吉林省高速路面溫度的時(shí)空變化特征

張宇彤 李云峰 石 晨 金順梅

（1.吉林省氣象服務(wù)中心，吉林長春 130062；2.吉林省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心，吉林長春 130062；3.吉林省氣象科學(xué)研究所，吉林長春 130062；4.長白山氣象與氣候變化吉林省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長春 130062）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，高速公路已四通八達(dá)、密布成網(wǎng)。我國所建高速公路以柏油（瀝青）路面結(jié)構(gòu)為主。瀝青是一種典型的溫敏材料，由其構(gòu)成的路面在自然環(huán)境中會受到多種環(huán)境因素的綜合影響，如外界氣溫、太陽輻射、降水等因素，其中氣溫對路面的影響最為明顯[1-3]。高速路面溫度的高低直接或間接影響行車安全。夏季高速路面溫度較高時(shí)易引發(fā)車輪爆胎，給高速行駛的汽車帶來交通隱患；冬季高速路面溫度較低時(shí)，遇上降水過程則易造成道路濕滑、道路結(jié)冰、道路積雪等現(xiàn)象，降低路面摩擦系數(shù)，車輛容易發(fā)生打滑或空轉(zhuǎn)，從而增加交通事故發(fā)生率[4]。

高速路面溫度是對公路交通影響重大的氣象因素之一，研究內(nèi)容豐富，實(shí)際應(yīng)用廣泛[5]。國內(nèi)外學(xué)者的研究方法，大致可以歸納為兩類：一是理論分析法，即根據(jù)熱平衡原理采用數(shù)值分析方法建立高速路面溫度的預(yù)測模型；二是統(tǒng)計(jì)分析法，即通過分析大量的觀測數(shù)據(jù)，建立高速路面溫度同相關(guān)氣象要素之間的定量關(guān)系。田華等[6]應(yīng)用逐步回歸方法建立了梅村和仙人山最高和最低高速路面溫度統(tǒng)計(jì)模型，得出最低高速路面溫度模型模擬結(jié)果與實(shí)況的變化趨勢接近，誤差絕對值不超過2℃，具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。武輝芹等[7]利用邯長、京秦高速公路涉縣、玉田南北兩個(gè)監(jiān)測站和所在氣象站觀測資料，統(tǒng)計(jì)分析兩站高速路面溫度與氣溫的日變化特征及高速路面最高溫度與氣象因子的關(guān)系，基于多元回歸分析方法建立逐月高速路面溫度預(yù)報(bào)方程，并進(jìn)行精度檢驗(yàn)。劉熙明等[8]應(yīng)用能量守恒方法，考慮太陽短波輻射、大氣和地面的長波輻射（輻散）以及潛熱、感熱傳輸?shù)饶芰恐g的平衡，建立高速路面溫度預(yù)報(bào)方法，發(fā)現(xiàn)夏季日照時(shí)間超過5h，該預(yù)報(bào)方法具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。馮蕾等[9]使用INCA多源資料融合分析和短臨外推預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)結(jié)果作為氣象強(qiáng)迫場，建立高速路面溫度理論預(yù)報(bào)模型METRo，開展江蘇省高速公路夏季路面高溫預(yù)報(bào)試驗(yàn)。

吉林省從2004年起開展露天環(huán)境溫度、柏油路面溫度及草面（雪面）溫度等特種觀測項(xiàng)目的觀測工作[10]，利用該資料分析高速路面溫度的變化特征，得出氣溫對高速路面溫度的訂正值，從而開發(fā)高速路面溫度的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，這項(xiàng)工作對交通氣象服務(wù)意義重大。

2 資料和方法

2.1 資料

選取白城、長春、四平、通化、延吉共5個(gè)觀測站代表吉林省西部、中部和東部地區(qū)，利用2015—2019年的逐小時(shí)特種觀測資料，和與其相對應(yīng)的氣溫、總云量、風(fēng)速、天氣現(xiàn)象資料，分析吉林省高速路面溫度在不同時(shí)間尺度和區(qū)域上的日變化特征。

2.2 方法

本文采用相關(guān)分析法進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式：

用檢驗(yàn)來驗(yàn)證兩個(gè)氣候變量之間的線性相關(guān)是否顯著，給定顯著性水平α=0.05。當(dāng)t＞tα?xí)r，說明相關(guān)性是顯著的。

3 高速路面溫度的時(shí)間變化特征

3.1 高速路面溫度總體特征

表1給出了吉林省5個(gè)代表站的平均高速路面溫度和氣溫。高速路面溫度和氣溫均具有明顯的日變化特征，變化趨勢大體一致，但變化幅度差別明顯?？傮w來看，高速路面溫度偏高于氣溫，年平均高速路面溫度比年平均氣溫高6.3℃。高速路面溫度和氣溫均在08—11時(shí)快速升溫，14—17時(shí)明顯降溫，由于高速路面長波輻射的夜間主導(dǎo)作用，高速路面溫度下降較氣溫更快。05時(shí)和20時(shí)的高速路面溫度與氣溫的偏差僅在1℃以內(nèi)，08時(shí)和17時(shí)的高速路面溫度比氣溫高3～6℃，而11時(shí)和14時(shí)的高速路面溫度與氣溫的偏差最大，達(dá)到12～14℃，這與太陽輻射增強(qiáng)，路面直接升溫有關(guān)。

表1 年平均高速路面溫度和氣溫的對比 ℃

如表2所示，各季節(jié)不同時(shí)刻高速路面溫度和氣溫具有顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到60%以上。從季節(jié)來看，春、秋季二者的相關(guān)性強(qiáng)于冬、夏季；在一天當(dāng)中，夜間的相關(guān)性強(qiáng)于白天，春、秋季夜間高速路面溫度和氣溫的相關(guān)系數(shù)可達(dá)90%以上。因此，在高速路面觀測資料缺少的情況下，可以訂正同時(shí)刻的氣溫值來獲得相對應(yīng)的高速路面溫度值。

表2 各季節(jié)不同時(shí)刻高速路面溫度與氣溫的相關(guān)系數(shù)

3.2 高速路面溫度的季節(jié)變化特征

對特種資料逐月分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)高速路面溫度的日變化特征存在差異。本文以1月、4月、7月、10月分別代表冬季、春季、夏季、秋季。各季節(jié)高速路面溫度的平均日變化幅度均明顯大于氣溫（圖1）。每日11—14時(shí)高速路面溫度和氣溫的偏差值最大，日落之后偏差值逐漸縮小，夜間的偏差值最小。春、夏季各時(shí)次的高速路面溫度不低于對應(yīng)時(shí)次的氣溫值。11—14時(shí)高速路面溫度與氣溫的偏差值夏季最大，可達(dá)20℃以上；春、秋季在15～20℃；冬季最小，在10℃以內(nèi)。冬季日落后氣溫值反超高速路面溫度，但二者相差很小。

圖1 1月（a）、4月（b）、7月（c）、10月（d）高速路面溫度和氣溫的日變化

3.3 不同天空狀況下高速路面溫度的日變化特征

高速路面溫度除了受氣溫變化影響之外，與天空狀況也密切相關(guān)。將天空狀況分為晴天、雨天（該時(shí)刻有降水）、多云天（總云量在7成以上），探討不同天空狀況下高速路面溫度的變化特征。

不同天空狀況下，高速路面溫度與氣溫的日變化趨勢大體一致，但高速路面溫度的變化幅度更大。晴天狀況下各季節(jié)高速路面溫度和氣溫的日變化最明顯；多云狀況下二者日變化均減弱；在雨天時(shí)，氣溫和高速路面溫度都均沒有明顯的日變化。圖2給出了晴天、多云天和降水天各季節(jié)不同時(shí)刻高速路面溫度與氣溫的偏差值。在晴天，日出后08時(shí)，高速路面溫度和氣溫的偏差夏季為12.7℃，春季為8.9℃，秋季為4.9℃，冬季為2.0℃；午后14時(shí)，夏季高速路面溫度和氣溫的偏差達(dá)到25.5℃，春季為19.7℃，秋季12.6℃，冬季為5.0℃；夜間20時(shí)和凌晨05時(shí)，四季高速路面溫度和氣溫的偏差最小，除夏季外，均在2℃以內(nèi)。在多云天，日出后08時(shí)，高速路面溫度和氣溫的偏差夏季為8℃，春季為5.4℃，秋季為3.4℃，冬季為1.5℃；午后14時(shí)，高速路面溫度和氣溫的偏差夏季為15.8℃，春季為11.7℃，秋季為6.5℃，冬季為3.6℃；20時(shí)，四季高速路面溫度和氣溫的偏差均在3℃以內(nèi)。在降水天，高速路面溫度和氣溫的偏差值較低，各季節(jié)均不超過6℃。

圖2 晴天（a）、多云天（b）、降水天（c）各季節(jié)不同時(shí)刻高速路面溫度與氣溫的偏差值

4 不同區(qū)域高速路面溫度的日變化特征

由于特種觀測站點(diǎn)有限，以白城站代表吉林省西部地區(qū)，長春站、四平站代表吉林省中部地區(qū)，通化站、延吉站代表吉林省東部地區(qū)。分析不同區(qū)域高速路面溫度的日變化情況，晴天時(shí)，東部地區(qū)14時(shí)的高速路面溫度在四季均高于中部和西部地區(qū)；西部地區(qū)14時(shí)高速路面溫度在冬、春季較中部地區(qū)偏高1～2℃，夏、秋季較中部地區(qū)略低；晴天各地區(qū)四季高速路面溫度在其他時(shí)刻相差不大。在多云天中，東部地區(qū)冬季14時(shí)高速路面溫度較中部和西部地區(qū)高2～5℃；秋季14時(shí)高速路面溫度較中部和西部地區(qū)高3℃左右；春、夏季高速路面溫度14時(shí)四季相差不大；西部地區(qū)在冬季夜間的高速路面溫度偏低于中部和東部地區(qū)。當(dāng)存在降水時(shí)，各地區(qū)高速路面溫度的日變化減弱，但西部地區(qū)春季中午前后高速路面升溫明顯，14時(shí)高速路面溫度值高出中部和東部地區(qū)6℃左右，這主要與西部地區(qū)春季降水少，太陽輻射強(qiáng)有關(guān)。不同區(qū)域高速路面溫度的日變化差異，與氣候條件、地形環(huán)境共同作用有關(guān)，因此，在實(shí)際高速路面溫度預(yù)報(bào)服務(wù)中，應(yīng)進(jìn)行分區(qū)討論。

5 結(jié)語

采用特種觀測資料，分析高速路面溫度和氣溫的日變化特征，利用高速路面溫度和氣溫的高度相關(guān)性，分季節(jié)計(jì)算氣溫和高速路面溫度的偏差值，并分不同天空狀況、不同地理區(qū)域進(jìn)行討論。

（1）吉林省高速路面溫度和氣溫均具有明顯的日變化特征，變化趨勢大體一致，每日中午前后高速路面溫度和氣溫的偏差值最大，日落之后偏差值逐漸縮小，夜間的偏差值最低。年平均高速路面溫度偏高于年平均氣溫。由于高速路面直接受到太陽輻射影響，高速路面溫度的日變化幅度大于氣溫。

（2）各季節(jié)高速路面溫度的日變化幅度明顯大于氣溫，春、夏季各時(shí)次的高速路面溫度不低于于對應(yīng)時(shí)次的氣溫值。夏季高速路面溫度與氣溫的偏差值最大，冬季最小。晴天各季節(jié)高速路面溫度和氣溫的日變化最明顯；多云狀況下二者日變化均減弱；雨天氣溫和高速路面溫度都沒有明顯的日變化。

（3）晴天東部地區(qū)14時(shí)的高速路面溫度在四季均高于中部和西部地區(qū)；多云天東部地區(qū)冬季14時(shí)高速路面溫度較中部和西部地區(qū)偏高2～5℃；秋季14時(shí)較中部和西部地區(qū)偏高3℃左右；西部地區(qū)冬季夜間的高速路面溫度偏低于中部和東部地區(qū)。雨天各地區(qū)高速路面溫度的日變化減弱，但西部地區(qū)春季中午前后高速路面升溫明顯，14時(shí)高速路面溫度值高出中部和東部地區(qū)6℃左右。

（4）各季節(jié)不同時(shí)刻高速路面溫度和氣溫具有顯著的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到60%以上。在高速路面觀測資料缺少的情況下，可以訂正同時(shí)刻的氣溫值來獲得相對應(yīng)的高速路面溫度值。高速路面溫度受時(shí)間尺度、天空狀況和地理區(qū)域的影響，利用氣溫訂正高速路面溫度時(shí)要分季節(jié)、分天空狀況和地理區(qū)域討論。