陕西省高速公路路面温度特征及预报模型

　　摘要:利用2013年8月至2017年12月陕西高速公路交通气象站的路面温度、气温、相对湿度、风速等资料和全球大气再分析资料云量数据，分析四季不同天空状况下路面温度的分布特征，研究路面温度与气象因子的关系，建立多元回归方程。结果表明:四季路面温度有明显的日变化规律，雪后，00:00—08:00为路面结冰较易发生时段;气温是影响路面温度变化的最重要因子之一;对比路面温度实测值与预报值，回归模型对冬季路面最低温度的拟合效果较优，相关系数在0.94以上，标准差小于1，误差在±2℃的频率为98%。此外，模型对路面0℃低温预报水平较高。

　　关键词:路面温度;气温;回归方程;路面结冰;冬季

　　引言

　　在现代化经济高速发展的今天，高速公路是国家交通运输的大动脉，其发达程度是一个国家经济实力的重要标志。但随之带来的安全问题日益凸显，每年受恶劣天气影响发生的交通事故频频发生。近年来，我国平均每年因高速公路交通事故死亡人数近12万人，约70%与不利气象条件有关[1-2]。冬季雨雪天气容易造成道路积雪结冰，在影响交通安全的恶劣气象条件中排名首位，2008年1月10—27日，我国南方多省由雪灾和道路结冰引发的交通事故造成124人死亡[3]。据陕西省2011年公路气象灾害风险普查，其中2011年1月2日，陕西省受大范围降雪影响，西潼高速公路发生车祸20起，造成1死5伤，其中4人重伤;西宝高速交通事故55起，8车连环追尾。夏季，路面高温容易造成车辆爆胎，由此引发的交通事故约占高速公路交通事故的20%～30%[4-5]。

　　路面结冰和车辆爆胎很大程度都是受到路面极端温度影响，因此，提供及时准确的公路气象预报尤其是路面温度预报对高速公路安全保障具有至关重要作用。针对路面温度的研究方法，大致可以分为两类:一是利用能量守恒方法，建立路面温度场预报模型[6-11];二是通过对路面温度实测数据和气象资料进行回归分析，建立路面温度预报方程[12-18]。第二种方法虽然需要大量实测数据，但是克服了理论模型形式复杂，参数多不易获得且计算繁琐等缺点。

　　2013年7月首次在西安—咸阳机场高速公路(简称“机场高速”)和西汉高速建成6个交通气象站。目前陕西省公路交通气象服务产品以气温、降水、风向风速等常规要素的预报为主，针对路面极端温度的预报几乎空白;产品专业化程度不足，不能满足交通管理调度工作需求。通过分析高速公路路面温度，得出陕西高速公路路面温度变化规律，利用多元回归分析方法，旨在建立适用陕西省高速公路的路面温度预报模型，以期为建立路面高温、道路结冰的风险预报服务提供支持。

　　1资料

　　采用陕西省气象局在机场和西汉高速公路建的交通气象的资料，时间段为2013年8月至2017年12月，要素包括逐分钟路面温度、气温、相对湿度、降水量、风速等。考虑资料完整性高、车流量和恶劣天气发生频率较高的站点，选取机场高速公路沿线的汉城收费站、机场收费站，西汉高速公路沿线的户县安检站、宁陕站。

　　为弥补交通气象站云量资料的空缺，使用ERA5每日08:00(北京时，下同)、14:00的云量资料。ERA5是ECMWF第五代全球大气再分析资料，分辨率为0.1°×0.1°，云量范围为0～1。当云量为0.1～0.7时定义天空为晴到多云，云量为0.8～1且无降水出现定义为阴天。

　　2路面温度特征

　　2.1路面温度、气温变化

　　取1、4、7和10月分别代表冬季、春季、夏季和秋季，对路面温度和逐时气温求平均值，给出2013年8月至2017年12月4个季节机场、西汉高速公路路面温度和气温日变化。

　　可以看出，路面温度和气温日变化明显。日出后，路面温度较气温增温更快，最高值出现在14:00，较气温早1～2h到达峰值。究其原因，白天路面温度升高主要靠路面吸收太阳短波辐射，气温的加热主要来自于下垫面长波辐射，日出后，地面吸收的太阳短波辐射大于大气吸收的地面长波辐射。此外，空气比热容大于沥青路面比热容，其他条件相同情况下，路面升温更快[19]。

　　路面温度和气温在最高点维持1～2h后快速下降，日落后下降速率趋缓，06:00—07:00路面温度达最低值，与最低气温同时刻或较最低气温晚1h。可能原因是沥青路面在日落后，路基将热量向上传导至路面，并向上发射长波辐射，延缓了路面温度的下降速率。此外，路面温度和气温之间温差在07:00—08:00最小，随后温差逐渐增大，14:00温差最大。列出2013年8月至2017年12月交通气象站夏季路面最高温度和冬季路面最低温度。可以看出，夏季路面温度最高出现在汉城收费站，达53.4℃，宁陕站最低，为44.1℃;冬季机场收费站、宁陕站路面最低温度低于0℃，汉城收费站、户县安检站均为0.5℃。究其原因，机场收费站、汉城收费站、户县安检站依次由北向南分布，且海拔相对较低，周围环境较平坦宽阔，气温和路面温度较高。宁陕站建于秦岭半山腰的两隧道中间，四面环山，海拔明显高与其他3站，海拔越高气温就越低[20]，因此路面温度偏低。

　　2.2不同天气状况下路面温度、气温变化选取汉城收费站

　　2015年1月资料，通过对路面温度和逐时气温求平均值，得到晴到多云、阴天、雪天、雪后有结冰四种天空状况下路面温度和气温的日变化，可以看出，除雪天外，不同天空状况下路面温度和气温均具有明显的日变化。值得注意的是，下雪过程中，气温始终在0℃以下，路面温度维持在0℃左右;雪后气温最低达到-8.1℃，路面最低温度为-5.2℃。雪后结冰过程维持6d，00:00—08:00，路面温度和气温均低于0℃，为结冰易发时段，与王丹等[21]对低温与道路结冰分析中的结论一致。这是由于路面温度低于0℃以及受前期降水影响路面潮湿，为路面结冰提供了温度和湿度条件[6]。

　　3预报模型及检验

　　3.1路面温度与气象因子的关系

　　选择路面温度及其相关的气温、云量、相对湿度、风速等影响因子，对路面温度分季节、分路段讨论。列出机场收费站和宁陕站路面最高温度与最高气温、前一日路面最高温度及14:00总云量、低云量、相对湿度、平均风速的相关系数。列出机场收费站和宁陕站的路面最低温度与最低气温、前一日路面最低温度及08:00总云量、低云量、相对湿度、平均风速的相关系数。可以看出，路面最高温度与前一日路面最高温度、最高气温、14:00平均风速呈显著正相关，与14:00总云量、低云量、相对湿度呈负相关。

　　路面最低温度与前一日路面最低温度、最低气温及08:00总云量、低云量、平均风速呈正相关，与08:00相对湿度呈负相关。路面温度和气温相关系数多在0.8以上，最高达0.968，因此气温是影响路面温度变化最为重要的一个因素，与李蕊等[22]对土壤、水泥、沥青三种不同下垫面温度与气温相关性分析的结论一致。前一日路面温度与路面温度相关系数多大于0.5，作为其基础温度，也较为重要。因此，气温和前一日路面温度对当日路面温度影响明显，气温和前一日路面温度越高，路面温度越高，反之亦然。

　　路面最高温度和14:00云量呈负相关，而路面最低温度与08:00云量呈正相关。分析其原因，路面最低温度主要受夜间长波辐射降温影响，夜间云量增多，地面不易散热，云层会有“保温”效果，因此云量增多起到增温作用;路面最高温度则受短波辐射增温影响，云量越多，相对湿度越高，意味着路面白天接受的太阳短波辐射较少，路面温度则越低。

　　3.2路面温度统计模型建立及检验

　　选取前一日路面最高(最低)温度、最高(最低)气温、总云量、低云量、相对湿度、平均风速。运用多元回归方法建立冬季和夏季路面最高(最低)温度预报模型(表5)。表6列出2017年冬季和夏季机场收费站、宁陕站路面温度预测值误差。可以看出，两站预报值与实测值的相关系数均在0.9以上，最大为0.98，预报效果较好。路面最低温度的预报误差标准差为0.5～1.5℃，误差集中度好，预报效果理想;路面最高温度的标准差为1.0～5.0℃，说明部分数据波动较大。

　　考虑到路面最高温度的预报主要对夏季高速公路安全影响较大，找出夏季典型高温过程，共30d，检验其预报效果。得出预报值与实测值的相关系数为0.82，误差标准差为2.04℃，模型对夏季典型高温过程的路面最高温度预报效果较为理想。为2017年机场收费站、宁陕站路面温度误差频率分布。可以看出，误差区间在[-1，1]，冬季路面最低温度的预报误差最小，82.4%的误差都在此范围。以温度预报误差在区间[-2，2]为基准判断路面温度预报准确率，机场收费站夏季路面最高温度、最低温度，冬季路面最高、最低温度的预报准确率分别为56.5%、96.7%、88%和97.8%，宁陕站分别为63.8%、89.8%、85.5%和98.0%。分析夏季典型高温过程路面最高温度预报值，其准确率为67.0%。

　　可以看出，总体上模型拟合效果较好，冬季路面最低温度的效果更优。考虑到冬季路面温度低于0℃时对积冰的发生和维持有重要作用，对交通安全危害大，因此对冬季路面0℃低温的预报准确率尤为重要。当实测值小于0℃，预测值大于0℃时为漏报，在实际业务预报中存在安全隐患;实测值大于0℃，预测值小于0℃时为空报，则会带来不必要的人力和财力损失。选取两站冬季路面最低温度数据，计算得到机场收费站漏报率、空报率分别为8.0%和5.6%，宁陕站分别为3.6%和13.0%。可见该模型对冬季路面0℃低温的预报水平较高。

　　4结论

　　(1)不同季节路面温度和气温日变化明显。路面最低温度出现在06:00—07:00，与最低气温同时刻或较最低气温晚1h。日出后，路面温度高于气温且增温更快，14:00达最高值，较最高气温早1～2h。(2)除雪天以外的不同天空状况下路面温度和气温均有明显的日变化特征。雪后，00:00—08:00路面温度和气温均小于0℃，为路面结冰较易发生时段。

　　(3)路面最高温度与前一日路面最高温度、最高气温和风速呈显著正相关，与总云量、低云量和相对湿度呈负相关。路面最低温度与前一日路面最低温度、最低气温、总云量、低云量和风速呈正相关，与相对湿度呈负相关。路面温度和气温相关系数多在0.8以上，最高达0.97，气温是影响路面温度变化最重要因素之一。

　　(4)模型计算值与实测值的相关系数均在0.9以上。路面最低温度和路面最高温度的预报误差标准差分别为0.5～1.5℃、1～5℃;以路面温度实况值与预报值相差±2℃为基准判断其准确率，机场收费站夏季路面最高温度、夏季路面最低温度、冬季路面最高温度和冬季路面最低温度准确率分别为56.5%、96.7%、88%和97.8%，宁陕站分别为63.8%、89.8%、85.5%和98.0%。夏季典型高温过程路面最高温度的预报值与实测值相关系数为0.82，标准差为2.04℃，准确率为67.0%。表明该模式的拟合效果较好，尤其对路面最低温度的预报水平更优。

　　(5)对冬季路面0℃低温的预报水平进行检验，机场收费站的漏报率、空报率分别为8.0%和5.6%，宁陕收费站分别为3.6%和13.0%。模型拟合效果好，对冬季路面结冰预报有重要的参考价值。

　　参考文献:

　　[1]康延臻，王式功，杨旭，等.高速公路交通气象监测预报服务研究进展[J].干旱气象，2016，34(4):591-603.

　　[2]张利，汪林.不利气象条件对公路交通安全的影响及对策[J].公路交通科技，2011，28(增刊1):120-123.

　　[3]赵琳娜，马清云，杨贵名，等.2008年初我国低温雨雪冰冻对重点行业的影响及致灾成因分析[J].气候与环境研究，2008，13(4):556-566.

　　[4]田华，吴昊，赵琳娜，等.沪宁高速公路路面温度变化特征及统计模型[J].应用气象学报，2009，20(6):737-744.

　　[5]田小毅，张振东，鲍婧，等.沪宁高速公路高温爆胎阈值和爆胎风险指数的研究[J].灾害学，2017，32(4):114-119.

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