影響瀝青路面溫度場的氣象要素分析

張乃計，梁乃興，朱亞平

(1.杭州交通投資建設管理有限公司，浙江杭州310015;2.重慶交通大學 土木建筑學院，重慶400074;3.杭州師范大學后勤服務集團，浙江杭州310018)

對瀝青路面結構溫度分析，不難發(fā)現:輻射、對流和傳導是組成路表熱量平衡的3種基本傳熱方式。輻射是使路面溫度升高的主要因素，太陽輻射(包括太陽直接輻射和散射輻射)到達路表時，大部分被路表吸收并轉化為熱量，其余部分則通過路表的反射或散射而被射回到大氣中，被路表吸收的熱量和外界氣溫相疊加，導致路面溫度急劇升高。由此可見，影響瀝青路面溫度場的氣象要素集中在太陽輻射和氣溫上，此外，云層狀況、降雨、風速等也會對路面溫度場產生一定的影響，這些要素的合理確定，對準確預估瀝青路面溫度場有著決定性的意義。

1 太陽輻射的影響

目前，我國大部分地區(qū)設有太陽輻射的觀測站，可以獲得關于太陽輻射的相關資料，但大部分的觀測數據對于預估瀝青路面溫度場而言都是離散的，因此需要對太陽輻射的日過程進行模擬。

太陽輻射的日變化是極其復雜的一個過程，云層狀況、降雨等都會對太陽輻射產生影響，因此，陰雨天的太陽輻射日過程的規(guī)律更難以總結。Barber［1］對完全晴天時的太陽輻射進行了研究，得出其日過程曲線與正弦半波相似。我國同濟大學的嚴作人［2］在進一步的研究后得出了太陽輻射的日過程近似模擬函數見式(1)，稱為模型1:

式中:q0為日中午最大太陽輻射，q0=0.131m·q日(q日為太陽輻射日總量);m為日照時數，可從氣象站獲得;ω=π/12。

由于式(1)不是一個連續(xù)的函數，為了能夠參與計算，將式(1)展開為Fourier級數形式，分別見式(2)、式(3):

吳贛昌［3］根據從氣象站獲得的太陽輻射日過程的一小時間隔記錄資料 si(i=0，1，2，···，23 表示時刻t=0，1，2，···，23 時的太陽輻射實測數據)，采用Fourier逼近，建立了太陽輻射日過程的模擬函數見式(4)，稱為模型2:

根據云南大理2009年8月8日的實測太陽輻射記錄［4］，該日天氣晴朗，太陽累積輻射達到了20.3 MJ/m2，日照時數為11.8 h，對上述兩個太陽輻射模擬函數進行了計算，并和實測數據進行比較，對比見圖1。

圖1 太陽輻射日過程對比Fig.1 Comparison of solar radiation

從圖1可以看出，兩個函數都可以近似模擬太陽輻射的日變化過程。在精確性方面，采用輻射實測值的計算函數要高于三角函數模型，這也和其需要1 h間隔的輻射數據有很大關系，但其對數據的依賴性大，計算繁瑣;采用三角函數的計算模型盡管誤差相對較大，但其需要的日太陽輻射總量q日和日照時數m都可以很容易的從觀測站獲得，且計算較簡便，便于工程使用。

2 氣溫的影響

在表達氣溫日周期變化時，Barber曾采用單一正弦函數來表達其日變化規(guī)律，但這顯然不夠理想，因為通常最低氣溫出現在黎明前后(04:00—06:00)，而最高氣溫大多出現在最大太陽輻射出現后約2 h(即14:00左右)。這樣，從最低氣溫上升到最高氣溫不足10 h，而從最高氣溫降至最低氣溫需14 h以上，這使單一正弦函數無法解決。同濟大學嚴作人等采用兩個正弦函數的組合得出的氣溫日過程模擬函數見式(5)，稱為模型3:

式中:t1為日平均氣溫，t1=(tmax+tmin)/2，℃;t2為日氣溫振幅，t2=(tmax-tmin)/2，℃;tmax為日最高氣溫，℃;tmin為日最低氣溫，℃;ω為角頻率，ω =π/12 ，rad。

吳贛昌［3］根據從氣象站獲得的氣溫日過程的1 h間隔記錄資料 ci(i=0，1，2，···，23 表示時刻 t=0，1，2，···，23 時的氣溫實測數據)，采用 Fourier逼近，建立了氣溫日過程的模擬函數見式(6)，稱為模型4:

同樣，以云南大理2009年9月13日氣溫實測數據對模擬函數進行了計算，并和實測數據對比分析，對比結果見圖2。

圖2 氣溫日過程對比Fig.2 Comparison of daily temperature process

可以看出，兩個模擬函數都可以近似模擬氣溫的日變化過程，采用1 h間隔溫度值的模擬函數的準確度要高于正弦函數的組合，但其需要1 h間隔的實測氣溫數據，且計算繁瑣，大大制約其在工程上的應用;相比之下，采用正弦函數組合雖然準確度相對較低，但誤差值在工程上的可接受范圍內，最為重要的是，其只需要日最高和最低氣溫，且計算相對簡便，利于工程上的使用。

3 日照時數的影響

云層狀況、降雨對瀝青路面溫度場的影響集中反應在對太陽輻射的影響。云層越多越厚，到達路面的太陽輻射也相應減少;此外，陰雨天氣的太陽輻射量也大幅減少。但二者的影響都可以用日照時數來代替，因為研究發(fā)現，云層狀況、降雨都和日照時數有很好的相關性。此外，日照時數也比較容易獲得。

對一個地區(qū)的多年日照時數分析發(fā)現:日照時數有著明顯的季節(jié)性特征，在同一個季節(jié)里，日照時數的年變化和日變化并不大。對云南大理地區(qū)1978—2007年30年的日照時數月均值進行分析，并轉化為日均值，得出的表達函數見式(7)。

式中:m為不同月份日照時的日均值;x為月份，其值為1～12間的整數。

利用函數求得2009年的日照時數和實測結果進行比較，結果見圖3。

圖3 日照時數年變化對比Fig.3 Comparison of annual sunshine hours

可以看出，式(7)可以對不同年份的日照時數月均值進行模擬，且效果比較理想，除8月份相差0.4 h以外，其余月份實測和計算差值均在0.2 h以內。

4 風速的影響

自然界的風速與風向是時刻變化的，還受著很多偶然因素的影響，因此對風速的準確估計幾乎是不可能的。但大量的計算與實測研究表明:風速對路面溫度有著較大的影響，主要體現在對路表和外界之間的對流換熱系數的影響。結合實際情況，應以平均風速來代替實時風速，并建立對流換熱系數和平均風速之間的關系。

一個地區(qū)的風速也呈現季節(jié)性特征，一年之中不同季節(jié)里風速差別較大，同一季節(jié)里風速的年變化并不大。對云南大理地區(qū)1978—2007共30年的風速年變化規(guī)律進行分析，可以用式(8)的三角函數來模擬風速的年變化過程。

根據公式(8)的計算值和氣象站提供的2007年的風速實測值進行了比較，結果見圖4。

圖4 風速的年過程對比Fig.4 Comparison of annual wind speed

可以看出，函數對風速的年變化過程模擬得較好，冬季的計算值偏高于實測值，最大差值為0.2 m/s，其余數值相差不大。

5 結論及建議

5.1 結 論

1)分別對表達太陽輻射、氣溫日變化過程的兩種模擬函數進行了計算，通過和實測數據的對比和分析，確定了太陽輻射、氣溫的日變化模擬函數，為瀝青路面溫度場的預估計算提供了理論基礎。

2)結合相關分析，提出了用日照時數來代替云層狀況、降雨等對路面溫度場的影響，并給出了云南大理地區(qū)一年之中不同月份日照時數均值的計算函數式，和實測數據相比，保持了較高的精度。

3)由于實時風速測定的復雜性，提出用一段時間內的平均風速來取代實時風速對瀝青路面溫度的影響，給出了云南大理地區(qū)一年之中不同月份的風速均值函數:，通過和實測數據對比，表明函數具有較好的模擬效果。

5.2 建 議

1)由于各環(huán)境要素的變化復雜性，僅對晴好天氣下的太陽輻射和氣溫日變化過程進行了分析，所建立的模型對陰雨天氣下的適用性帶來了挑戰(zhàn)。

2)云層狀況、降雨不僅影響太陽輻射，還對地面輻射、大氣逆輻射造成了影響，需要對路表面有效輻射進行進一步的研究分析。

［1］Bbrber E S.Calculation of Maxmimun Pavement Temperature from Weather Reports［R］//Highway Research Board，Bulletin 168.Washington D.C.:National Research Council，1957:51-53.

［2］嚴作人.層狀路面溫度場分析［D］.上海:同濟大學，1982:50-57.

［3］吳贛昌.半剛性路面溫度應力分析［M］.北京:科學出版社，1995:117-135.

［4］徐裕華.西南氣候［M］.北京:氣象出版社，1991:133-149.

［5］沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面［M］.北京:人民交通出版社，1999:88-92.

［6］賈璐.瀝青路面高溫溫度場數值分析和實驗研究［D］.長沙:湖南大學，2004:31-37.

［7］劉榮輝，錢國平.周期性氣候條件下瀝青路面溫度場計算方法研究［J］.長沙交通學院學報，2002，18(2):71-75.LIU Rong-hui，QIAN Guo-ping.Research on the method for calculating temperature field of asphalt pavement under the condition of recurrent natural environment［J］.Journal of Changsha Communications University，2002，18(2):71-75.

［8］秦健.瀝青路面溫度場的預估方法研究［D］.上海:同濟大學，2004:62-73.