西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路災(zāi)害性天氣特征

王　丹，高紅燕，黃少妮，馬　磊

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，陜西　西安　710014；2.陜西省氣象臺(tái)，陜西　西安　710014)

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西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路災(zāi)害性天氣特征

王丹1，高紅燕1，黃少妮2，馬磊1

(1.陜西省氣象服務(wù)中心，陜西西安710014；2.陜西省氣象臺(tái)，陜西西安710014)

利用2013年7月2日—2015年7月2日西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段交通氣象站及其20 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)氣象站2007年1月1日—2015年4月30日的觀測(cè)資料，對(duì)影響交通運(yùn)輸安全的災(zāi)害性天氣進(jìn)行規(guī)律性分析。結(jié)果表明，霧多出現(xiàn)在夜間至清晨，其中06:00—08:00是大霧易發(fā)時(shí)段。大雨及以上量級(jí)降雨主要發(fā)生在7—9月，其中短時(shí)強(qiáng)降雨多發(fā)生在夜間，而降雪多發(fā)生在1—2月，大風(fēng)多發(fā)生在春季。1月和12月是道路結(jié)冰易發(fā)時(shí)期，當(dāng)日最低氣溫≤-1.4 ℃時(shí)，西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段在潮濕或者有積水的路面出現(xiàn)結(jié)冰的概率≥85%。高速公路沿線的區(qū)(縣)氣象站觀測(cè)資料可以作為交通氣象服務(wù)的參考數(shù)據(jù)，但交通氣象站與其相鄰區(qū)(縣)氣象站災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定差異。為了提高交通氣象服務(wù)能力，應(yīng)該加快高速公路交通氣象站建設(shè)，完善交通氣象觀測(cè)網(wǎng)。

高速公路；交通氣象站；災(zāi)害性天氣

引　言

近年來(lái)，我國(guó)公路建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，道路交通事故也在與日俱增。天氣條件是影響交通運(yùn)輸安全的重要因素之一，尤其是暴雨、大霧、大風(fēng)、道路結(jié)冰、高溫、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣均會(huì)對(duì)道路交通運(yùn)輸帶來(lái)直接影響[1-3]，因此，交通氣象技術(shù)研究越來(lái)越引起交通和氣象部門的重視。

我國(guó)氣象部門通過與政府、交通部門合作，在高速公路沿線建立氣象站[4]，實(shí)時(shí)采集氣象觀測(cè)資料，為開展公路氣象災(zāi)害實(shí)時(shí)觀測(cè)和預(yù)報(bào)研究奠定了基礎(chǔ)。錢莉等[5]研究發(fā)現(xiàn)，烏鞘嶺路段由不良?xì)庀髼l件引發(fā)的交通事故占總事故數(shù)的81%，不良天氣的排序依次是結(jié)冰、降雨、降雪、積雪、大霧。湯繼濤等[6]模擬了一次蘇南大暴雨過程及其對(duì)交通能見度的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降水是導(dǎo)致交通能見度降低的重要因素，且水平能見度與降水強(qiáng)度呈負(fù)指數(shù)關(guān)系。潘婭英等[7]研究發(fā)現(xiàn)，夏季高溫、冬季低溫、高濕、雨、雪天氣以及轉(zhuǎn)雨日都容易引發(fā)交通事故。丁蕾等[8]研究認(rèn)為，天氣對(duì)道路交通安全的影響不僅表現(xiàn)在對(duì)路面客觀通行狀況的影響，也表現(xiàn)在對(duì)駕駛員心理的間接影響。

西安—咸陽(yáng)國(guó)際機(jī)場(chǎng)專用高速公路(以下簡(jiǎn)稱西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路)承載著80%以上的機(jī)場(chǎng)陸側(cè)交通，2013年7月陜西省氣象局在該高速公路段安裝了3個(gè)交通氣象站，對(duì)氣象要素進(jìn)行逐時(shí)觀測(cè)。近年來(lái)，氣象部門在全國(guó)范圍內(nèi)開展了公路交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查[9-10]，根據(jù)陜西省氣象局對(duì)G5、G20、G70高速公路陜西段的交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查結(jié)果，發(fā)現(xiàn)誘發(fā)陜西段高速公路交通事故的主要災(zāi)害性天氣包括大霧、強(qiáng)降雨、道路結(jié)冰、大風(fēng)、降雪等。本文利用3個(gè)交通氣象站及其相鄰區(qū)(縣)氣象站的觀測(cè)資料，對(duì)影響西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路交通運(yùn)輸安全的霧、降雨(雪)、低溫(道路結(jié)冰)和大風(fēng)等災(zāi)害性天氣進(jìn)行規(guī)律性分析，以期為提高交通運(yùn)營(yíng)的科學(xué)管理和降低道路交通事故的發(fā)生率提供科學(xué)依據(jù)。

1　資料和方法

1.1資料

所用資料包括：(1)2013年7月2日19:00—2015年7月2日18:00(北京時(shí)，下同)西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段3個(gè)交通氣象站的氣溫、地表溫度、降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度和能見度逐小時(shí)資料，3個(gè)交通氣象站分布見表1；(2)2007年1月1日—2015年4月30日交通氣象站20 km范圍內(nèi)區(qū)(縣)氣象站的氣溫、地表溫度、降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度、能見度逐小時(shí)資料，以及天氣現(xiàn)象逐日資料，其中部分區(qū)(縣)氣象站的能見度一日中只有4次觀測(cè)(02:00、08:00、14:00和20:00)。交通氣象站20 km范圍內(nèi)的區(qū)(縣)氣象站(以下簡(jiǎn)稱6個(gè)區(qū)(縣)氣象站)包括西安、涇河、咸陽(yáng)、涇陽(yáng)、三原、高陵6站，其中西安站在2014年1月被撤銷，觀測(cè)資料截至到2013年12月31日。

表1　西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段3個(gè)交通氣象站點(diǎn)位置分布

1.2方法

根據(jù)中國(guó)地面氣象觀測(cè)規(guī)范[11]及本文研究需求，對(duì)霧、降雨、低溫和大風(fēng)等做如下定義。當(dāng)能見度(Visibility，簡(jiǎn)稱VIS)<1 000 m時(shí)，定義為霧，其中VIS≤500 m時(shí)為大霧。當(dāng)24 h降雨量在0.1～9.9 mm、10.0～24.9 mm、25.0～49.9 mm和50.0～100.0 mm時(shí)分別定義為小雨、中雨、大雨和暴雨；當(dāng)1 h降水量≥10.0 mm時(shí)定義為短時(shí)強(qiáng)降雨。當(dāng)?shù)乇頊囟萒s≤0 ℃時(shí)定義為低溫。當(dāng)風(fēng)速≥10.8 m·s-1(6級(jí)或以上)定義為大風(fēng)。逐日天氣的統(tǒng)計(jì)時(shí)段指09:00—次日08:00，當(dāng)給定觀測(cè)站在該時(shí)段內(nèi)的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足某一天氣現(xiàn)象的定義時(shí)，則為該天氣現(xiàn)象的一個(gè)有效觀測(cè)日；對(duì)于逐時(shí)觀測(cè)，當(dāng)某一時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)滿足某一天氣現(xiàn)象的定義時(shí)，為該天氣現(xiàn)象出現(xiàn)1次。由于交通氣象站建站時(shí)間短，可用于研究的資料樣本少，因此利用交通氣象站20 km范圍內(nèi)的區(qū)(縣)氣象站資料作為補(bǔ)充，以增加災(zāi)害性天氣的分析樣本，同時(shí)對(duì)2套資料提供的災(zāi)害性天氣進(jìn)行對(duì)比。

2　災(zāi)害性天氣分析

2.1霧

對(duì)2013年7月2日—2015年4月30日08:00的能見度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖略)，發(fā)現(xiàn)漢城收費(fèi)站、渭河大橋北橋頭站和機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站分別觀測(cè)到22次、40次和29次霧，而6個(gè)區(qū)(縣)氣象站觀測(cè)到的霧都少于8次，可見交通氣象站與區(qū)(縣)氣象站霧的觀測(cè)有較大差異。

西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段，在2月、4月、7月和9—11月的霧日較多，與相對(duì)濕度的逐月變化特征基本一致(圖1a、圖1b)。一日中，霧主要發(fā)生在夜間至清晨，其中06:00—08:00是大霧的易發(fā)時(shí)段，此時(shí)段相對(duì)濕度≥80%的次數(shù)也較多(圖1c、圖1d、圖1e)?？梢?，相對(duì)濕度是影響能見度的主要?dú)庀笠蜃?。利?9 534組能見度與同時(shí)刻相對(duì)濕度的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，二者的相關(guān)系數(shù)為-0.51，通過了99%的信度檢驗(yàn)，且85%以上的大霧發(fā)生在相對(duì)濕度達(dá)80%以上的高濕條件下。比較而言，渭河大橋北橋頭站比其它2站易出現(xiàn)霧，這與該站相對(duì)濕度高于其它2站一致。

影響霧生消的氣象因子還包括層結(jié)穩(wěn)定度、風(fēng)速、地表溫度與氣溫之差(Ts-Ta)、降雨等。研究[12]指出，低能見度霧主要出現(xiàn)在風(fēng)速≤3 m·s-1時(shí)，有霧時(shí)輻射冷卻主要在霧頂，導(dǎo)致Ts-Ta≥ 0 ℃。利用交通氣象站的524組大霧(VIS≤500 m)與同時(shí)刻風(fēng)速、Ts-Ta、降雨的有效觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)幾乎100%的大霧出現(xiàn)時(shí)風(fēng)速≤3 m·s-1，99%的大霧出現(xiàn)時(shí)Ts-Ta≥ 0 ℃，僅12%的大霧出現(xiàn)時(shí)有降雨發(fā)生，可見降雨直接誘發(fā)的大霧天氣所占比例較少。另外，交通氣象站與區(qū)(縣)氣象站平均相對(duì)濕度的差異不明顯，但前者的平均地表溫度比后者高，平均風(fēng)速比后者小，這可能是造成交通氣象站的霧次數(shù)比區(qū)(縣)氣象站偏多的原因之一。

2.2降水

對(duì)2013年7月2日—2015年4月30日交通氣象站與區(qū)(縣)氣象站的降雨日進(jìn)行比較，當(dāng)后者出現(xiàn)降雨日時(shí)，前者出現(xiàn)降雨日的頻率在80%～88%?？梢?，區(qū)(縣)氣象站的降雨日資料一定程度上可以反映西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段的降雨天氣特征。從圖2來(lái)看，降雨主要出現(xiàn)在4—10月，9月雨日最高，以小到中雨為主，大雨及以上量級(jí)的降雨多出現(xiàn)在7—9月，降雪出現(xiàn)在11—12月和1—3月，其中冬季1—2月出現(xiàn)日數(shù)較多。

圖1　2013年7月2日—2015年7月2日3個(gè)交通氣象站霧日數(shù)(a)、平均相對(duì)濕度(b)的逐月變化和霧次數(shù)(c)、大霧次數(shù)(d)、相對(duì)濕度≥80%次數(shù)(e)的日變化

圖2　2013年7月2日—2015年7月2日3個(gè)交通氣象站和2007年1月1日—2015年4月30日6個(gè)區(qū)(縣)氣象站的降雨日數(shù)、大雨及以上量級(jí)降雨日數(shù)和降雪日數(shù)的逐月變化

然而，3個(gè)交通氣象站與6個(gè)區(qū)(縣)氣象站降雨次數(shù)的日變化有一定差異(圖3a、圖3b)，前者觀測(cè)的降雨多出現(xiàn)在03:00—07:00和11:00—14:00，后者觀測(cè)的降雨多出現(xiàn)在07:00—12:00和17:00—20:00，二者差異可能是西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路與周邊區(qū)縣的地理位置和環(huán)境差異造成的，也可能與交通氣象站的觀測(cè)樣本少，不能充分反映該高速公路段降雨的日變化特征有關(guān)，需獲得足夠的交通氣象站資料后進(jìn)一步研究。對(duì)交通運(yùn)輸有較大影響的短時(shí)強(qiáng)降雨主要出現(xiàn)在6—9月，其中1 h降水量達(dá)50 mm以上的短時(shí)強(qiáng)降雨出現(xiàn)在7—8月(圖略)，短時(shí)強(qiáng)降雨出現(xiàn)在夜間的可能性較大(圖3c、圖3d)。

圖3　2013年7月2日—2015年7月2日3個(gè)交通氣象站和2007年1月1日—2015年4月30日6個(gè)區(qū)(縣)氣象站降雨次數(shù)和短時(shí)強(qiáng)降雨次數(shù)的日變化

2.3低溫和道路結(jié)冰

對(duì)2013年7月2日—2015年4月30日3個(gè)交通氣象站與6個(gè)區(qū)(縣)氣象站的低溫日進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)：當(dāng)后者出現(xiàn)低溫時(shí)，前者出現(xiàn)低溫的概率為80%～100%。道路結(jié)冰發(fā)生在低溫條件下，因此，6個(gè)區(qū)(縣)氣象站的低溫和道路結(jié)冰資料一定程度上可以反映西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路的低溫和道路結(jié)冰特征。

從圖4a、圖4b、圖4c來(lái)看，低溫和道路結(jié)冰主要出現(xiàn)在冬季，其中1月和12月出現(xiàn)的日數(shù)最多，離西安城區(qū)越遠(yuǎn)的高速公路段越容易出現(xiàn)低溫。利用6個(gè)區(qū)(縣)氣象站的低溫和道路結(jié)冰逐日資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)1月和12月的低溫日出現(xiàn)道路結(jié)冰的概率分別為81%和49%，明顯高于其它月份(圖略)。李蕊等[13]研究指出，當(dāng)?shù)孛鏈囟萒s≤0 ℃、相對(duì)濕度較高、風(fēng)速較小、路面潮濕或積水時(shí)，有利于道路結(jié)冰。從圖4d、圖4e和圖5來(lái)看，低溫主要出現(xiàn)在夜間至清晨，其中05:00—08:00的低溫次數(shù)明顯偏多，該時(shí)段的相對(duì)濕度較高、風(fēng)速較小，是道路結(jié)冰易發(fā)時(shí)段，與文獻(xiàn)[13]的結(jié)論一致。

根據(jù)交通氣象站低溫次數(shù)的日變化特征(圖4d)，將一日分為02:00—09:00、10:00—17:00和18:00—次日01:00共3個(gè)時(shí)段，以其地表溫度Ts≤0 ℃時(shí)的氣溫作樣本，統(tǒng)計(jì)不同時(shí)段出現(xiàn)道路結(jié)冰的氣溫臨界值(表2)。為消除異常值的影響，將樣本從小到大依次排列，取第85百分位值作為臨界值。當(dāng)?shù)孛娉睗窕蛴蟹e水時(shí)，可通過預(yù)測(cè)未來(lái)某一時(shí)段氣溫是否低于臨界值來(lái)預(yù)測(cè)是否出現(xiàn)道路結(jié)冰。對(duì)于時(shí)段預(yù)報(bào)，在02:00—09:00、10:00—17:00和18:00—次日01:00，當(dāng)最低氣溫Tamin分別低于-1.4 ℃、-0.8 ℃和-0.2 ℃，且西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段路面潮濕或有積水時(shí)，在各時(shí)段發(fā)生道路結(jié)冰的概率≥85%。對(duì)于逐日預(yù)報(bào)，當(dāng)日最低氣溫Tamin≤-1.4 ℃時(shí)，西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段在潮濕或者有積水路面出現(xiàn)結(jié)冰的概率≥85%。

圖4　2013年7月2日—2015年7月2日3個(gè)交通氣象站和2007年1月1日—2015年4月30日6個(gè)區(qū)(縣)氣象站的低溫日數(shù)、道路結(jié)冰日數(shù)的月變化和低溫次數(shù)的日變化

圖5　2013年7月2日—2015年7月2日3個(gè)交通氣象站和2007年1月1日—2015年4月30日6個(gè)區(qū)(縣)氣象站冬季平均相對(duì)濕度和風(fēng)速的日變化

站點(diǎn)氣溫臨界值/℃樣本數(shù)/個(gè)02:00—09:0010:00—17:0018:00—次日01:0002:00—09:0010:00—17:0018:00—次日01:00漢城收費(fèi)站-0.90.5-0.62743564渭河大橋北橋頭站-1.4-0.8-0.22951697機(jī)場(chǎng)收費(fèi)站0.22.81.8962185520

2.4大風(fēng)

與霧、降水、低溫和道路結(jié)冰等天氣相比，西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段監(jiān)測(cè)到大風(fēng)的次數(shù)較少。2013年7月2日—2015年7月2日期間，3個(gè)交通氣象站均沒有觀測(cè)到大風(fēng)，最大風(fēng)速僅8.6 m·s-1。從2007年1月1日—2015年4月30日6個(gè)區(qū)(縣)氣象站大風(fēng)日數(shù)的統(tǒng)計(jì)來(lái)看，西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段有出現(xiàn)大風(fēng)的可能，且春季出現(xiàn)的可能性較大(圖6)。

圖6　2007年1月1日—2015年4月30日6個(gè)區(qū)(縣)氣象站大風(fēng)日數(shù)的逐月變化

3　結(jié)論與建議

影響西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段運(yùn)營(yíng)安全的災(zāi)害性天氣主要包括霧、強(qiáng)降雨、降雪、道路結(jié)冰和大風(fēng)等。霧多出現(xiàn)在夜間至清晨，其中06:00—08:00是大霧易發(fā)時(shí)段。降雪主要發(fā)生在1—2月，而大雨及以上量級(jí)降雨主要發(fā)生在7—9月，其中短時(shí)強(qiáng)降雨多發(fā)生在夜間。道路結(jié)冰多發(fā)生在1月和12月，其中05:00—08:00是道路結(jié)冰易發(fā)時(shí)段，當(dāng)日最低氣溫Tamin≤-1.4 ℃時(shí)，在潮濕或者有積水路面出現(xiàn)結(jié)冰的概率≥85%。風(fēng)常伴隨強(qiáng)對(duì)流天氣或者強(qiáng)冷空氣活動(dòng)，春季出現(xiàn)大風(fēng)的可能性高于其它季節(jié)。

西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路段霧天應(yīng)避開06:00—08:00出行，飛機(jī)場(chǎng)等特殊部門可以通過影響局部地區(qū)的相對(duì)濕度、風(fēng)速、氣溫、地表溫度等氣象條件來(lái)驅(qū)散該地區(qū)的霧。盛夏和初秋要謹(jǐn)防強(qiáng)降雨的發(fā)生，且雨天應(yīng)減少夜間出行。冬季，在最低氣溫Tamin≤-1.4 ℃的低溫日，當(dāng)降雨(雪)或其它原因?qū)е侣访娉睗窕蛴蟹e水時(shí)，要謹(jǐn)防出現(xiàn)道路結(jié)冰，且避開05:00—08:00出行。當(dāng)大風(fēng)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，應(yīng)立即躲避。

另外，從3個(gè)交通氣象站與6個(gè)區(qū)(縣)氣象站的資料對(duì)比來(lái)看，高速公路沿線的區(qū)(縣)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)可以作為交通氣象服務(wù)參考數(shù)據(jù)，二者的災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有一定差異，為了提高交通氣象服務(wù)能力，應(yīng)加快高速公路交通氣象站建設(shè)，完善交通氣象觀測(cè)網(wǎng)。

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Characteristics of Disastrous Weather in Airport Expressway of Xi’an-Xianyang

WANG Dan1, GAO Hongyan1, HUANG Shaoni2, MA Lei1

(1.ShaanxiMeteorologicalServiceCenter,Xi’an710014,China; 2.ShaanxiMeteorologicalObservatory,Xi’an710014,China)

Based on the meteorological observation data from 3 meteorological stations of traffic in airport expressway of Xi’an-Xianyang from 2 July 2013 to 2 July 2015 and near 6 weather stations within 20 km from 1 January 2007 to 30 April 2015, the characteristics of disastrous weather in airport expressway of Xi’an-Xianyang were analyzed. The results showed that the fog often occurred from mid-night to morning, and the heavy fog often occurred from 06:00 to 08:00. The heavy rainfall and above mainly occurred in July, August and September, and the short-term heavy rainfall was more likely to occurred in the nighttime than in the daytime. Snowfall mostly occurred in January and February. Strong wind was more likely to occur in spring than in other seasons. The road icing usually occurred in January and December, and it’s easy to ice on wet and watering roads with more than 85% probability when the daily air temperature was lower than -1.4 ℃ in airport expressway of Xi’an-Xianyang. The data from weather stations within 20 km near the expressway can provide reference for traffic meteorological service, but it is slightly different from the observation from traffic meteorological stations in the expressway. For the improvement of the meteorological service ability of traffic in expressway, the construction of traffic meteorological station and observtion network should be accelerated and perfected.

expressway; meteorological station of traffic; disastrous weather

10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0731

2015-10-19；改回日期：2016-02-16

陜西省氣象局預(yù)報(bào)員專項(xiàng)(2015Y-9)和陜西省氣象局“精細(xì)化氣象格點(diǎn)預(yù)報(bào)攻關(guān)團(tuán)隊(duì)”共同資助

王丹(1986- )，女，陜西渭南人，碩士，工程師，主要從事氣象預(yù)報(bào)服務(wù)工作. E-mail: dandan-w@live.cn

1006-7639(2016)-04-0731-07DOI:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-04-0731

U491.31

A

王丹，高紅燕，黃少妮，等.西—咸機(jī)場(chǎng)高速公路災(zāi)害性天氣特征[J].干旱氣象，2016，34(4)：731-737, [WANG Dan, GAO Hongyan, HUANG Shaoni, et al. Characteristics of Disastrous Weather in Airport Expressway of Xi’an-Xianyang[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(4):731-737],