酒泉市公路交通氣象監(jiān)測及決策服務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

王 曉，朱彩霞，張文軍

(酒泉市氣象局,甘肅 酒泉 735000)

0 引 言

酒泉市地處河西走廊西端，位于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶黃金地段，是甘肅省面積最大的城市，東西長約680 km，南北寬約550 km，總面積19.2萬km2，占甘肅省面積的42%，境內(nèi)國、省、縣道和專用公路2 622 km。酒泉是氣候變化敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，境內(nèi)天氣原因引發(fā)的交通事故約占全年總事故的8%。雨、雪、大風(fēng)、沙塵、高溫是引發(fā)區(qū)域內(nèi)交通事故的主要天氣類型，這些天氣造成的道路積水、結(jié)冰、能見度降低、高溫爆胎等是影響酒泉市公路交通安全的主要?dú)庀笠蛩?。?jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于酒泉市地域遼闊、境內(nèi)公路路線長，要降低氣象災(zāi)害對公路交通運(yùn)輸?shù)挠绊懀紫纫獙费鼐€天氣狀況、路面狀況、能見度等實(shí)況信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，然后要依據(jù)天氣形勢演變，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)公路交通氣象因素變化趨勢，特別是要對影響公路交通的高影響天氣開展預(yù)報(bào)、預(yù)警，并將上述監(jiān)測、預(yù)報(bào)、預(yù)警信息及時提供給公路、交通運(yùn)輸管理部門，以便能夠第一時間作出相應(yīng)決策，最大程度減輕氣象條件對公路交通的不利影響。

因此綜合現(xiàn)狀，制定布局合理、觀測種類齊全、符合酒泉市公路交通氣象災(zāi)害分布特征的公路交通氣象觀測站網(wǎng)；建立集公路、交通氣象地面觀測、雷達(dá)、衛(wèi)星監(jiān)測、預(yù)報(bào)預(yù)警等氣象數(shù)據(jù)和實(shí)景監(jiān)測信息等公路、交通數(shù)據(jù)、地理信息數(shù)據(jù)為一體的公路交通氣象綜合數(shù)據(jù)庫；建立主要高速公路的大風(fēng)、沙塵、高溫引發(fā)的交通事故、道路結(jié)冰等公路交通氣象災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，建設(shè)酒泉市公路交通氣象服務(wù)與決策系統(tǒng)勢在必行。

1 酒泉市高速公路氣象監(jiān)測系統(tǒng)簡介

1.1 氣象監(jiān)測網(wǎng)概述

酒泉市交通氣象監(jiān)測網(wǎng)站由酒泉市高速公路沿線28個區(qū)域氣象站和7個縣級以上8要素常規(guī)自動氣象站構(gòu)成，同時在酒泉市境內(nèi)交通氣象災(zāi)害多發(fā)區(qū)域當(dāng)金山路段、G30柳星段、G3011瓜敦段等路段建設(shè)了4個6要素(風(fēng)向、風(fēng)速、降水、溫度、濕度、氣壓、)區(qū)域自動氣象監(jiān)測站，依托酒泉?dú)庀笥^測網(wǎng)和酒泉新一代天氣雷達(dá)的監(jiān)測資料，為公路交通氣象災(zāi)害防御提供保障服務(wù)。

1.2 區(qū)域自動氣象站

區(qū)域自動氣象站配置由雨量傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、氣壓傳感器、地溫傳感器、數(shù)據(jù)采集、通信模塊、供電系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)及其它附件組成。

1.3 公路交通氣象站

公路交通氣象站對公路沿線的能見度、風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、雨量、路面狀況(表面溫度、干濕狀況、結(jié)冰)等進(jìn)行自動監(jiān)測，并將監(jiān)測信息及時傳送到監(jiān)控中心，在惡劣或極端氣象條件下能及時發(fā)出警示信息，以多種方式告知管理人員和駕駛員，以提高公路交通的安全行車水平。

1.4 公路交通氣象站系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由公路交通氣象站(外站)、和氣象監(jiān)控中心站等部分組成。

2 酒泉市公路交通氣象決策服務(wù)系統(tǒng)的主要功能

2.1 酒泉市公路交通氣象信息綜合數(shù)據(jù)庫的構(gòu)成

(1)地理信息數(shù)據(jù)：主要包括行政區(qū)邊界信息(包括省界、地區(qū)界、縣界、鄉(xiāng)鎮(zhèn)界)和公路信息(215，314，302，312，214，216公路)，公路信息以養(yǎng)護(hù)區(qū)、路段、路樁號為單位。

(2)交通氣象服務(wù)對應(yīng)的氣象信息：包括實(shí)況、預(yù)報(bào)、預(yù)警等各種氣象數(shù)據(jù)，實(shí)況資料：主要是酒泉全市觀測站和區(qū)域氣象站的資料，以數(shù)據(jù)庫形式存放，預(yù)報(bào)資料：預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要是EC細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)預(yù)報(bào)資料，未來7 d的預(yù)報(bào)，各種數(shù)值預(yù)報(bào)、雷達(dá)估測預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)、同化系統(tǒng)預(yù)報(bào)等各類預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以文件形式存放。

圖1 公路交通氣象服務(wù)系統(tǒng)

2.2 酒泉市公路交通氣象預(yù)報(bào)

(1)數(shù)據(jù)整理和氣象要素空間化

①資料來源和統(tǒng)計(jì)

資料來源：實(shí)況資料：主要是酒泉全市7個縣級8要素觀測站和公路沿線3 km范圍內(nèi)28個區(qū)域氣象站的資料，以數(shù)據(jù)庫形式存放。

預(yù)報(bào)資料：預(yù)報(bào)產(chǎn)品主要是EC細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)預(yù)報(bào)資料，未來7 d的預(yù)報(bào)，各種數(shù)值預(yù)報(bào)、雷達(dá)估測預(yù)報(bào)和集合預(yù)報(bào)、同化系統(tǒng)預(yù)報(bào)等各類預(yù)報(bào)產(chǎn)品，以文件形式存放。

表1 公路沿線區(qū)域氣象站信息

②格點(diǎn)預(yù)報(bào)訂正和質(zhì)量檢驗(yàn)

基于EC格點(diǎn)預(yù)報(bào)資料釋用訂正，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整實(shí)驗(yàn)，卡爾曼濾波方法可以有效的提高ECthin最低氣溫的預(yù)報(bào)質(zhì)量，最高氣溫用線性回歸的方法做出的效果較好，這與ECthin最高氣溫對我市預(yù)報(bào)的效果較好有關(guān)。

表2 各縣市站點(diǎn)最低氣溫5、6月24～72 h線性預(yù)報(bào)方程系數(shù)表

③最高氣溫預(yù)報(bào)訂正方法

由于Ecthin對本地最高氣溫有著較好的預(yù)報(bào)能力，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)線性回歸方法效果明顯。

表3 52418站點(diǎn)5～6月實(shí)況氣溫與預(yù)報(bào)因子相關(guān)系數(shù)表

在對表3中的9個預(yù)報(bào)因子采用逐步回歸方法后發(fā)現(xiàn)，基本上所有站點(diǎn)最高氣溫與Ecthin預(yù)報(bào)最高氣溫和17時露點(diǎn)溫度有較好的線性模擬關(guān)系。各時次訂正預(yù)報(bào)方程如下(其中X1為預(yù)報(bào)最高氣溫，X2為17時露點(diǎn)溫度)：

敦煌：Y24=6.181+0.825×X1+0.12×X2，復(fù)相關(guān)系數(shù)0.88。

Y48=7.758+0.766×X1+0.111×X2，復(fù)相關(guān)系數(shù)0.89。

Yn=7.99+0.753×X1+0.078×X2，復(fù)相關(guān)系數(shù)0.87。

2.3 酒泉市公路氣象預(yù)警

為直觀表示氣象災(zāi)害對高速公路運(yùn)營的實(shí)際影響程度，系統(tǒng)對關(guān)鍵監(jiān)測信息進(jìn)行了分級預(yù)警研究，制定了適用于酒泉的交通氣象分級預(yù)警劃分標(biāo)準(zhǔn)，分級預(yù)警判斷包括路面高溫引發(fā)的爆胎、道路橫風(fēng)、道路結(jié)冰這幾項(xiàng)監(jiān)測要素。并結(jié)合GIS地圖信息，實(shí)現(xiàn)任意時段內(nèi)公路沿線的預(yù)警顯示功能，將達(dá)到預(yù)警的數(shù)據(jù)在地圖上閃爍以及聲音的方式進(jìn)行預(yù)警提示，提供站點(diǎn)彈出功能，顯示的數(shù)據(jù)有該站點(diǎn)的站名、高溫、低溫以及風(fēng)速氣象要素?cái)?shù)據(jù)，每條路線的數(shù)據(jù)以表格的形式進(jìn)行顯示，主要顯示數(shù)據(jù)有路段名稱、相對應(yīng)的路段天氣現(xiàn)象以及相對應(yīng)的預(yù)報(bào)結(jié)果數(shù)據(jù)。

(1)路面高溫爆胎預(yù)警分級

表4 路面高溫爆胎預(yù)警分級

(2)道路橫風(fēng)預(yù)警分級

橫風(fēng)對道路養(yǎng)護(hù)和安全運(yùn)行影響很大，強(qiáng)風(fēng)災(zāi)害中瞬時風(fēng)速是引發(fā)翻車事故的動力因素，在特殊路段(高路的彎道，高架橋，埡口，峽谷等地)會產(chǎn)生風(fēng)的增速效應(yīng)。

根據(jù)對橫風(fēng)路段瞬時風(fēng)速數(shù)據(jù)的分析，達(dá)15.0 m/s以上，當(dāng)線路走向與強(qiáng)風(fēng)主風(fēng)向的夾角在75～95°之間，會有強(qiáng)橫風(fēng)。

表5 道路橫風(fēng)預(yù)警分級

(3)道路結(jié)冰預(yù)警分級

表6 路面結(jié)冰預(yù)警分級

結(jié)論：當(dāng)路面有積水時，氣溫在0 ℃～2 ℃之間時結(jié)冰多發(fā)，降雪或雨夾雪時，氣溫0 ℃～2 ℃到是結(jié)冰多發(fā)期。

3 結(jié) 論

已經(jīng)建成的酒泉市高速公路氣象監(jiān)測和決策服務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了酒泉市高速公路氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集和公路氣象預(yù)報(bào)、預(yù)警?；贓C細(xì)網(wǎng)格格點(diǎn)的訂正預(yù)報(bào)，可以精確到具體路段，對道路交通的指導(dǎo)意義更為明確。建立路況氣象指數(shù)預(yù)報(bào)可以提升公路氣象服務(wù)的針對性。提高了我市公路氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和精細(xì)化水平。

(1)酒泉公路交通氣象預(yù)報(bào)在系統(tǒng)建成后，通過公路沿線自動氣象站站實(shí)時氣象數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，對公路氣象數(shù)據(jù)每5分鐘進(jìn)行一次自動更新與收集，形成每一路段的降雨、降雪量、氣溫、風(fēng)速及風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

(2)酒泉市公路交通氣象預(yù)報(bào)在制作展示上，都以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，增加了影響路段圖示的產(chǎn)品更為直觀，每日自動生成交通氣象日報(bào)和省養(yǎng)公路運(yùn)行信息快報(bào)，通過手機(jī)短信、傳真、微信、QQ等方式一鍵式發(fā)布?xì)庀笮畔⒌裙δ埽瑢μ嵘迫窇?yīng)急處置準(zhǔn)備工作和日常養(yǎng)護(hù)、大中修養(yǎng)護(hù)維修工程科學(xué)決策提供氣象數(shù)據(jù)支撐。

(3)酒泉市公路交通氣象服務(wù)平臺底圖上詳細(xì)標(biāo)注出了所有養(yǎng)護(hù)區(qū)名稱、路樁樁號，以路段名稱為查詢關(guān)鍵詞，加強(qiáng)了8個養(yǎng)護(hù)中心，36個路段精細(xì)化專業(yè)氣象預(yù)報(bào)、節(jié)假日天氣研判和氣象監(jiān)測信息共享，提高了公路交通氣象災(zāi)害的防御和應(yīng)急處置能力，實(shí)現(xiàn)了和公路局各單位的養(yǎng)護(hù)、生產(chǎn)、調(diào)度工作緊密結(jié)合。

(4)區(qū)域內(nèi)氣象災(zāi)害監(jiān)測資料大型共享數(shù)據(jù)庫的建成，實(shí)現(xiàn)了全市氣象部門和交通公路部門的監(jiān)測站點(diǎn)資料的共享。