2018—2019 年盐城试验场气候季节划分表。由表1 可知，盐城试验场当地的气候春秋两季持续时间较短，为期约2 个月；而冬夏两季持续时间较长，为期约4 个月。

表1 2018—2019 年盐城试验场气候季节划分表

图2 示出2018—2019 年盐城试验场日平均温度的变化曲线，日平均温度通过24 h 平均法计算得到。由图2 可知，春季气温波动较大，整体呈周期性上涨；夏季气温波动较小；秋季气温变化周期性不如春季明显，伴随一定随机性；冬季最低平均气温在0 ℃左右，基本不存在结冰现象。

图2 2018—2019 年盐城试验场日平均气温分布图

图3 示出2018—2019 年盐城试验场月平均气温变化曲线，可见每年气温变化呈相同的周期性变化，1 月份平均气温最低，7 月份和8 月份气温达到最高峰值。

图3 2018—2019 年盐城试验场月平均气温分布图

环境温度会影响到汽车各个系统部件的性能，例如：高温环境会使制动衬片温度升高、制动液冷却较慢，从而影响汽车的制动性能[3]；低温环境会使发动机缸体、机油温度降低，从而影响汽车冷启动性能等。但是环境温度日变化通常随日出而升高、日落而降低，波动并不剧烈。所以对于短时间内的汽车场地试验来说，可以忽略环境温度的影响。但是不同季节的场地试验间的对比就需要考虑环境温度因素的影响，因为不同环境温度下发动机负荷特性、轮胎温度等都有所不同。

3 风速

自然风是一种随机的空气湍流流动，由平均风和脉动风构成[4]。平均风速描述的是空间点处各个时间瞬时风速的平均值，反映该空间位置风速的稳态强度；脉动风速是指某时刻空间某点处瞬时风速与平均风速的差值，其概率密度分布接近于高斯分布，是一种典型的随机分布函数。

日间和夜间风速受气温变化导致的气压变化影响而有明显不同。日间风速通常大于夜间风速，日间瞬时风速波动通常也大于夜间瞬时风速波动。所以将日间风速和夜间风速（以6：00 和18：00 为分界点）分别绘制成曲线，曲线由日间、夜间时间段内所有10 min 平均风速数据计算平均值获得，如图4 所示。自然风是一种非线性的空气运动，服从混沌理论并具有很强的随机性[5]。从图4 中也可以看出，风速变化具有随机性，风速随季节变化并不明显，但夜间风速普遍低于日间风速。

图4 2018—2019 年盐城试验场日夜平均风速分布图

图5 示出2018—2019 年月平均风速变化曲线。根据图5 可以确定，盐城试验场所处地理位置的风速变化具有一定的随机性，但是日间风速和夜间风速具有很强的相关性。

图5 2018—2019 年盐城试验场月度平均风速分布图

汽车在道路上行驶过程中受到的气动阻力、升力、侧向力、俯仰力矩、横摆力矩、侧倾力矩会对汽车行驶特性产生影响[6]。由于随机性脉动风的存在，使得汽车受到的力和力矩也具有一定的随机性。随机性因素的存在也使自然风下汽车动态气动特性分析有一定复杂度。在后续研究中，将利用机器学习算法与混沌理论相结合，研究自然风湍流流场，以及自然风湍流流场对汽车动态气动特性的影响。

4 风向

风向在宏观尺度上受到季节和海洋等因素的影响，在微观尺度上受到地形、地表粗糙度、地表建筑物等因素的影响。自然风向也存在一定的随机性。将风向数据按季度分别绘制成玫瑰图，如图6 和图7 所示。图6和图7 中角度值代表风从该方向吹来，风向角0°表示正北，曲线向外扩散的程度表示该方向风向的频数。

图6 2018 年盐城试验场季度风向分布图

图7 2019 年盐城试验场季度风向分布图

分析图6 和图7 可知，盐城试验场冬季北风偏多，夏季偏南风偏多，并在春秋两季有风向变化逐渐过渡的趋势。说明盐城试验场的风向主要受季风影响。冬季风向角基本均匀分布于330～60°，夏季风向角则主要集中于120～150°。相对于冬季而言，夏季主要风向更为集中，变化较小。

图8 示出盐城试验场2018 年和2019 年年度风向累计分布图，由图8 可知，盐城试验场主要风向为北风、偏北风以及东南风，而风向角为 60～120°、180～270°的风相对较少。

图8 2018—2019 年盐城试验场风向累计分布图

不同季节风向的变化给不同季节汽车道路试验间的对比带来了一定的困难。尤其是对自然风比较敏感的试验，如滑行试验、经济性试验等。不同风向角的自然风对汽车气动特性影响的规律比较复杂，因而自然侧风是汽车侧风稳定性研究的热点，自然侧风分为非稳态侧风和稳态侧风2 种，非稳态侧风是汽车侧风稳定性研究的重点和难点[7]。

5 降雨

盐城试验场毗邻黄海，常年雨水充沛。图9 示出盐城试验场2018—2019 年降雨量分布图，由图9 可见，秋冬两季降雨量较少，而春夏两季降雨较多。7 月属于盐城试验场的雨季，会出现短期大量降雨天气。

图9 盐城试验场2018—2019 年降雨分布图

但是对于汽车场地试验来说，降雨天气意味着绝大多数场地试验由于路面附着系数的变化均无法正常进行。盐城试验场2018 年总降雨天数和中雨及以上降雨天数均比2019 年多，因此在此无须过多分析降雨天气以及降雨天气对汽车道路试验带来的影响。

6 结论

文章通过分析盐城汽车试验场2018—2019 年的宏观气象规律得出：1）气温、风速、风向、降雨量4 个气象条件的宏观规律各有不同但相互关联，并且各气象条件逐年变化，具有一定的规律性；2）文章为气象条件对汽车动态气动特性影响的研究奠定了理论基础，对实现整车道路试验边界条件精细化与可控化具有指导意义。