摘要:利用2013年8月至2017年12月陜西高速公路交通氣象站的路面溫度、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等資料和全球大氣再分析資料云量數(shù)據(jù)，分析四季不同天空狀況下路面溫度的分布特征，研究路面溫度與氣象因子的關(guān)系，建立多元回歸方程。結(jié)果表明:四季路面溫度有明顯的日變化規(guī)律，雪后，00:00—08:00為路面結(jié)冰較易發(fā)生時(shí)段;氣溫是影響路面溫度變化的最重要因子之一;對(duì)比路面溫度實(shí)測(cè)值與預(yù)報(bào)值，回歸模型對(duì)冬季路面最低溫度的擬合效果較優(yōu)，相關(guān)系數(shù)在0.94以上，標(biāo)準(zhǔn)差小于1，誤差在±2℃的頻率為98%。此外，模型對(duì)路面0℃低溫預(yù)報(bào)水平較高。

　　關(guān)鍵詞:路面溫度;氣溫;回歸方程;路面結(jié)冰;冬季

　　引言

　　在現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，高速公路是國(guó)家交通運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，其發(fā)達(dá)程度是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要標(biāo)志。但隨之帶來(lái)的安全問(wèn)題日益凸顯，每年受惡劣天氣影響發(fā)生的交通事故頻頻發(fā)生。近年來(lái)，我國(guó)平均每年因高速公路交通事故死亡人數(shù)近12萬(wàn)人，約70%與不利氣象條件有關(guān)[1-2]。冬季雨雪天氣容易造成道路積雪結(jié)冰，在影響交通安全的惡劣氣象條件中排名首位，2008年1月10—27日，我國(guó)南方多省由雪災(zāi)和道路結(jié)冰引發(fā)的交通事故造成124人死亡[3]。據(jù)陜西省2011年公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查，其中2011年1月2日，陜西省受大范圍降雪影響，西潼高速公路發(fā)生車(chē)禍20起，造成1死5傷，其中4人重傷;西寶高速交通事故55起，8車(chē)連環(huán)追尾。夏季，路面高溫容易造成車(chē)輛爆胎，由此引發(fā)的交通事故約占高速公路交通事故的20%～30%[4-5]。

　　路面結(jié)冰和車(chē)輛爆胎很大程度都是受到路面極端溫度影響，因此，提供及時(shí)準(zhǔn)確的公路氣象預(yù)報(bào)尤其是路面溫度預(yù)報(bào)對(duì)高速公路安全保障具有至關(guān)重要作用。針對(duì)路面溫度的研究方法，大致可以分為兩類(lèi):一是利用能量守恒方法，建立路面溫度場(chǎng)預(yù)報(bào)模型[6-11];二是通過(guò)對(duì)路面溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象資料進(jìn)行回歸分析，建立路面溫度預(yù)報(bào)方程[12-18]。第二種方法雖然需要大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但是克服了理論模型形式復(fù)雜，參數(shù)多不易獲得且計(jì)算繁瑣等缺點(diǎn)。

　　2013年7月首次在西安—咸陽(yáng)機(jī)場(chǎng)高速公路(簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)場(chǎng)高速”)和西漢高速建成6個(gè)交通氣象站。目前陜西省公路交通氣象服務(wù)產(chǎn)品以氣溫、降水、風(fēng)向風(fēng)速等常規(guī)要素的預(yù)報(bào)為主，針對(duì)路面極端溫度的預(yù)報(bào)幾乎空白;產(chǎn)品專(zhuān)業(yè)化程度不足，不能滿(mǎn)足交通管理調(diào)度工作需求。通過(guò)分析高速公路路面溫度，得出陜西高速公路路面溫度變化規(guī)律，利用多元回歸分析方法，旨在建立適用陜西省高速公路的路面溫度預(yù)報(bào)模型，以期為建立路面高溫、道路結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)服務(wù)提供支持。

　　1資料

　　采用陜西省氣象局在機(jī)場(chǎng)和西漢高速公路建的交通氣象的資料，時(shí)間段為2013年8月至2017年12月，要素包括逐分鐘路面溫度、氣溫、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速等。考慮資料完整性高、車(chē)流量和惡劣天氣發(fā)生頻率較高的站點(diǎn)，選取機(jī)場(chǎng)高速公路沿線(xiàn)的漢城收費(fèi)站、機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站，西漢高速公路沿線(xiàn)的戶(hù)縣安檢站、寧陜站。

　　為彌補(bǔ)交通氣象站云量資料的空缺，使用ERA5每日08:00(北京時(shí)，下同)、14:00的云量資料。ERA5是ECMWF第五代全球大氣再分析資料，分辨率為0.1°×0.1°，云量范圍為0～1。當(dāng)云量為0.1～0.7時(shí)定義天空為晴到多云，云量為0.8～1且無(wú)降水出現(xiàn)定義為陰天。

　　2路面溫度特征

　　2.1路面溫度、氣溫變化

　　取1、4、7和10月分別代表冬季、春季、夏季和秋季，對(duì)路面溫度和逐時(shí)氣溫求平均值，給出2013年8月至2017年12月4個(gè)季節(jié)機(jī)場(chǎng)、西漢高速公路路面溫度和氣溫日變化。

　　可以看出，路面溫度和氣溫日變化明顯。日出后，路面溫度較氣溫增溫更快，最高值出現(xiàn)在14:00，較氣溫早1～2h到達(dá)峰值。究其原因，白天路面溫度升高主要靠路面吸收太陽(yáng)短波輻射，氣溫的加熱主要來(lái)自于下墊面長(zhǎng)波輻射，日出后，地面吸收的太陽(yáng)短波輻射大于大氣吸收的地面長(zhǎng)波輻射。此外，空氣比熱容大于瀝青路面比熱容，其他條件相同情況下，路面升溫更快[19]。

　　路面溫度和氣溫在最高點(diǎn)維持1～2h后快速下降，日落后下降速率趨緩，06:00—07:00路面溫度達(dá)最低值，與最低氣溫同時(shí)刻或較最低氣溫晚1h。可能原因是瀝青路面在日落后，路基將熱量向上傳導(dǎo)至路面，并向上發(fā)射長(zhǎng)波輻射，延緩了路面溫度的下降速率。此外，路面溫度和氣溫之間溫差在07:00—08:00最小，隨后溫差逐漸增大，14:00溫差最大。列出2013年8月至2017年12月交通氣象站夏季路面最高溫度和冬季路面最低溫度。可以看出，夏季路面溫度最高出現(xiàn)在漢城收費(fèi)站，達(dá)53.4℃，寧陜站最低，為44.1℃;冬季機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站、寧陜站路面最低溫度低于0℃，漢城收費(fèi)站、戶(hù)縣安檢站均為0.5℃。究其原因，機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站、漢城收費(fèi)站、戶(hù)縣安檢站依次由北向南分布，且海拔相對(duì)較低，周?chē)�環(huán)境較平坦寬闊，氣溫和路面溫度較高。寧陜站建于秦嶺半山腰的兩隧道中間，四面環(huán)山，海拔明顯高與其他3站，海拔越高氣溫就越低[20]，因此路面溫度偏低。

　　2.2不同天氣狀況下路面溫度、氣溫變化選取漢城收費(fèi)站

　　2015年1月資料，通過(guò)對(duì)路面溫度和逐時(shí)氣溫求平均值，得到晴到多云、陰天、雪天、雪后有結(jié)冰四種天空狀況下路面溫度和氣溫的日變化，可以看出，除雪天外，不同天空狀況下路面溫度和氣溫均具有明顯的日變化。值得注意的是，下雪過(guò)程中，氣溫始終在0℃以下，路面溫度維持在0℃左右;雪后氣溫最低達(dá)到-8.1℃，路面最低溫度為-5.2℃。雪后結(jié)冰過(guò)程維持6d，00:00—08:00，路面溫度和氣溫均低于0℃，為結(jié)冰易發(fā)時(shí)段，與王丹等[21]對(duì)低溫與道路結(jié)冰分析中的結(jié)論一致。這是由于路面溫度低于0℃以及受前期降水影響路面潮濕，為路面結(jié)冰提供了溫度和濕度條件[6]。

　　3預(yù)報(bào)模型及檢驗(yàn)

　　3.1路面溫度與氣象因子的關(guān)系

　　選擇路面溫度及其相關(guān)的氣溫、云量、相對(duì)濕度、風(fēng)速等影響因子，對(duì)路面溫度分季節(jié)、分路段討論。列出機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站和寧陜站路面最高溫度與最高氣溫、前一日路面最高溫度及14:00總云量、低云量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)。列出機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站和寧陜站的路面最低溫度與最低氣溫、前一日路面最低溫度及08:00總云量、低云量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)。可以看出，路面最高溫度與前一日路面最高溫度、最高氣溫、14:00平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與14:00總云量、低云量、相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。

　　路面最低溫度與前一日路面最低溫度、最低氣溫及08:00總云量、低云量、平均風(fēng)速呈正相關(guān)，與08:00相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。路面溫度和氣溫相關(guān)系數(shù)多在0.8以上，最高達(dá)0.968，因此氣溫是影響路面溫度變化最為重要的一個(gè)因素，與李蕊等[22]對(duì)土壤、水泥、瀝青三種不同下墊面溫度與氣溫相關(guān)性分析的結(jié)論一致。前一日路面溫度與路面溫度相關(guān)系數(shù)多大于0.5，作為其基礎(chǔ)溫度，也較為重要。因此，氣溫和前一日路面溫度對(duì)當(dāng)日路面溫度影響明顯，氣溫和前一日路面溫度越高，路面溫度越高，反之亦然。

　　路面最高溫度和14:00云量呈負(fù)相關(guān)，而路面最低溫度與08:00云量呈正相關(guān)。分析其原因，路面最低溫度主要受夜間長(zhǎng)波輻射降溫影響，夜間云量增多，地面不易散熱，云層會(huì)有“保溫”效果，因此云量增多起到增溫作用;路面最高溫度則受短波輻射增溫影響，云量越多，相對(duì)濕度越高，意味著路面白天接受的太陽(yáng)短波輻射較少，路面溫度則越低。

　　3.2路面溫度統(tǒng)計(jì)模型建立及檢驗(yàn)

　　選取前一日路面最高(最低)溫度、最高(最低)氣溫、總云量、低云量、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速。運(yùn)用多元回歸方法建立冬季和夏季路面最高(最低)溫度預(yù)報(bào)模型(表5)。表6列出2017年冬季和夏季機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站、寧陜站路面溫度預(yù)測(cè)值誤差。可以看出，兩站預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，最大為0.98，預(yù)報(bào)效果較好。路面最低溫度的預(yù)報(bào)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.5～1.5℃，誤差集中度好，預(yù)報(bào)效果理想;路面最高溫度的標(biāo)準(zhǔn)差為1.0～5.0℃，說(shuō)明部分?jǐn)?shù)據(jù)波動(dòng)較大。

　　考慮到路面最高溫度的預(yù)報(bào)主要對(duì)夏季高速公路安全影響較大，找出夏季典型高溫過(guò)程，共30d，檢驗(yàn)其預(yù)報(bào)效果。得出預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)為0.82，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為2.04℃，模型對(duì)夏季典型高溫過(guò)程的路面最高溫度預(yù)報(bào)效果較為理想。為2017年機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站、寧陜站路面溫度誤差頻率分布。可以看出，誤差區(qū)間在[-1，1]，冬季路面最低溫度的預(yù)報(bào)誤差最小，82.4%的誤差都在此范圍。以溫度預(yù)報(bào)誤差在區(qū)間[-2，2]為基準(zhǔn)判斷路面溫度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站夏季路面最高溫度、最低溫度，冬季路面最高、最低溫度的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為56.5%、96.7%、88%和97.8%，寧陜站分別為63.8%、89.8%、85.5%和98.0%。分析夏季典型高溫過(guò)程路面最高溫度預(yù)報(bào)值，其準(zhǔn)確率為67.0%。

　　可以看出，總體上模型擬合效果較好，冬季路面最低溫度的效果更優(yōu)。考慮到冬季路面溫度低于0℃時(shí)對(duì)積冰的發(fā)生和維持有重要作用，對(duì)交通安全危害大，因此對(duì)冬季路面0℃低溫的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率尤為重要。當(dāng)實(shí)測(cè)值小于0℃，預(yù)測(cè)值大于0℃時(shí)為漏報(bào)，在實(shí)際業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中存在安全隱患;實(shí)測(cè)值大于0℃，預(yù)測(cè)值小于0℃時(shí)為空?qǐng)?bào)，則會(huì)帶來(lái)不必要的人力和財(cái)力損失。選取兩站冬季路面最低溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率分別為8.0%和5.6%，寧陜站分別為3.6%和13.0%。可見(jiàn)該模型對(duì)冬季路面0℃低溫的預(yù)報(bào)水平較高。

　　4結(jié)論

　　(1)不同季節(jié)路面溫度和氣溫日變化明顯。路面最低溫度出現(xiàn)在06:00—07:00，與最低氣溫同時(shí)刻或較最低氣溫晚1h。日出后，路面溫度高于氣溫且增溫更快，14:00達(dá)最高值，較最高氣溫早1～2h。(2)除雪天以外的不同天空狀況下路面溫度和氣溫均有明顯的日變化特征。雪后，00:00—08:00路面溫度和氣溫均小于0℃，為路面結(jié)冰較易發(fā)生時(shí)段。

　　(3)路面最高溫度與前一日路面最高溫度、最高氣溫和風(fēng)速呈顯著正相關(guān)，與總云量、低云量和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。路面最低溫度與前一日路面最低溫度、最低氣溫、總云量、低云量和風(fēng)速呈正相關(guān)，與相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。路面溫度和氣溫相關(guān)系數(shù)多在0.8以上，最高達(dá)0.97，氣溫是影響路面溫度變化最重要因素之一。

　　(4)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)均在0.9以上。路面最低溫度和路面最高溫度的預(yù)報(bào)誤差標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.5～1.5℃、1～5℃;以路面溫度實(shí)況值與預(yù)報(bào)值相差±2℃為基準(zhǔn)判斷其準(zhǔn)確率，機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站夏季路面最高溫度、夏季路面最低溫度、冬季路面最高溫度和冬季路面最低溫度準(zhǔn)確率分別為56.5%、96.7%、88%和97.8%，寧陜站分別為63.8%、89.8%、85.5%和98.0%。夏季典型高溫過(guò)程路面最高溫度的預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值相關(guān)系數(shù)為0.82，標(biāo)準(zhǔn)差為2.04℃，準(zhǔn)確率為67.0%。表明該模式的擬合效果較好，尤其對(duì)路面最低溫度的預(yù)報(bào)水平更優(yōu)。

　　(5)對(duì)冬季路面0℃低溫的預(yù)報(bào)水平進(jìn)行檢驗(yàn)，機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站的漏報(bào)率、空?qǐng)?bào)率分別為8.0%和5.6%，寧陜收費(fèi)站分別為3.6%和13.0%。模型擬合效果好，對(duì)冬季路面結(jié)冰預(yù)報(bào)有重要的參考價(jià)值。

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　　氣象論文投稿刊物：應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)特別關(guān)注應(yīng)用應(yīng)用氣象學(xué)科的最新成就和發(fā)展，包括新思想、新理論、新方法和新產(chǎn)品;應(yīng)用氣象學(xué)實(shí)例剖析及生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn);交叉學(xué)科的綜合總體水平和業(yè)績(jī)，以及反映世界應(yīng)用氣象學(xué)科的發(fā)展。本刊倡導(dǎo)技術(shù)綜合，技術(shù)滲透，突出創(chuàng)新，講實(shí)實(shí)效，注重成果，及時(shí)跟蹤前沿技術(shù)研究信息。