哈爾濱市冬季地面溫度變化特征及預(yù)報(bào)模型

宋麗萍,韓基良,劉宇飛,周傳瑞

(哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱150028)

1 引言

當(dāng)前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與城市化的快速發(fā)展，公路交通在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用越來越重要， 在整個(gè)交通運(yùn)輸過程中，除車輛、道路等以外，氣象條件是影響交通運(yùn)輸?shù)淖钪匾囊蛩亍?因此，由氣象條件引起的公路交通安全保障問題也越來越被重視。 許多學(xué)者對(duì)公路交通事故與氣象條件進(jìn)行了研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)氣象要素與交通安全密切相關(guān),大霧、結(jié)冰、積雪、高溫、暴雨等天氣是影響道路交通安全的主要災(zāi)害性天氣。

哈爾濱地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)， 冬季嚴(yán)寒漫長(zhǎng)、常伴有大風(fēng)和降雪，并經(jīng)常出現(xiàn)道路結(jié)冰現(xiàn)象。 道路結(jié)冰會(huì)造成路面抗滑能力顯著降低[6]，增加了車輛制動(dòng)距離，使車輛發(fā)生打滑、行走困難，極易引發(fā)交通事故， 道路結(jié)冰已成為影響哈爾濱冬季交通安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害。 據(jù)研究道路結(jié)冰和地面溫度變化有著密切的關(guān)系[7]，進(jìn)行哈爾濱市冬季地面溫度的預(yù)報(bào)研究， 將為冬季道路結(jié)冰的預(yù)報(bào)預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)， 對(duì)預(yù)防和減少交通事故及保障行車安全具有積極作用。

近十幾年來， 國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)路面溫度預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究。 2003年，美國(guó)學(xué)者Diefenderfer[8]建立了適用于不同地區(qū)的路面日最高和日最低溫度預(yù)估模型。 2006年，張菁[9]采用線性回歸方法建立了不同下墊面夏季高溫預(yù)報(bào)方程式；2009年，莊傳儀[10]建立了不同天氣情況下瀝青路面路表溫度的預(yù)估模型；2011年，胡昌斌[11]采用非線性估計(jì)的統(tǒng)計(jì)回歸方法，對(duì)水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)建立預(yù)估模型。 國(guó)內(nèi)還有許多學(xué)者根據(jù)氣象學(xué)和熱傳學(xué)的基本原理采用數(shù)值分析方法建立路面溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)模型[12]，2003年，劉熙明[13]應(yīng)用能量守恒方法,考慮太陽(yáng)短波輻射、大氣和地面的長(zhǎng)波輻射(輻散)潛熱、感熱傳輸?shù)饶芰恐g的平衡,并考慮水汽、氣溶膠、浮塵以及云等對(duì)太陽(yáng)短波輻射的吸收和散射,建立了一種較實(shí)用的路面溫度預(yù)報(bào)模型。 2008年，朱承瑛[14]應(yīng)用地表熱量平衡方程，在太陽(yáng)短波輻射、大氣和地面長(zhǎng)波輻射、感熱和潛熱等參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上， 建立了一種計(jì)算高速公路路面溫度的機(jī)理模型。

目前， 哈爾濱市還沒有建立針對(duì)城市道路的氣象觀測(cè)系統(tǒng)， 為探求哈爾濱市道路結(jié)冰天氣的預(yù)報(bào)方法，本文應(yīng)用哈爾濱自動(dòng)氣象站逐分鐘地面溫度、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水等氣象資料，研究了地面溫度的變化特征，并利用統(tǒng)計(jì)回歸方法，建立了冬季地面最高和最低溫度預(yù)報(bào)模型。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文所選取資料為2003年11月-2012年3月哈爾濱自動(dòng)氣象站觀測(cè)記錄的地面溫度、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水和總云量等氣象要素資料。 統(tǒng)計(jì)時(shí)按照哈爾濱市出現(xiàn)降水結(jié)冰的時(shí)間，即從當(dāng)年11月至次年3月(當(dāng)年11月-翌年2月為該年冬季)。

2.2 研究方法

道路結(jié)冰是指雨、雪、凍雨或霧滴降落到溫度低于0 ℃的地面而出現(xiàn)的積雪或結(jié)冰現(xiàn)象。 因此將2003-2012年期間地面溫度每一時(shí)次出現(xiàn)≤0 ℃且有降水發(fā)生的情況界定為出現(xiàn)了道路結(jié)冰。 本文對(duì)地面溫度的變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析， 并運(yùn)用多元回歸方法，研究地面溫度與氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水和總云量等氣象要素的關(guān)系， 建立冬季地面最高和最低溫度的預(yù)報(bào)模型。

3 地面溫度統(tǒng)計(jì)特征

3.1 各月結(jié)冰統(tǒng)計(jì)特征

哈爾濱市各月道路結(jié)冰分布不均， 主要集中在11月-次年3月。 其中，12月出現(xiàn)次數(shù)最多，出現(xiàn)日數(shù)達(dá)158 d，占樣本總數(shù)的25%，出現(xiàn)時(shí)間達(dá)到2 678 h，占總數(shù)的30%；其次為1月，出現(xiàn)日數(shù)達(dá)124 d，占總樣本數(shù)19.3%， 出現(xiàn)時(shí)間達(dá)到1 968 h， 占總數(shù)的22%；11月、2月和3月出現(xiàn)的日數(shù)都在100 d 左右，出現(xiàn)時(shí)間分別達(dá)到1 525 h、1 375 h 和1 092 h。

3.2 地面溫度日變化特征

本文通過對(duì)哈爾濱冬季2003年11月-2012年3月的逐小時(shí)地面溫度與氣溫求取平均值，得到各時(shí)段的平均逐小時(shí)地面溫度和氣溫的變化趨勢(shì)（圖1），地面溫度和氣溫的逐小時(shí)變化曲線呈波浪型，日變化趨勢(shì)基本一致。 地面溫度和氣溫均在早晨達(dá)到最低值，隨后呈上升趨勢(shì)，在午后達(dá)到最高值后又開始下降。 地面溫度和氣溫的最低值均出現(xiàn)在早晨08時(shí)，但地面溫度的最低值比氣溫最低值低2 ℃左右；二者最高值出現(xiàn)的時(shí)間有所不同，地面溫度在13時(shí)左右達(dá)到最高值，比氣溫的最高值出現(xiàn)早1 h，并且，地面溫度均明顯高于氣溫的最高值， 地面溫度的最高值比氣溫最高值高8-10 ℃左右。 地面溫度在達(dá)到最高值之后即明顯下降，在日落以后下降趨勢(shì)減緩，而氣溫則是在最高值之后緩慢下降。 白天地面吸收太陽(yáng)短波輻射而升溫，在正午后1-2 h 左右，地面溫度和氣溫均達(dá)到最高值， 但地面溫度高于氣溫并且比氣溫到達(dá)最高值的時(shí)間早； 而夜間地面及其附近空氣因向外輻射長(zhǎng)波而降溫，直到日出前后，地面溫度和氣溫均達(dá)到最低值， 且二者最低值出現(xiàn)時(shí)刻基本相同，并且數(shù)值差異不大。

圖1 2003年11月-2012年3月逐小時(shí)地面溫度與氣溫的平均日變化

4 地面溫度與各氣象要素的關(guān)系

最高地面溫度和最低地面溫度均與氣溫、 相對(duì)濕度、風(fēng)速3 類要素的日最高、日最低值以及日累積降水量的關(guān)系密切，都通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。最高地面溫度與日最高氣溫相關(guān)最為顯著， 相關(guān)系數(shù)為0.95； 冬季最低地面溫度與日最低氣溫相關(guān)最為顯著，相關(guān)系數(shù)為0.93(表1)。 為此，以上要素可以作為統(tǒng)計(jì)最高和最低地面溫度的可選因子。

表1 最高和最低地面溫度與氣象要素的相關(guān)統(tǒng)計(jì)

5 地面溫度預(yù)報(bào)模型及效果檢驗(yàn)

5.1 地面溫度預(yù)報(bào)模型的建立

最高地面溫度和最低地面溫度分別選取氣溫x1j（j=1,2 分別表示日最高氣溫和日最低氣溫）、 相對(duì)濕度x2j（j=1,2 分別表示日最高相對(duì)濕度和日最低相對(duì)濕度）、風(fēng)速x3j（j=1,2 分別表示日最大風(fēng)速和日最小風(fēng)速）和日累積降水量x4共7 個(gè)因子，同時(shí)也考慮因子的非線性關(guān)系， 把以上7 個(gè)因子的平方和立方項(xiàng)（x2ij，x3ij（i=1，2，3；j=1，2）,x24，x34）作為預(yù)報(bào)因子，另外考慮因子間的非線性交互影響，增添xij·x4（i=1，2，3；j=1，2）和xij·xkj（i=1，2；k=i+1，3；j=1，2），最終最高地面溫度和最低地面溫度都分別得到33 個(gè)因子。

選取哈爾濱自動(dòng)氣象站2003年11月-2012年3月逐日的氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等資料，利用逐步回歸方法建立冬季最高地面溫度和最低溫度的預(yù)報(bào)模型：

其中，Tg 為最高地面溫度（℃），Td 為最低地面溫度 （℃），x11和x12分別為日最高氣溫和日最低氣溫（℃），x21為日最高相對(duì)濕度（%）。 模型1 和模型2 的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.932 和0.915， 相關(guān)系數(shù)均通過0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)。

5.2 地面溫度預(yù)報(bào)模型的檢驗(yàn)

用2012年11月1日-12月31日逐日最高和最低地面溫度、氣溫、相對(duì)濕度資料，對(duì)模型（1）和模型（2）進(jìn)行推算和檢驗(yàn)，資料樣本長(zhǎng)為61 d。 分別得出2012年冬季最高地面溫度和最低地面溫度的預(yù)測(cè)值， 并與哈爾濱自動(dòng)氣象站觀測(cè)的地面溫度實(shí)況值進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出，最高地面溫度線性回歸模型的平均絕對(duì)誤差和均方根誤差在1 ℃左右， 而最低地面溫度線性回歸模型的平均絕對(duì)誤差在2 ℃左右，均方根誤差在3 ℃左右(表2)。

表2 地面最高和最低溫度模型推算效果檢驗(yàn)（單位：℃）

由模型預(yù)報(bào)的地面溫度與實(shí)際地面溫度對(duì)比結(jié)果來看（圖2），最高地面溫度模型推算結(jié)果與實(shí)況變化趨勢(shì)更接近， 說明最高地面溫度的預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)精度較高，可以作為預(yù)報(bào)參考，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。 而最低地面溫度預(yù)報(bào)模型中有個(gè)別最低地面溫度預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際還存有稍大偏差的情況，因此，在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，對(duì)最低地面溫度模型進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，還需對(duì)模型預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠喺?/p>

圖2 2012年11月1日-12月31日(a)最高和(b)最低地面溫度實(shí)況與模型推算結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)論與討論

（1）哈爾濱市道路結(jié)冰月季分布不均，主要集中在冬季11月至次年3月，其中12月出現(xiàn)次數(shù)最多，其次為1月。

（2）對(duì)哈爾濱冬季2003年11月-2012年3月的逐小時(shí)地面溫度與氣溫的日變化進(jìn)行分析， 平均后的逐小時(shí)地面溫度的變化與氣溫的日變化規(guī)律很相近， 地面溫度和氣溫的最低值均出現(xiàn)在早晨06時(shí)，但地面溫度的最低值略低于氣溫的最低值； 地面溫度的最高值出現(xiàn)在午后， 較氣溫的最高值出現(xiàn)早一些，并且明顯高于氣溫的最高值。

（3）對(duì)地面溫度與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)最高地面溫度和最低地面溫度均與氣溫、 相對(duì)濕度、風(fēng)速3 類要素的日最高、日最低值以及日累積降水量的關(guān)系密切，都通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)。最高地面溫度與日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95； 冬季最低地面溫度與日最低氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93。

（4） 利用逐步回歸方法對(duì)哈爾濱自動(dòng)氣象站2003年11月-2012年3月逐日的氣溫、 相對(duì)濕度、風(fēng)速等氣象要素資料進(jìn)行分析， 建立了冬季最高地面溫度及最低地面溫度的預(yù)報(bào)模型，2 個(gè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.932 和0.915，均通過0.05 水平的顯著性檢驗(yàn)。

（5）最高地面溫度預(yù)報(bào)模型推算結(jié)果與實(shí)況的變化趨勢(shì)接近，誤差絕對(duì)值均在1 ℃左右，該模型可以作為預(yù)報(bào)參考，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。 而最低地面溫度模型中有個(gè)別最低地面溫度預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際還存有稍大偏差的情況，因此，在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，對(duì)最低地面溫度模型進(jìn)行應(yīng)用時(shí)， 還需對(duì)模型預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修訂。

（6）本文的地面溫度預(yù)報(bào)模型只是運(yùn)用了自動(dòng)氣象站的日常觀測(cè)資料進(jìn)行檢驗(yàn)，在實(shí)際運(yùn)用中，可以結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)輸出產(chǎn)品， 得到未來一天甚至更長(zhǎng)時(shí)間的地面溫度變化情況， 對(duì)科學(xué)指導(dǎo)道路交通運(yùn)行和冬季清冰雪具有重要的實(shí)際意義。

[1] 羅慧，李良序，胡勝，等. 公路交通事故與氣象條件關(guān)系及其氣象預(yù)警模型[J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2007，18（3）：350-357.

[2] 潘婭英， 陳武. 引發(fā)公路交通事故的氣象條件分析[J]. 氣象科技，2006，34（6）：778-782.

[3] 敖曼， 翟潤(rùn). 氣象條件對(duì)道路交通的影響分析[J].公路與汽運(yùn)，2011，（2）：58-62.

[4] 李嵐，唐亞平，孫麗，等. 遼寧省高速公路不良?xì)庀髼l件分析及服務(wù)探討[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2010，26（1）：49-53.

[5] 劉玲仙，裴克莉，孫燕，等. 氣象條件和交通安全關(guān)系探討[J]. 內(nèi)蒙古氣象，2007，（5）：27-28.

[6] 謝靜芳， 呂得寶. 氣象條件對(duì)高速公路路面抗滑性能影響的試驗(yàn)[J]. 氣象科技，2006，34（6）：788-791.

[7] 孫翠梅，馬俊峰，孔啟亮，等. 鎮(zhèn)江市道路結(jié)冰影響指數(shù)分級(jí)預(yù)報(bào)方法[J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，29（4）：84-88.

[8] Diefenderfer, B., Al-Qadi, I., Reubush S., et al.Development and validation of a model to predict pavement temperature profile [A]. Transportation research board 82nd annual meeting, Washington DC,2003.

[9] 張菁，梁紅，姜曉艷，等. 沈陽(yáng)市夏季不同下墊面溫度特征及其在氣象服務(wù)中的應(yīng)用[J]. 氣象科學(xué)，2008，28(5)：528-532.

[10] 莊傳儀，王林，申愛琴，等. 瀝青路面路表溫度預(yù)估模型研究[J]. 公路交通科技，2010，27（3）：39-43.

[11] 胡昌斌，曾惠珍，闕云. 濕熱地區(qū)水泥混凝土路面溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力研究[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版)，2011，39（5）：727-737.

[12] 秦健，孫立軍. 國(guó)外瀝青路面溫度預(yù)估方法綜述[J]. 中外公路，2005，25（6）：19-23.

[13] 劉熙明，喻迎春，雷桂蓮，等. 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)，2004，15（5）：623-628.

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