黔西南州道路交通安全高影響天氣區(qū)劃研究

金強(qiáng)兵，王文勇，韋仕麗，徐啟元，王 芬，彭顯鋒

(1.黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省興仁縣氣象局，貴州 興仁 562300)

0 引言

近年來，黔西南自治州道路交通發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了縣縣通高速、村村通硬化路。但隨著交通運(yùn)輸量快速增加和行駛速度提升，大霧、強(qiáng)降水、凝凍(道路結(jié)冰)等氣象災(zāi)害對(duì)道路交通安全的影響越來越大，氣象災(zāi)害及其衍生災(zāi)害直接或間接引發(fā)的交通安全事故給人民生命財(cái)產(chǎn)帶來極大威脅，交通氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)日益重要。特別是2015年以來，黔西南自治州交通運(yùn)輸、高速公路管理、交警等部門越來越重視和依賴氣象服務(wù)，對(duì)交通氣象服務(wù)提出了更高要求，可見，交通氣象服務(wù)有廣闊的發(fā)展前景和市場(chǎng)需求。但由于全州交通氣象站網(wǎng)建設(shè)滯后，交通氣象監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)體制機(jī)制不健全，交通氣象預(yù)警服務(wù)指標(biāo)空缺，使得交通氣象服務(wù)缺乏科技支撐，服務(wù)的質(zhì)量和數(shù)量都跟不上實(shí)際需求，服務(wù)的效益和作用大打折扣。

綜上所述，加強(qiáng)交通氣象安全指標(biāo)研究，特別是對(duì)大霧、強(qiáng)降水、低溫凝凍等高影響天氣建立交通安全氣象指標(biāo)，開發(fā)具有針對(duì)性的交通氣象服務(wù)產(chǎn)品，為道路交通安全提供更優(yōu)質(zhì)的氣象服務(wù)，能夠有效降低因不利氣象條件引發(fā)的交通事故，對(duì)于保障交通運(yùn)輸和防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。

本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合黔西南地形地貌實(shí)情及現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，以GIS為基礎(chǔ)工具，分析凝凍(道路結(jié)冰)、大霧、強(qiáng)降水等高影響災(zāi)害性天氣與道路交通安全的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并按影響值進(jìn)行等級(jí)劃分，得出黔西南州道路交通安全區(qū)劃圖，為道路交通安全氣象站網(wǎng)建設(shè)提供科學(xué)性、針對(duì)性的選址依據(jù)，為道路交通安全防范措施建設(shè)和實(shí)施交通管理等提供科學(xué)的決策依據(jù)，促進(jìn)氣象與交通信息共享，提升交通氣象服務(wù)水平，有效降低交通安全事故。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)處理方法

由于氣象數(shù)據(jù)都是離散的“點(diǎn)”，對(duì)于開展全域性的研究有很大的局限性，而交通線路是“連續(xù)”的，因此要研究氣象因子對(duì)道路交通安全的影響，就需要對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。通過對(duì)比研究，在復(fù)雜地形下，多元回歸殘差訂正插值法[1]是一種相對(duì)比較精確的氣象數(shù)據(jù)插值法，它是將氣象數(shù)據(jù)與氣象站點(diǎn)的經(jīng)度、緯度和海拔高度等相關(guān)因子進(jìn)行多元回歸，求算出回歸系數(shù)，并在GIS平臺(tái)中模擬回歸柵格面，然后以傳統(tǒng)的IDW法插值殘差模擬柵格面，并與回歸柵格面求和運(yùn)算(消除殘差)，得到最終的充分考慮了影響因素的氣象數(shù)據(jù)插值結(jié)果。

1.2 凝凍(道路結(jié)冰)區(qū)劃方法

氣溫和地溫具有較好的線性相關(guān)[2-4]，通過對(duì)比黔西南自治州近30 a的平均年最低氣溫和平均年最低地溫，可以看出地溫比氣溫要低1.4 ℃(表1)。根據(jù)張勇等人的研究[5-7]，夜間瀝青下墊面的溫度要比土壤和水泥下墊面的溫度低0.3 ℃，因此瀝青路面溫度比氣溫低1.7 ℃。而路面溫度在0 ℃及以下是路面結(jié)冰的必要條件，因此，當(dāng)夜間氣溫低于1.7 ℃時(shí)，瀝青路面就可低至0 ℃，在有降水或空氣濕度較大的情況下就有可能結(jié)冰。由于黔西南州地溫監(jiān)測(cè)只有8個(gè)國(guó)家站，樣本較少，因此，可以利用氣溫和地溫的線性相關(guān)特性，把地溫監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)移到氣溫監(jiān)測(cè)，增加樣本量，從而提高數(shù)據(jù)插值的精度。根據(jù)平均年最低氣溫分布情況，對(duì)受結(jié)冰影響的嚴(yán)重程度進(jìn)行等級(jí)劃分，得出凝凍(道路結(jié)冰)交通安全影響區(qū)劃。

表1 黔西南自治州8個(gè)國(guó)家氣象站1986—2015年平均年最低氣溫和最低地面溫度對(duì)比(單位：℃)Tab.1 Comparison of the Average Minimum Temperature and the Minimum Surface Temperature of 8 National Meteorological Stations in Qianxinan from 1986 to 2015(Unit:℃)

利用黔西南州8個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站和157個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站2011—2018年的氣溫資料(因大部分區(qū)域氣象站點(diǎn)自2011年起才有經(jīng)過質(zhì)控的歷史數(shù)據(jù)，因此2011—2018年的數(shù)據(jù)資料可用)，求取年最低氣溫的多年平均值，并用多元回歸殘差訂正插值法進(jìn)行插值，然后按照t>1.7 ℃(安全)、1.7≥t>-0.3 ℃(基本安全)、-0.3≥t>-2.3 ℃(不安全)、t≤-2.3 ℃(很不安全)的等級(jí)進(jìn)行劃分，從而得出在多年平均情況下各地可能受凝凍(道路結(jié)冰)影響的程度區(qū)劃。

1.3 大霧天氣區(qū)劃方法

黔西南州地形起伏較大，根據(jù)8個(gè)國(guó)家氣象站最近15 a(2004—2018年)大霧資料統(tǒng)計(jì)顯示(表2)，大霧的發(fā)生率(日數(shù))跟緯度和海拔高度有很大關(guān)系[8]，緯度越高、海拔越高，大霧日數(shù)就越多(2004年以后才有比較完整的能見度記錄，2004年以前的歷史資料中霧沒有按能見度分級(jí)，難以查閱)。

表2 黔西南州8個(gè)國(guó)家氣象站2004—2018年平均年霧日數(shù)統(tǒng)計(jì)表(單位：d)Tab.2 Statistics of Average Fog Days from 2004 to 2018 at 8 National Meteorological Stations in Qianxinan(Unit:d)

根據(jù)康延臻等人的研究[6,8-11]，當(dāng)出現(xiàn)煙霧、浮塵、輕霧，能見度1 km

M=V1×0.1+V2×0.2+V3×0.3+V4×0.4

式中，M為霧的綜合影響值，V1為霧日數(shù)，V2為大霧日數(shù)，V3為濃霧日數(shù)，V4為強(qiáng)濃霧日數(shù)。然后用多元回歸殘差訂正插值法對(duì)M進(jìn)行插值，并按照M<4(弱影響)、4≤M<8(一般影響)、8≤M<12(較強(qiáng)影響)、M≥12(強(qiáng)影響)進(jìn)行等級(jí)劃分，得出多年平均情況下各地可能受大霧天氣影響的程度區(qū)劃。

1.4 強(qiáng)降水天氣區(qū)劃方法

根據(jù)康延臻等人的研究[6,12,13]，當(dāng)下小雨時(shí)路面濕滑，對(duì)駕駛有較小的影響；中雨時(shí)路面有明顯積水，對(duì)駕駛有明顯影響；大雨時(shí)路面積水增大，能見度變差，對(duì)駕駛有較大影響；暴雨時(shí)路面積水較多，能見度較差，基本不能駕駛。根據(jù)黔西南州災(zāi)情數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，日降雨量在50～100 mm之間時(shí)，道路沿線會(huì)有較輕的邊坡垮塌等，且路面積水較重，對(duì)道路有一定影響；日降雨量在100～200 mm之間時(shí)，道路沿線會(huì)有較多的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，大部分路段被山洪沖刷嚴(yán)重，一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)特殊的地方道路可能中斷；日雨量超過200 mm時(shí)，會(huì)有大量的山洪泥石流和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，交通基本癱瘓。因此，可將各量級(jí)降水的日數(shù)按權(quán)重系數(shù)計(jì)算出綜合影響值。

由于小雨、中雨、大雨基本上只影響駕駛，取權(quán)重為0.1；暴雨對(duì)駕駛和道路都有影響，取權(quán)重為0.2；大暴雨對(duì)駕駛和道路有重大影響，取權(quán)重0.3；特大暴雨對(duì)駕駛和道路有特別嚴(yán)重的影響，取權(quán)重0.4。利用黔西南自治州8個(gè)國(guó)家級(jí)氣象站和157個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站2011—2017年的各量級(jí)降水日數(shù)資料，按照權(quán)重系數(shù)計(jì)算影響值，計(jì)算公式如下：

y=(a+b+c)×0.1+d×0.2+e×0.3+f×0.4

式中，y為降雨的綜合影響值，a為小雨日數(shù)，b為中雨日數(shù)，c為大雨日數(shù)，d為暴雨日數(shù)，e為大暴雨日數(shù)，f為特大暴雨日數(shù)。然后用多元回歸殘差訂正插值法將y值進(jìn)行插值，并按y<15(弱影響)、15≤y<18(一般影響)、18≤y<20(較強(qiáng)影響)、y≥20(強(qiáng)影響)進(jìn)行等級(jí)劃分，得出多年平均情況下各地可能受強(qiáng)降水天氣影響的程度區(qū)劃。

2 交通安全高影響天氣區(qū)劃

2.1 凝凍(道路結(jié)冰)交通安全區(qū)劃

如圖1所示，氣溫主要受海拔高度和緯度影響，特別是受海拔高度影響。圖中的強(qiáng)影響區(qū)表示該區(qū)年最低氣溫的多年平均值在-2.3 ℃以下，在夜間地面輻射作用下，瀝青路面溫度在-4 ℃以下，只要有降水或達(dá)到一定的空氣濕度，就會(huì)發(fā)生凝凍(道路結(jié)冰)。從圖中看出，普安大部、興仁大部、晴隆大部、安龍除南部邊緣、興義和望謨地勢(shì)高處等地區(qū)是發(fā)生凝凍頻率較高的地區(qū)；海拔、緯度均較低的興義巴結(jié)、安龍萬峰湖、冊(cè)亨望謨的河谷地帶等地區(qū)年最低氣溫的多年平均值在2 ℃以上，基本不受凝凍(道路結(jié)冰)影響。這個(gè)結(jié)果與全州高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查結(jié)果一致(在2013—2014年間，全州組織開展了交通氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查，結(jié)果為晴隆、普安大部及興仁、興義、安龍地勢(shì)高處等的高速公路凝凍風(fēng)險(xiǎn)高)。

2.2 大霧天氣交通安全區(qū)劃

圖2為黔西南州大霧天氣交通安全影響區(qū)劃。從圖可以看出，大霧天氣主要隨緯度和海拔高度變化，其中最主要是隨緯度變化，但興仁由于四周地勢(shì)相對(duì)平緩，不利于上坡霧的生成，因此在圖中出現(xiàn)了“牛眼”。霧的重災(zāi)區(qū)主要是晴隆普安，其中普安的影響值達(dá)到20.8，年平均霧日(不分級(jí)別)總數(shù)達(dá)到77.5 d。而南部地區(qū)則影響較弱，影響值在4以下，其中冊(cè)亨縣影響值僅1.7，年平均霧日總數(shù)(不分級(jí)別)僅9 d。這個(gè)結(jié)果與全州高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查結(jié)果基本吻合(根據(jù)2013—2014年開展的高速公路氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查，晴隆、普安大部及其他地區(qū)的明顯上坡路段易出現(xiàn)霧)。

圖2 黔西南州大霧天氣交通安全影響區(qū)劃Fig.2 Traffic safety impact zoning of Fog in Qianxinan

2.3 強(qiáng)降水天氣交通安全區(qū)劃

圖3為黔西南州強(qiáng)降水交通安全影響區(qū)劃圖。從圖可以看出，晴隆、普安是一個(gè)強(qiáng)降水高影響區(qū)，興義楓塘、下午屯、七舍至三江口一線是一個(gè)強(qiáng)降水高影響區(qū)，望謨打易、樂旺等地是一個(gè)強(qiáng)降水高影響區(qū)，貞豐龍場(chǎng)一帶是一個(gè)強(qiáng)降水高影響區(qū)，這些地方強(qiáng)降水天氣較多，或者有極端強(qiáng)降水天氣(如打易2011年6月6日降雨量達(dá)316 mm)，對(duì)交通安全影響較大。從圖也可以看出，強(qiáng)降水天氣與海拔有很好的正相關(guān)，海拔較高且相對(duì)于周邊地勢(shì)起伏較大的地區(qū)強(qiáng)降水較頻繁，海拔低或者地勢(shì)較平緩的地區(qū)強(qiáng)降水相對(duì)較少。

3 結(jié)論與討論

本文以黔西南州8個(gè)國(guó)家氣象站和157個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)工具，以多元回歸殘差訂正插值法為數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)方法，分析了凝凍(道路結(jié)冰)、大霧、強(qiáng)降水幾種主要災(zāi)害性天氣對(duì)交通安全的影響程度區(qū)劃，對(duì)氣象數(shù)據(jù)應(yīng)用有一定的參考意義，對(duì)于道路交通安全氣象站網(wǎng)建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)道路交通安全防范措施建設(shè)有一定的決策參考意義。

①本文通過將氣象要素與海拔高度、經(jīng)度、緯度等因子進(jìn)行多元回歸反演，充分考慮了在復(fù)雜地形下海拔高度和經(jīng)緯度等因素對(duì)氣象要素的影響，使得氣象要素的插值更精確，在分析氣象要素對(duì)交通安全的影響方面提供了新方法。

圖3 黔西南州強(qiáng)降水天氣交通安全影響區(qū)劃Fig.3 Traffic safety impact zoning of Rainfall in Qianxinan

②凝凍(道路結(jié)冰)主要受海拔高度和緯度的影響，特別是海拔高度的影響最為明顯，如望謨縣打易鎮(zhèn)(最高點(diǎn)海拔1 718 m)到縣城(567 m)直線距離僅30 km，但由于海拔落差達(dá)1 100多米，打易鎮(zhèn)就是凝凍的高影響區(qū)，而縣城則是無影響區(qū)。

③大霧主要受緯度和地形影響，隨緯度的增加而增加(緯度最高的晴隆、普安是高影響區(qū))，但在地勢(shì)較平緩的地區(qū)霧的影響較小(興仁)。

④強(qiáng)降水天氣主要跟海拔和地勢(shì)相關(guān)，在海拔較高且地勢(shì)起伏較大的區(qū)域，強(qiáng)降水天氣較頻繁，對(duì)交通的影響較大。而低洼河谷地帶及地勢(shì)相對(duì)平緩的地區(qū)影響較小。

本文通過多元回歸殘差訂正插值法對(duì)影響交通安全的氣象災(zāi)害進(jìn)行全域模擬插值，交通安全高影響天氣區(qū)劃更加合理、科學(xué)。但仍然存在影響因子不全(如沒有坡向、坡度)、氣象資料歷史不夠長(zhǎng)(區(qū)域自動(dòng)氣象站建站時(shí)間較短)、安全指標(biāo)(等級(jí)劃分)是否科學(xué)、新建的河流水庫(kù)濕地等對(duì)霧的影響未考慮等不足之處，特別是霧和降水對(duì)交通的影響權(quán)重采用的是主觀賦權(quán)法，權(quán)重系數(shù)的客觀性較差，有待作進(jìn)一步的研究。