冬季高速公路路橋溫度變化規(guī)律及能量平衡分析

呂晶晶，牛生杰，周悅，李蕊，柯怡明，楊志彪

(1.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué))，江蘇南京210044;2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;3.湖北省氣象局，湖北 武漢430074)

0 引言

高速公路作為現(xiàn)代交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的推動(dòng)作用。近年來(lái)，隨著中國(guó)高速公路密集度和交通工具人均保有量的持續(xù)攀升，致使受惡劣天氣影響而引發(fā)的交通事故顯著增加。尤其在冬季，冰雪雨霧等天氣過(guò)程常導(dǎo)致高速公路產(chǎn)生路面(橋面)濕滑、能見(jiàn)度不足等危險(xiǎn)路況，易釀成重大交通事故。開(kāi)展路面狀況預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)，對(duì)有效預(yù)防和減少交通事故的發(fā)生具有積極作用。因此，對(duì)路面溫度與氣象條件相關(guān)性的研究受到各國(guó)政府部門(mén)和研究學(xué)者的廣泛重視和關(guān)注。

早在20世紀(jì)50年代，歐美、南非等國(guó)的研究人員對(duì)高速公路路面溫度狀況進(jìn)行了廣泛研究，并取得了一些階段性成果(Barber，1957;Williamson，1972)。自80年代末以來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家相繼開(kāi)展了更加系統(tǒng)和深入的大型高速公路綜合觀測(cè)試驗(yàn)，諸如:SHRP(Strategic Highway Research Program)計(jì)劃、LTPP(Long Term Pavement Program)項(xiàng)目等，并開(kāi)始逐步建立和完善高速公路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(RWIS，Road Weather Information System)，收集了大量的路面溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和氣象資料，建立了龐大的交通氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，為路面溫度狀況物理預(yù)報(bào)模型和統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型的研制、發(fā)展和應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)(張朝林等，2007)。國(guó)際上先后投入業(yè)務(wù)運(yùn)行的路面溫度數(shù)值預(yù)報(bào)模式主要有:英國(guó)的MORST(Met Office Road Surface Temperature Model)(Thones，1984;Rayer，1987)和 IceBreak 模式(Shao and Lister，1996)，丹麥 Bent(1992)的路面結(jié)冰預(yù)報(bào)模式，加拿大 METRo(Model of the Environment and Temperature of Roads)模式 (Crevier and Delage，2001)，以及法國(guó)的 SIR(SAFRAN—ISBA－Route)模式(Bouilloud et al.，2009)等。為進(jìn)一步提高模式預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，Chapman and Thornes(2006)將實(shí)時(shí)衛(wèi)星地表溫度、雷達(dá)資料和地形地貌數(shù)據(jù)引入模式，并取得了不錯(cuò)的預(yù)報(bào)效果。中國(guó)針對(duì)高速公路的研究起步雖晚，但近年來(lái)也取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，不僅在沿海地區(qū)如北京(曲曉黎等，2010)、江蘇(田華等，2009;朱承瑛等，2009)、廣東(吳晟等，2006)等地陸續(xù)布設(shè)高速公路自動(dòng)氣象站，進(jìn)行路面溫度和氣象要素的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且開(kāi)展路面溫度變化特征的對(duì)比分析和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法的研究。此外，考慮到物理預(yù)報(bào)模式實(shí)用性廣、普適性強(qiáng)的特點(diǎn)，劉熙明等(2004)依據(jù)輻射平衡原理開(kāi)發(fā)了夏季水泥路面溫度預(yù)報(bào)模式;牛生杰等(2011)針對(duì)冬季三種不同下墊面(瀝青、水泥、土壤)溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并應(yīng)用地表熱量平衡方程，考慮太陽(yáng)短波輻射、大氣和地面的長(zhǎng)波輻射、潛熱和感熱傳輸?shù)饶芰恐g的平衡以及水汽、氣溶膠、浮塵和云等對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收和散射，建立了一種較實(shí)用的下墊面溫度預(yù)報(bào)模型。

本文利用湖北省武英高速公路鳳凰關(guān)水庫(kù)交通自動(dòng)氣象站逐時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，分析冬季典型天空狀況(晴空、陰天)和天氣過(guò)程(霧、降雨、降雪)前后路橋溫度和氣溫的變化規(guī)律。此外，由觀測(cè)事實(shí)可知:冬季橋面相比于路面更易發(fā)生結(jié)冰現(xiàn)象。橋面結(jié)冰隱蔽性強(qiáng)，發(fā)生惡性交通事故的概率更高，危害更大，因此，利用實(shí)測(cè)路橋溫度數(shù)據(jù)，從能量收支平衡角度，針對(duì)冬季典型晴空和陰天夜晚，研究橋面和路面溫度變化差異具有重要意義。

1 資料來(lái)源

1.1 觀測(cè)地點(diǎn)

武英高速是首條穿越大別山區(qū)的高速公路，起于湖北省武漢，經(jīng)團(tuán)風(fēng)、浠水、羅田和英山，止于鄂皖交界處的英山縣大楓樹(shù)嶺，全長(zhǎng)131.14 km。湖北省氣象局于2009年9月將首個(gè)高速公路交通氣象站安裝于湖北省羅田境內(nèi)鳳凰關(guān)水庫(kù)大橋(115°31'25″E，30°47'33″N)附近，同時(shí)監(jiān)測(cè)路面和橋面溫度變化。觀測(cè)地點(diǎn)位于大別山腹地(圖1)，冬季夜間冷空氣沿著山體下降，容易在低洼山谷處形成具有較低溫度的冷池(Tabony，1985)。此外，觀測(cè)點(diǎn)大橋下的鳳凰關(guān)水庫(kù)可以提供較充分的水汽，使得觀測(cè)路段容易滿足路、橋面結(jié)冰的條件。

1.2 觀測(cè)儀器

交通氣象自動(dòng)站主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣溫(AT，air temperature)、相對(duì)濕度(RH，relative humidity)、10 m風(fēng)向風(fēng)速、降水量、路面溫度(RST，road surface temperature)、路基溫度(RBT，road base temperature)、橋面溫度(BST，bridge surface temperature)、橋基溫度(BBT，bridge base temperature)、降水率(PR，precipitation rate)等氣象要素變化。路(橋)面及路(橋)基的4個(gè)溫度傳感器分別置于路、橋面以下1 cm和10 cm處，均采用穩(wěn)定性和線性俱佳的鉑絲熱電阻傳感器(PT－100型)，其熱響應(yīng)時(shí)間短，數(shù)據(jù)可信度高。路、橋面溫度傳感器安裝時(shí)須一半暴露在外，另一半嵌入瀝青之中，以盡量減少短波輻射對(duì)傳感器測(cè)量值的影響。

1.3 觀測(cè)資料

采用2009年10月—2010年3月武英高速鳳凰關(guān)水庫(kù)交通氣象站逐小時(shí)氣象要素?cái)?shù)據(jù)，以及距此觀測(cè)點(diǎn) 11.9 km 的羅田(115°24'00″E，30°46'48″N，海拔105.8 m)和 15.7 km 的英山(115°40'12″E，30°43'48″N，海拔 123.8 m)氣象站每 3 h 的人工觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括云量、云狀、氣壓和天氣現(xiàn)象等。

圖1 觀測(cè)地點(diǎn)地形Fig.1 Map of study area with locations of meteorological observation stations

2 冬季不同天氣狀況下路橋溫度對(duì)比

2.1 日變化

受氣溫和短波輻射影響，高速公路路面溫度日變化通常具有明顯的峰谷特征。由于云層能夠通過(guò)直接反射短波輻射導(dǎo)致地面接收到的太陽(yáng)輻射量減小(Ramanathan et al.，1989)，一般來(lái)講，云量增加(或減少)會(huì)使得太陽(yáng)輻射減少(或增加)，從而間接影響白天路面溫度場(chǎng)的變化。本文利用羅田和英山氣象站每3 h一次的人工觀測(cè)總云量數(shù)據(jù)，計(jì)算其日均總云量，并據(jù)此數(shù)據(jù)將觀測(cè)地點(diǎn)天空狀況分為晴空、多云、陰天3種，定義日均總云量0～2成為晴空，3～7成為多云，8～10成為陰天，并輔以云狀和天氣現(xiàn)象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)分別選取冬季晴空和陰天兩種典型天空狀況，討論路橋溫度和氣溫的日變化特征。

2009年12月22 —23日典型冬季晴空(圖2)和2010年2月5—6日陰天(圖3)條件下，氣溫、路面溫度、橋面溫度的日最低溫度均出現(xiàn)在07時(shí)前后，且橋面溫度比路面溫度低2℃左右，并與氣溫較接近;日出后，短波輻射逐漸增強(qiáng)，三者溫度迅速攀高，日最高溫度均出現(xiàn)在14時(shí)前后，此時(shí)橋面溫度和路面溫度相當(dāng)，兩者溫度遠(yuǎn)高于氣溫;隨后，短波輻射開(kāi)始減弱，三者溫度迅速回落，18時(shí)左右下降速率趨緩，進(jìn)入夜間低溫維持階段。

圖2 2009年12月22—23日冬季典型晴空時(shí)氣溫和路、橋溫度變化Fig.2 Typical variations of air temperature and temperature at each position of the road and bridge during 22 and 23 December 2009 under clear weather condition

圖3 2010年2月5—6日冬季典型陰天時(shí)氣溫和路、橋溫度變化Fig.3 Typical variations of air temperature and temperature at each position of the road and bridge during 5 and 6 February 2010 under overcast weather condition

路基溫度和橋基溫度的變化情況主要為路層熱傳導(dǎo)過(guò)程。日出后，路面接收短波輻射后，將熱量向下傳導(dǎo)至路基，使路、橋基溫度上升;日落后，路、橋基將熱量向上傳導(dǎo)至路面，并向上發(fā)射長(zhǎng)波輻射，路、橋基溫度回落。可見(jiàn)路基和橋基溫度分別與路面和橋面溫度關(guān)系密切，前兩者日變化通常在位相上滯后于后兩者1.5 h左右且變化幅度較小，變化趨勢(shì)呈波浪形。一般來(lái)說(shuō)，冬季路基溫度高于橋基溫度，日出后路、橋面溫度高于路、橋基溫度，日落后則兩者情況相反。

對(duì)比圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn):晴空時(shí)各溫度日變化幅度均高于陰天，尤以橋面溫度的變化幅度最大。值得注意的是，晴空22日14時(shí)橋面溫度高達(dá)18.1℃，23時(shí)左右進(jìn)入0℃以下低溫階段，并維持近11 h，其間平均溫度為－1.75℃;而路面溫度從23日04時(shí)起才降至0℃以下，并維持近5 h，其間平均溫度為－0.48℃。

由以上分析可知，天空狀況(總云量)對(duì)溫度日變化幅度具有一定影響。為了分析兩者關(guān)系，引入標(biāo)準(zhǔn)差DST表征各項(xiàng)溫度日變化離散程度。

其中:n為24;i為時(shí)刻;Ti為i時(shí)刻的各項(xiàng)溫度;ˉT為日平均各項(xiàng)溫度。利用日均總云量資料，按天空狀況將自動(dòng)站182 d觀測(cè)數(shù)據(jù)分為晴空、多云、陰天3類，同時(shí)將各項(xiàng)溫度每天24個(gè)逐時(shí)數(shù)據(jù)依次分組，計(jì)算各要素每日DST。從三種天空狀況下氣溫標(biāo)準(zhǔn)差DSTAT、路面溫度標(biāo)準(zhǔn)差DSTRST、橋面溫度標(biāo)準(zhǔn)差DSTBST的變化范圍(表1)可以看出，各要素標(biāo)準(zhǔn)差是晴天最高，多云次之，陰天最低。由此可見(jiàn)，在天空狀況數(shù)據(jù)缺失的情況下，利用溫度日變化的DST變化范圍，可對(duì)天空狀況進(jìn)行大致判斷。

表1 三種天空狀況下各溫度日變化標(biāo)準(zhǔn)差變化范圍Table 1 Standard deviation ranges of daily AT，RST，and BST under three kinds of weather conditions

2.2 霧過(guò)程

霧一般出現(xiàn)在晴朗、微風(fēng)而近地面層比較潮濕的夜晚或清晨，由于輻射冷卻作用氣溫降到露點(diǎn)溫度以下，使得近地面氣層水汽發(fā)生凝結(jié)而形成霧(盛裴軒等，2003)。由前述可知，清晨是路、橋面出現(xiàn)最低溫度的時(shí)段，由于霧中包含大量液態(tài)水，當(dāng)液滴與溫度低于0℃的路、橋面接觸時(shí)，容易在其表面凍結(jié)形成一層薄冰，埋下交通安全隱患。圖4給出了2010年1月2日一次輻射霧過(guò)程中氣溫與路橋溫度的變化特征?？梢?jiàn)，霧形成于凌晨01時(shí)左右，日出后08時(shí)左右發(fā)生消散，其間相對(duì)濕度保持在95%以上。00時(shí)后各溫度均呈下降趨勢(shì)，其中氣溫下降最快，橋面溫度次之。02時(shí)氣溫降至0℃以下，在平均風(fēng)速1.5 m/s的情況下與橋面發(fā)生熱交換，橋面溫度在03時(shí)進(jìn)入0℃以下低溫階段，并維持6 h，日最低溫度－1.7℃出現(xiàn)在08時(shí)前后，而此時(shí)路面溫度剛接近0℃，隨后由于日出后短波輻射增加使各溫度迅速升高，輻射霧也隨之消散。觀測(cè)事實(shí)指出:在冬季大霧時(shí)期，交通氣象預(yù)報(bào)除發(fā)布能見(jiàn)度不足預(yù)警外，還應(yīng)提醒駕乘人員注意橋面出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，以避免釀成交通事故。

圖4 2010年1月2日一次冬季霧過(guò)程中氣溫和路、橋溫度變化(A為霧過(guò)程，相對(duì)濕度大于95%)Fig.4 Variations of air temperature and temperature at each position of the road and bridge during the fog period on 2 January 2010(A indicates fog stage，RH more than 95%)

2.3 降雨過(guò)程

冬季降雨后的晴空夜晚，伴隨輻射冷卻效應(yīng)，雨水通常會(huì)在路面發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象(Tobias and Willi，2005)。2009年12月14日12時(shí)—15日12時(shí)出現(xiàn)一次連續(xù)降雨過(guò)程，降雨期間相對(duì)濕度保持在90%左右，各溫度呈緩慢下降趨勢(shì)，橋面溫度和氣溫接近，最低溫度維持在3℃近7 h，此間兩者明顯比路面溫度低2℃左右(圖5)。由于降雨后水汽充沛，16日相對(duì)濕度保持在66%～90%之間變化，17日00時(shí)相對(duì)濕度上升至95%以上，并進(jìn)入持續(xù)8 h的一次輻射霧過(guò)程。其間，橋面溫度在06時(shí)出現(xiàn)0℃以下低溫現(xiàn)象，而此時(shí)路面最低溫度為2.3℃。由此可見(jiàn)，降雨過(guò)程可使路、橋面溫度降低，但一般不會(huì)出現(xiàn)路橋面結(jié)冰現(xiàn)象，而在隨后發(fā)生的輻射霧過(guò)程中常出現(xiàn)橋面凍結(jié)現(xiàn)象。

2.4 降雪過(guò)程

圖5 2009年12月14—17日一次冬季降雨過(guò)程及其后氣溫、路橋溫度、相對(duì)濕度和降水率變化Fig.5 Variations of air temperature，temperature at each position of the road and bridge，RH and PR during and after the lightrainfallfrom 14 to 17 December 2009

圖6 2010年2月13—17日冬季一次降雪過(guò)程及其后氣溫和路、橋溫度變化(A為降雪階段，B為積雪階段，C為融雪階段)Fig.6 Variations of air temperature and temperature at each position of the road and bridge during and after the snow from 13 to 17 February 2010(A refers to snow falling stage，B refers to snow mantle stage，and C refers to snow melting satge)

圖6顯示2010年2月13—17日一次降雪過(guò)程，整個(gè)過(guò)程根據(jù)橋面溫度變化分為三個(gè)階段:降雪，積雪，融雪。降雪階段:受冷空氣影響，降雪前各溫度呈快速下降趨勢(shì)，尤以氣溫下降最快，13日14時(shí)降雪開(kāi)始，此時(shí)路、橋面溫度仍在0℃以上，降雪很快融化，同時(shí)帶走下墊面部分熱量，使兩者溫度繼續(xù)下降。積雪階段:13日20時(shí)前后，路、橋面溫度降至0℃，降雪開(kāi)始在地面累積，由于雪是一種多孔介質(zhì)，具有一定的絕熱效果，使得橋面溫度始終保持在0℃長(zhǎng)達(dá)32 h。相比于橋面，路面溫度受積雪影響較小，其0℃低溫維持階段為16 h，至15日12時(shí)，受到太陽(yáng)短波輻射影響，路面溫度急速上升，15時(shí)達(dá)到峰值7.7℃，此后路面溫度一直處于0℃以上。融雪階段:15日05時(shí)起橋面溫度出現(xiàn)陡然下降，最低值為－2.9℃，12時(shí)前后，受太陽(yáng)短波輻射影響，橋面溫度上升至0℃以上，峰值為2.6℃，積雪開(kāi)始融化，日落后，橋面溫度于18時(shí)再次進(jìn)入0℃以下低溫維持階段，若此時(shí)橋面存在融化的雪水，將再次被凍結(jié)，直到16日09時(shí)，橋面溫度上升至0℃以上。相比于降雪和積雪階段，蘊(yùn)含交通事故隱患最大的是融雪階段，若融化的雪水在夜間再次凍結(jié)于橋面之上，將導(dǎo)致其濕滑程度大幅提高。

3 能量平衡計(jì)算模型

下墊面能量平衡方程為

其中:G(t)為t時(shí)刻下墊面熱通量;Rs為下墊面所受到的短波輻射;(Rld－Rlu)為下墊面的凈長(zhǎng)波輻射;EH、EL分別為感熱通量和潛熱通量;α為下墊面反射率，取常數(shù) 0.1(Bent，1992)。

3.1 短波輻射Rs的計(jì)算

到達(dá)地面的短波輻射主要受大氣中的氣溶膠粒子濃度、空氣污染程度、以及云量、云狀、水汽等因子的影響。Shao and Lister(1996)給出的太陽(yáng)短波輻射計(jì)算公式為

其中:s0為太陽(yáng)常數(shù)(1 366.97 W·m－2);f為與日地距離有關(guān)的因子;θ0為太陽(yáng)天頂角。tR和tg分別為Rayleigh散射和痕量氣體的吸收系數(shù);tw為水汽吸收系數(shù);tp為氣溶膠和浮塵的消光系數(shù);tc為云的削弱系數(shù)。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下

3.2 凈長(zhǎng)波輻射(Rld－Rlu)的計(jì)算

長(zhǎng)波輻射分為下墊面發(fā)射的長(zhǎng)波輻射Rlu和大氣逆輻射Rld兩個(gè)部分，由Stenfan－Boltzman定律，長(zhǎng)波輻射計(jì)算公式為

其中:e為水汽壓;N為總云量(取值在0～1)。

表2 瀝青和混凝土材料性質(zhì)參數(shù)Table 2 Asphalt and concrete material properties

3.3 感熱、潛熱通量的計(jì)算

假設(shè)傳輸過(guò)程是發(fā)生在均勻混合的邊界層中，一般來(lái)說(shuō)，感熱和潛熱通量可以通過(guò)以下方法(Rayer，1987)計(jì)算。

其中:ρ為近地面空氣密度(1.29 kg·m－3);cp為空氣的比定壓熱容，取值為1.0×103J·kg－1·℃－1;CH和CL分別為感熱和水汽輸送系數(shù)，分別取值為1.81×10－3和0.15×10－3;L為水汽的凝結(jié)潛熱，值為2.5×106J·kg－1·℃－1;V為近地面處風(fēng)速;Ta為氣溫;qa為空氣濕度;Ts、qs分別為下墊面溫度和下墊面濕度。

3.4 計(jì)算模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證下墊面能量平衡模型的計(jì)算準(zhǔn)確性，利用2009年10月—2010年3月觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)方程(2)—(14)可以求出下墊面熱通量G(t)。假設(shè)下墊面為均勻分布的均質(zhì)體，根據(jù)熱傳導(dǎo)方程，t時(shí)刻單位質(zhì)量的下墊面溫度Ts(t)與熱通量G(t)之間的關(guān)系(Shao and Lister，1996)為

其中:cV為下墊面比熱容;ρ為下墊面密度(表2)。將(15)式進(jìn)行差分，取Δt為1 h，代入t時(shí)刻下墊面溫度的初始場(chǎng)資料，即可求得(t+1)時(shí)刻的下墊面溫度。對(duì)比圖7和圖8中路面、橋面溫度測(cè)量值和能量平衡模型計(jì)算值的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩物理量的測(cè)量值和對(duì)應(yīng)計(jì)算值的相關(guān)性均在0.94以上，并通過(guò)了0.001的信度檢驗(yàn)，說(shuō)明模型對(duì)下墊面各輻射能量分量的計(jì)算結(jié)果具有較高可靠性。

圖7 冬季橋面溫度測(cè)量值和計(jì)算值對(duì)比Fig.7 Comparison of observed and calculated bridge surface temperature in winter

圖8 冬季路面溫度測(cè)量值和計(jì)算值對(duì)比Fig.8 Comparison of observed and calculated road surface temperature in winter

3.5 能量收支平衡分析

根據(jù)觀測(cè)事實(shí)，冬季路、橋面結(jié)冰現(xiàn)象通常都發(fā)生在夜間(17時(shí)至次日07時(shí))，且橋面相對(duì)于路面，更易出現(xiàn)0℃以下低溫狀態(tài)，并維持更長(zhǎng)時(shí)間。為了進(jìn)一步從能量平衡角度說(shuō)明橋面溫度的變化規(guī)律，利用上述能量平衡模型，模擬了冬季典型晴空(2009年12月22日17時(shí)—23日07時(shí))和陰天(2010年2月5日17時(shí)—6日07時(shí))狀況下，夜間路、橋面輻射能量收支變化情況。

由于夜間短波輻射Rs=0，下墊面凈長(zhǎng)波輻射Rn=Rld－Rlu，所以公式(2)可簡(jiǎn)化為

可見(jiàn)，夜間下墊面熱通量G主要與凈長(zhǎng)波輻射Rn和感熱EH有關(guān)。圖9為冬季典型晴空下夜間橋面輻射能量收支變化情況。夜晚橋面凈長(zhǎng)波輻射Rn為－100 W·m－2，并近似等于橋面熱通量G，橋面感熱EH在21日17時(shí)為50 W·m－2，此后一直處于0～10 W·m－2變化之中。在晴空狀態(tài)下，由于沒(méi)有云層遮蓋，橋面能量收支情況主要由其上行長(zhǎng)波輻射Rlu主導(dǎo)，即通常所說(shuō)的長(zhǎng)波輻射冷卻，由此使得橋面溫度迅速大幅下降。圖10為冬季陰天夜間橋面輻射能量收支變化。相比于晴空時(shí)，各項(xiàng)輻射能量變化幅度均較小，整晚橋面凈長(zhǎng)波輻射Rn為－50 W·m－2，橋面感熱EH始終保持在0值附近，所以使得橋面溫度在19時(shí)之后，呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)比橋面和路面(圖略)夜間各項(xiàng)輻射能量變化的計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)兩者熱通量G沒(méi)有明顯差異，一般兩者差值變化在±10 W·m－2之間。橋梁構(gòu)建材質(zhì)多為混凝土，而路面材質(zhì)均為瀝青，一般來(lái)說(shuō)，混凝土比熱容低于瀝青，即兩者若吸收(或發(fā)散)相同輻射能量，前者溫度上升(或下降)速率快于后者。此外，本次研究受觀測(cè)條件限制，只對(duì)橋面上層和橋基溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并未考慮橋面底層和側(cè)面的能量變化情況。由于橋梁均懸于空中，其與空氣的接觸面多于路面，由公式(13)可知，假設(shè)在氣溫、風(fēng)速和路、橋面溫度一定的情況下，橋面以感熱形式與空氣進(jìn)行熱交換的能量應(yīng)多于路面，可見(jiàn)感熱輸送也是影響冬季夜間路橋面溫度變化差異的主要因素之一。

圖9 冬季晴空夜晚橋面能量收支變化及路面、橋面溫度變化Fig.9 Variations of RST，BST and energy budget elements over bridge surface at night under clear weather condition in winter

圖10 冬季陰天夜晚橋面能量收支變化及路面、橋面溫度變化Fig.10 Variations of RST，BST and energy budget elements over bridge surface at night under overcast weather condition in winter

4 結(jié)論

1)云量是影響路、橋面溫度變化的主要因素之一，根據(jù)總云量定義晴空、多云和陰天三種天空狀況，并用標(biāo)準(zhǔn)差DST表征氣溫、路面溫度、橋面溫度日變化幅度，對(duì)182 d觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分類后發(fā)現(xiàn):晴空溫度日變化標(biāo)準(zhǔn)差DST最高，多云次之，陰天最低，并給出了具體的DST變化范圍。

2)通過(guò)分析冬季典型天空狀況(晴空、陰天)和天氣過(guò)程(霧、降雨、降雪)中氣溫、路面溫度和橋面溫度變化規(guī)律后發(fā)現(xiàn):夜間橋面溫度與氣溫較接近，通常比路面溫度低2℃;相比于路面，橋面溫度更易降低到0℃以下，且其低溫維持時(shí)間通常是路面的2倍左右。

3)綜合考慮太陽(yáng)短波輻射、大氣和下墊面的長(zhǎng)波輻射以及潛熱、感熱傳輸過(guò)程，建立下墊面能量平衡模型，利用2009年10月—2010年3月觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算精度驗(yàn)證，結(jié)果顯示:路面、橋面溫度測(cè)量值和計(jì)算值之間相關(guān)性均在0.94以上，并通過(guò)0.001信度檢驗(yàn)，說(shuō)明模型對(duì)下墊面各項(xiàng)輻射能量具有較高計(jì)算準(zhǔn)確性和可靠性。

4)應(yīng)用下墊面能量平衡模型，計(jì)算冬季夜晚晴空和陰天狀況下，路橋面輻射能量收支變化。晴空時(shí)，橋面整晚凈長(zhǎng)波輻射Rn為－100 W·m－2;而陰天時(shí)，橋面凈長(zhǎng)波輻射Rn為－50 W·m－2，兩者Rn都與橋面熱通量G接近，因而晴空時(shí)夜晚橋面溫度下降幅度大于陰天。下墊面輻射能量變化幅度大，相應(yīng)的下墊面溫度變化也大，反之亦然。

5)橋面和路面的熱通量G差異不大，但橋梁材質(zhì)混凝土的比熱容低于路面材質(zhì)瀝青，即兩者若吸收(或發(fā)散)相同輻射能量，橋面溫度上升(或下降)速率快于路面。由于橋梁懸于空中，與空氣的接觸面多于路面，因而夜間橋梁以感熱形式與空氣進(jìn)行熱交換的能量應(yīng)高于相同氣象條件的路面。

劉熙明，喻迎春，雷桂蓮，等.2004.應(yīng)用輻射平衡原理計(jì)算夏季水泥路面溫度［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，15(5):623－628.

牛生杰，李蕊，呂晶晶，等.2011.三種下墊面溫度及結(jié)冰預(yù)報(bào)模型研究［J］.地球物理學(xué)報(bào)，54(4):909－917.

曲曉黎，武輝芹，張彥恒，等.2010.京石高速路面溫度特征及預(yù)報(bào)模型［J］.干旱氣象，28(3):352－357.

盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國(guó)，等.2003.大氣物理學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社.

田華，吳昊，趙琳娜，等.2009.滬寧高速公路路面溫度變化特征及統(tǒng)計(jì)模型［J］.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，20(6):737－744.

王名才.1994.大氣科學(xué)常用公式［M］.北京:氣象出版社.

吳晟，吳兌，鄧雪嬌，等.2006.南嶺山地高速公路路面溫度變化特征分析［J］.氣象科技，34(6):783－787.

張朝林，張利娜，程叢蘭，等.2007.高速公路氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，23(6):653－658.

朱承瑛，謝志清，嚴(yán)明良，等.2009.高速公路路面溫度極值預(yù)報(bào)模型研究［J］.氣象科學(xué)，29(5):645－650.

左大康，周允華，項(xiàng)月琴，等.1991.地球表層輻射學(xué)研究［M］.北京:科學(xué)出版社.

Barber E S.1957.Calculation of maximum pavement temperatures from weather reports［R］.Washington D C:Highway Research Board Bulletin.

Bent H S.1992.A numerical model for prediction of road temperature and ice［J］.J Appl Meteor，31:1499－1506.

Bouilloud L，Martin E，Habets F，et al.2009.Road surface condition forecasting in France［J］.J Appl Meteor Climatol，48(12):2513－2527.

Chapman L，Thornes J.2006.A geomatics－based road surface temperature prediction model［J］.Sci Total Environ，360(1/2/3):68－80.

Crevier L P，Delage Y.2001.Metro:A new model for road－condition forecasting in Canada［J］.J Appl Meteor，40:2026－2037.

Ramanathan V，Cess R D，Harrison E F，et al.1989.Cloud－radiative forcing and climate:Results from the Earth Radiation Budget Experiment［J］.Science，243(4887):57－63.

Rayer P J.1987.The Meteorological Office forecast road surface temperature model［J］.Meteor Mag，116:180－191.

Shao J，Lister P J.1996.An automated nowcasting model of road surface temperature and state for winter road maintenance［J］.J Appl Meteor，35:1352－1361.

Tabony R C.1985.Relations between minimum temperature and topography in Great Britain［J］.J Climatol，5:503－520.

Thones J E.1984.The prediction of ice formation on motorways in Britain［D］.London:University of London.

Tobias G，Willi S.2005.Nowcasting precipitation，clouds，and surface state in winter［J］.Atmos Res，77:378－387.

Williamson R H.1972.Effects of environment on pavement temperatures［C］//3rd Intl Conf Structural Design Proc，Expanded Abstracts:144－158.