南充市高速公路夏季高溫爆胎預(yù)警研究

何強　王增武　盧德全　周耀鑫　周子欽

摘 要：本文根據(jù)2019年6—9月進行的地溫與氣溫對比觀測數(shù)據(jù)，首先分析了氣溫和路面溫度平均日變化特征，然后分析路面最高溫度與氣溫進行相關(guān)性，并建立了根據(jù)氣溫進行路面最高溫度預(yù)測的線性方程，之后結(jié)合南充市6—9月的實測氣溫，制定高速公路夏季高溫爆胎預(yù)警等級標準，最后選取高速公路爆胎事故對夏季高溫爆胎預(yù)警等級標準進行驗證。驗證結(jié)果表明，夏季高溫爆胎閾值預(yù)警方法可靠，具有參考意義。

關(guān)鍵詞：高溫爆胎閾值;預(yù)警預(yù)報;南充市;高速公路

中圖分類號：U492.8文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）13-0084-06

Study on Early Warning of High Temperature Tire Burst

in Nanchong Expressway in Summer

HE Qiang1 WANG Zengwu1 LU Dequan2 ZHOU Yaoxin1 ZHOU Ziqin2

（1.College of Resources and Environment， Chengdu University of Information Technology，Chengdu Sichuan 610225;2.Nanchong Meteorological Bureau，Nanchong Sichuan 637000）

Abstract： Based on the comparative observation data of ground temperature and air temperature from June to September 2019， this paper first analyzed the daily variation characteristics of air temperature and road surface temperature， then analyzed the correlation between the highest temperature of road surface and air temperature， and established a linear formula for predicting the highest temperature of road surface according to air temperature. Then， combined with the measured air temperature from June to September in Nanchong City， the high temperature tire burst prediction of expressway in summer was made. Finally， the early warning standard of high temperature tire burst in summer was verified by selecting the highway tire burst accident. The results show that the method is reliable and has reference significance.

Keywords： high temperature tire burst threshold;prediction;nanchong city;expressway

1 研究背景

近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，交通基建行業(yè)也隨之發(fā)展。南充市作為四川省下轄地級市，無論是路網(wǎng)的覆蓋范圍、公路里程數(shù)，還是路網(wǎng)密度等方面，都有了重大突破。截至2019年底，南充市境內(nèi)高速公路已通車10條、正在建設(shè)中5條;國省干道已通車6條、正在建設(shè)中4條;南充市公路網(wǎng)總里程已達2.27萬km，其中高速公路網(wǎng)已通車總里程共計543 km，路網(wǎng)密度182.1 km/100 km2，南充市主要高速公路分布如圖1所示。隨著南充市高速公路建設(shè)的發(fā)展，高速公路發(fā)生交通事故的數(shù)量也呈現(xiàn)上升趨勢。有關(guān)研究表明，30%～40%的高速公路交通事故是由高溫爆胎引起的，其中夏季高溫爆胎事故占全年的75%以上[1-2]，因此，高速公路夏季高溫爆胎的預(yù)警對交通安全具有重要意義。

研究高速公路夏季高溫爆胎閾值和預(yù)警，首先應(yīng)對高速公路路面溫度進行分析。近年來，朱承瑛等[3]、袁成松等[4]、田華等[5]、吳晟等[6]、曲曉黎等[7]、梁乃興等[8]都對高速公路路面溫度進行了研究，并且對路面溫度溫和氣溫建立了函數(shù)關(guān)系;馬淑紅等[9]、馬篩艷等[10]、隋東等[11]都對公路爆胎的路面溫度閾值進行了相關(guān)研究，并根據(jù)氣象觀測及預(yù)報數(shù)據(jù)進行了預(yù)警。

本文將南充市內(nèi)高速公路作為研究對象，以2019年6—9月的氣溫和高速公路路面溫度實測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合高速公路爆胎事故數(shù)據(jù)，對南充市高速公路夏季高溫爆胎閾值和預(yù)警進行研究，以進一步提升南充市交通氣象服務(wù)質(zhì)量。

2 數(shù)據(jù)來源及處理

根據(jù)2019年6—9月南充市高坪區(qū)域站S4009氣溫觀測小時數(shù)據(jù)，同期進行的高坪區(qū)域站附近蘭海高速公路路面溫度小時觀測數(shù)據(jù)，按晴、多云等不同的天氣狀況進行分類篩選，并選取晴天觀測數(shù)據(jù)作為研究夏季高溫爆胎的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);高速公路爆胎事故數(shù)據(jù)選自四川交警五分局提供的南充市境內(nèi)由夏季高溫引起爆胎的事故數(shù)據(jù)。

3 氣溫和路面溫度平均日變化特征分析

對氣溫和路面溫度按小時進行平均，分別分析氣溫及路面溫度的時間變化特征，圖2至圖5是南充市6—9月氣溫和高速公路路面溫度的日變化特征。從圖上可以看出，6—9月路面平均溫度均大于平均氣溫。晚上19：00至次日07：00，路面溫度略高于氣溫，且兩者隨時間的變化幅度基本相同;早上08：00至下午15：00，氣溫和路面溫度都呈現(xiàn)上升趨勢，但路面溫度的上升速度更快;下午15：00至傍晚18：00，路面溫度開始陡降，氣溫緩慢下降，并明顯滯后于路面溫度的下降時間。

從月份上對比來看，7月和8月中午路面溫度與氣溫相差大，路面溫度變化幅度更大。6月平均路面溫度最大值為47.5 ℃，出現(xiàn)在15：00，氣溫最大值為30.3 ℃，出現(xiàn)在17：00;7月平均路面溫度最大值為47.5 ℃，出現(xiàn)在15：00，氣溫最大值為31.9 ℃，出現(xiàn)在16：00;8月平均路面溫度最大值為56.5 ℃，出現(xiàn)在15：00，氣溫最大值為35 ℃，出現(xiàn)在16：00;9月平均路面溫度最大值為41.5 ℃，出現(xiàn)在14：00，氣溫最大值為27.5 ℃，出現(xiàn)在15：00。6月08：00—15：00的平均路面溫度溫差為19.9 ℃，平均升幅為2.84 ℃/h，上升最快的時間段為09：00—10：00，升幅為5.2 ℃/h;7月08：00—15：00的平均路面溫度溫差為22.8 ℃，平均升幅為3.26 ℃/h，上升最快的時間段為09：00—10：00，升幅為6.1 ℃/h;8月08：00—14：00的平均路面溫度溫差為25 ℃，平均升幅為4.17 ℃/h，上升最快的時間段為08：00—09：00，升幅為8.1 ℃/h;9月8：00—14：00的平均路面溫度溫差為17.5 ℃，平均升幅為2.92 ℃/h，上升最快的時間段為08：00—09：00，升幅為3.85 ℃/h。

從上述氣溫和路面溫度的變化特征可以看出，6—9月早上08：00之后，太陽輻射逐漸增強，氣溫和路面溫度均開始升高，但路面溫度的上升速度更快，路面最高溫度時間早于氣溫，其直接原因是高速公路瀝青路面吸收太陽短波輻射;下午15：00之后，太陽輻射減弱，瀝青路面放出的長波輻射能量大于吸收短波輻射能量，路面溫度明顯下降;入夜后，瀝青路面會發(fā)出長波輻射并放出熱量，但釋放的熱量不足以使路面溫度與氣溫平衡，所以晚上路面溫度也大于氣溫。進入8月份后，太陽直射北回歸線附近，導(dǎo)致8月份的氣溫和路面溫度比其他幾個月高。

對每日各時次最高路面溫度進行分析，圖6至9為6—9月日路面最高溫度各時次概率分布。從圖上可以看出，6月份路面最高溫度出現(xiàn)在15：00的概率最大，為31%;7月路面最高溫度出現(xiàn)在14：00的概率最大，為27%;8月路面最高溫度出現(xiàn)在14：00的概率最大，為59%;9月路面最高溫度出現(xiàn)在13：00的概率最大，為39%。由此可見，出現(xiàn)日最高路面溫度的時間段基本分布在13：00—15：00，說明該時間段汽車在高速公路爆胎的風(fēng)險最大。

4 日最高路面溫度預(yù)測方程研究

為了更好地探究路面溫度與氣溫的關(guān)系，本文利用日最高路面溫度和各時次的氣溫做相關(guān)性分析。6—9月的日最高路面溫度與氣溫相關(guān)性分析結(jié)果如表1至表4所示。分析結(jié)果表明，在13：00—16：00，氣溫和日最高路面溫度都有良好的相關(guān)性。在0.005的顯著性水平下，6月份在15：00的相關(guān)系數(shù)最高，為0.864;7月份在15：00的相關(guān)系數(shù)最高，為0.831;8月份在14：00的相關(guān)系數(shù)最高，為0.868;9月份在14：00相關(guān)系數(shù)最高，為0.853。因此，分別用15：00、15：00、14：00、14：00的氣溫來建立6月、7月、8月和9月的最高路面溫度預(yù)測方程。

選取與日最高路面溫度相關(guān)系數(shù)最高的時次對最高路面溫度做線性模擬，結(jié)果如表5所示，模擬結(jié)果均已通過0.005的顯著性水平檢驗，結(jié)果具有統(tǒng)計學(xué)意義。

根據(jù)模擬結(jié)果，可以建立以下預(yù)測方程。

6月日最高路面溫度預(yù)測：

7月日最高路面溫度預(yù)測：

8月日最高路面溫度預(yù)測：

9月日最高路面溫度預(yù)測：

其中：[Tmax]為最高路面溫度;[T14]為14：00氣溫;[T15]為15：00氣溫。

5 夏季高溫爆胎閾值方法研究

李杰等[12]和王曉軍等[13]經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)的研究分析和模型計算得到輪胎最高溫度與行駛速度和地表溫度的線性方程：

式中，[Tmax-斜交]為斜交輪胎最高溫度;[Tmax-子午線]為子午線輪胎最高溫度;[V]為汽車行駛速度;[T0]為路面溫度。

目前，斜交輪胎在汽車備胎、摩托車、農(nóng)用車輛使用較多，并不是高速公路上主流車輛使用的輪胎類型，所以本文對高溫爆胎閾值研究以子午線輪胎類型為主。

田小毅等[2]的研究指出，當(dāng)輪胎內(nèi)部溫度在100 ℃內(nèi)時，為正常溫度，一旦輪胎溫度超過140 ℃，將達到輪胎的硫化點，進而引發(fā)爆胎危險。因此，本文將輪胎內(nèi)部溫度引入爆胎危險進行閾值劃分：100～109 ℃不易發(fā)生爆胎;110～119 ℃有爆胎風(fēng)險;120～129 ℃較易發(fā)生爆胎;130～139 ℃易發(fā)生爆胎;大于等于140 ℃極易爆胎。以高速公路上平均車速100 km/h為標準，結(jié)合公式（6）計算可得，當(dāng)路面溫度小于24 ℃時不易爆胎;當(dāng)路面溫度為25～39 ℃時較易爆胎;當(dāng)路面溫度為40～63 ℃時易爆胎;當(dāng)路面溫度大于40～63 ℃時極易爆胎。路面溫度閾值如表6所示。

在實際的高溫爆胎預(yù)警預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用中，如果按照月份進行預(yù)警，預(yù)警模型較為復(fù)雜。為了簡化高溫爆胎預(yù)警的流程，提高實際運用中對爆胎預(yù)警的效率，本文對南充市夏季各時次溫度與日最高路面溫度相關(guān)性進行分析，發(fā)現(xiàn)在14：00時，氣溫與當(dāng)日最高路面溫度相關(guān)系數(shù)最高，為0.853。將日最高路面溫度與14：00氣溫做線性模擬，模擬結(jié)果如表7所示。

根據(jù)模擬結(jié)果，可建立如下夏季最高路面溫度預(yù)測方程：

其中：[Tmax]為最高路面溫度;[T14]為14：00氣溫。

根據(jù)爆胎路面溫度閾值，結(jié)合夏季最高路面溫度預(yù)測方程可得南充市高速公路夏季高溫爆胎預(yù)警等級標準，如表8所示。

6 夏季高溫爆胎閾值方法的檢驗

據(jù)不完全統(tǒng)計，2019年6—9月南充市高速公路發(fā)生14起爆胎事故。經(jīng)過統(tǒng)計14起事故發(fā)生時的對應(yīng)氣象站的氣溫數(shù)據(jù)，根據(jù)南充市高速公路夏季高溫爆胎預(yù)警等級標準進行預(yù)測，具體結(jié)果如表9所示。14起爆胎均成功預(yù)警，說明夏季高溫爆胎閾值方法可靠，具有參考意義。

7 結(jié)論

①南充市夏季各時次路面溫度大于對應(yīng)時次的氣溫;早上08：00到下午15：00，氣溫和路面溫度都呈現(xiàn)上升趨勢且路面溫度上升速度更快;下午15：00到傍晚18：00，路面溫度開始陡降，氣溫緩慢下降并明顯滯后于路面溫度。

②南充市夏季的日最高路面溫度絕大多數(shù)分布在13：00—15：00，是發(fā)生高速公路爆胎事故高風(fēng)險時段。

③各時次氣溫和日最高路面溫度相關(guān)性最好的時間段為13：00—16：00。

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收稿日期：2020-04-07

基金項目：高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點實驗室科技發(fā)展基金項目（SCQXKJZD2019004）;風(fēng)云三號（02 批）氣象衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)工程西南區(qū)域道路交通衛(wèi)星遙感監(jiān)測服務(wù)應(yīng)用軟件研制（ZQC-J19193）。

作者簡介：何強（1994—），男，碩士在讀，研究方向：3S集成與氣象應(yīng)用、道路氣象服務(wù)。