京藏高速民和至西寧段冬季路面與地面最低溫度變化特征及相關(guān)性研究

保廣裕，張 靜，劉 瑋，雷春苗，鄭 玲，李寶華

（青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要命脈?，F(xiàn)代交通運(yùn)輸體系追求便捷、安全、通暢和高效的同時(shí)，很大程度上受到天氣、氣候因素的影響和制約，氣象條件導(dǎo)致的交通事故與安全問(wèn)題成為社會(huì)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)和[1-7]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用公路交通沿線出現(xiàn)的交通事故資料和氣象資料，采用各類科學(xué)方法建立公路交通氣象預(yù)警服務(wù)模型及災(zāi)害性天氣對(duì)公路交通影響等方面做了諸多研究[8-17]。SHAO等[18]認(rèn)為當(dāng)?shù)烂娲嬖诜e水（雪），道面溫度低于0℃時(shí)，道面將產(chǎn)生結(jié)冰。保廣裕等[19-20]對(duì)青海省道路結(jié)冰變化時(shí)空分布特征及其影響等級(jí)進(jìn)行研究，結(jié)合道路孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和致災(zāi)因子，建立了青海省公路沿線強(qiáng)降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃模型。

京藏高速青海段沿線地形復(fù)雜多樣，自然條件較差，氣象災(zāi)害較多，冬季低溫雨雪道路結(jié)冰引發(fā)的交通事故頻發(fā)。目前青海省交通氣象監(jiān)測(cè)站點(diǎn)稀疏，氣象服務(wù)保障能力相對(duì)較弱，缺乏對(duì)公路交通沿線路面溫度等氣象要素連續(xù)性變化的分析研究。故本文利用京藏高速公路交通沿線青海境內(nèi)民和至西寧段2017年12月新建的交通氣象觀測(cè)站的路面溫度和常規(guī)氣象觀測(cè)站的地面溫度觀測(cè)資料，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)線性趨勢(shì)相關(guān)方法，對(duì)冬季路面與地面最低溫度的變化特征及相關(guān)性開展分析研究，為青海省公路交通沿線低溫監(jiān)測(cè)預(yù)警和交通運(yùn)輸安全保障提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

選取京藏高速公路交通沿線青海境內(nèi)的民和至西寧段為研究路段，該路段呈東西走向，沿線附近共布設(shè)有4個(gè)常規(guī)氣象觀測(cè)站和4個(gè)交通氣象觀測(cè)站（圖1）。從東到西常規(guī)氣象觀測(cè)站為民和站、樂(lè)都站、平安站和西寧站；交通氣象觀測(cè)站為老鴉峽站、高廟橋站、漢莊站和朝陽(yáng)站，其中朝陽(yáng)站和老鴉峽站路面溫度采用模擬路面，高廟橋站和漢莊站位于京藏高速路面上，路面溫度采用紅外探測(cè)儀逐日逐分鐘連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)中選取路面溫度的最高值和最低值，即為路面最高溫度和最低溫度。

圖1 京藏高速公路民和至西寧段與氣象觀測(cè)站高程分布

本文選取京藏高速公路交通沿線青海境內(nèi)民和至西寧段2018—2020年1、2和12月逐日逐小時(shí)4個(gè)交通氣象觀測(cè)站和4個(gè)常規(guī)氣象觀測(cè)站氣象資料，包括逐小時(shí)整點(diǎn)0 cm路面/地面溫度、逐日0 cm路面/地面最低溫度和最高溫度。冬季各月的日資料為2018—2020年逐日24 h觀測(cè)資料的平均值。選擇常規(guī)氣象觀測(cè)站與鄰近交通氣象觀測(cè)站進(jìn)行對(duì)比分析，即西寧站與朝陽(yáng)站、平安站與漢莊站、樂(lè)都站與高廟橋站、民和站與老鴉峽站，相鄰常規(guī)氣象觀測(cè)站和交通氣象觀測(cè)站點(diǎn)詳細(xì)信息見表1。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)線性趨勢(shì)相關(guān)方法，分別對(duì)路面和地面的最低溫度、最高溫度進(jìn)行相關(guān)性分析，建立冬季各月路面最低溫度與地面最低溫度、路面最高溫度與地面最高溫度之間的一元線性回歸模型[21—23]。

表1 常規(guī)氣象觀測(cè)站和交通氣象觀測(cè)站點(diǎn)基本信息

2 冬季路面最低溫度與地面最低溫度的變化特征

2.1 路面與地面最低溫度的變化特征

冬季平均路面最低溫度與地面最低溫度的最低值出現(xiàn)在08—09時(shí)。

12月高廟橋站平均路面最低溫度出現(xiàn)在09時(shí)，其余交通觀測(cè)站的平均路面最低溫度出現(xiàn)在08時(shí)，朝陽(yáng)站與西寧站、漢莊站與平安站、高廟橋站與樂(lè)都站、老鴉峽站與民和站的平均路面最低溫度值比平均地面最低溫度值高2.5、4.6、7.9和1.7℃。1月朝陽(yáng)站和老鴉峽站平均路面最低溫度出現(xiàn)在08時(shí)，平均路面最低溫度值分別為-10.6和-8.0℃，高廟橋站和漢莊站平均路面最低溫度出現(xiàn)在09時(shí)，平均路面最低溫度值分別為-7.4和-6.0℃，西寧站與朝陽(yáng)站、平安站與漢莊站、樂(lè)都站與高廟橋站、民和站與老鴉峽站的平均地面最低溫度值比路面最低溫度值低2.6、3.8、7.7和2.0℃（圖2）。2月常規(guī)氣象觀測(cè)站平均地面最低溫度與交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度出現(xiàn)在08時(shí)，西寧站與朝陽(yáng)站、平安站與漢莊站、樂(lè)都站與高廟橋站、民和站與老鴉峽站的平均地面最低溫度值比路面最低溫度值低3.8、6.5、10.9和2.4℃。上述各站平均路面最低溫度與地面最低溫度差異較大的原因可能與交通氣象觀測(cè)站點(diǎn)所在的地理位置及環(huán)境有關(guān)，高廟橋站和漢莊站位于京藏高速路面上，而朝陽(yáng)站和老鴉峽站離路面相對(duì)較遠(yuǎn)，且采用未有車輛通行的模擬路面進(jìn)行觀測(cè)，故相鄰的路面與地面最低溫差值的差異較大。

圖2 冬季1月逐小時(shí)平均路面最低溫度和地面最低溫度日變化曲線

日出后，冬季平均地面最低溫度的升溫速度快于路面最低溫度的升溫速度，平均地面最低溫度比路面最低溫度到達(dá)峰值的時(shí)間超前1～2 h。

各常規(guī)氣象觀測(cè)站12月平均地面最低溫度14時(shí)均達(dá)到最高值，而交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度在15時(shí)達(dá)到最高值。西寧站平均地面最低溫度最高值比朝陽(yáng)站平均路面最低溫度的最高值高1.1℃，平安站比漢莊站高4.1℃，樂(lè)都站比高廟橋站高8.1℃，民和站比老鴉峽站高7.5℃。各常規(guī)氣象觀

測(cè)站1月平均地面最低溫度在14—15時(shí)達(dá)到最高值，交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度在15—16時(shí)達(dá)到最高值，朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站平均路面最低溫度的最高值分別為6.5、7.0、6.9和1.6℃，西寧站、平安站、樂(lè)都站和民和站的平均地面最低溫度值分別為9.9、11.0、16.8和9.1℃。各常規(guī)氣象觀測(cè)站2月平均地面溫度在14時(shí)達(dá)到峰值，而交通氣象觀測(cè)站平均路面溫度在15—16時(shí)達(dá)到峰值。10—17時(shí)西寧站和朝陽(yáng)站、樂(lè)都站和高廟橋站、民和站和老鴉峽站、平安站和漢莊站的平均地面最低溫度明顯高于平均路面最低溫度，各站間最低溫度的差值分別為1.9～14.1℃、0.5～14.7℃、0.2～15.7℃和1.3～9.3℃。

冬季1月和12月平均地面最低溫度＜0℃維持17～18 h，平均路面最低溫度＜0℃維持18～22 h；2月平均地面最低溫度和路面最低溫度＜0℃的時(shí)間均有所縮減。

12月常規(guī)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均地面最低溫度＜0℃可維持17～18 h，交通氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均路面最低溫度＜0℃可維持18～22 h。1月常規(guī)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均地面最低溫度＜0℃維持17～18 h，交通氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均路面最低溫度＜0℃維持18～22 h。2月常規(guī)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均地面最低溫度＜0℃維持15～16 h，交通氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均路面最低溫度＜0℃維持8～17 h。

日落時(shí)，冬季平均地面最低溫度降溫速度快于路面最低溫度的降溫速度，17—18時(shí)平均地面最低溫度＜0℃，而17—20時(shí)平均路面最低溫度＜0℃。

12月民和站和老鴉峽站、樂(lè)都站和高廟橋站在18時(shí)—次日09時(shí)平均地面最低溫度比路面最低溫度低0.4～3.4℃和3.8～8.8℃，平安站和漢莊站、西寧站和朝陽(yáng)站在16時(shí)—次日09時(shí)平均地面最低溫度比路面最低溫度低3.4～5.9℃和0.7～3.1℃。1月西寧站和朝陽(yáng)站、民和站和老鴉峽站在18時(shí)—次日09時(shí)平均地面最低溫度值比路面最低溫度分別低1.6～3.1℃和1.1～3.6℃，平安站和漢莊站、樂(lè)都站和高廟橋站在17時(shí)—次日09時(shí)平均地面最低溫度值比路面最低溫度值分別低2.7～6.0℃和0.2～8.6℃。2月西寧站和朝陽(yáng)站、樂(lè)都站和高廟鎮(zhèn)站、民和站和老鴉峽站18時(shí)—次日09時(shí)平均地面最低溫度與路面最低溫度差值分別為0.5～4.3℃、3.5～11.2℃和2.6～5.6℃，平安站和漢莊站16時(shí)—次日09時(shí)地面最低溫度值比路面最低溫度值低1.4～8.2℃。

2.2 不同站點(diǎn)路面最低溫度的變化特征

從冬季各月交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度日變化曲線（圖3）可以看出，各交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度均有差異，但平均路面最低溫度變化趨勢(shì)基本一致。冬季22時(shí)—次日10時(shí)平均路面最低溫度由高到低依次為高廟橋站、漢莊站、老鴉峽站、朝陽(yáng)站，11—21時(shí)平均路面最低溫度變化比較復(fù)雜，09—15時(shí)高廟橋站和漢莊站平均路面溫度上升速度較漢莊站和老鴉峽站上升速度快，平均路面溫度達(dá)到最高值后下降速度慢。各交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度值在15—18時(shí)達(dá)到最高，且11時(shí)后的4～5 h平均路面最低溫度的變化趨勢(shì)最為接近。

圖3 冬季各月交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度日變化曲線

冬季夜間平均路面最低溫度高廟橋站高于漢莊站，漢莊站高于老鴉峽站，老鴉峽站高于朝陽(yáng)站；白天老鴉峽站平均路面最低溫度變化差異較大，高廟橋站、漢莊站和朝陽(yáng)站平均路面最低溫度變化基本一致。各交通氣象站平均路面最低溫度變化的差異是交通氣象觀測(cè)站的海拔高度、氣象條件、地形和周邊環(huán)境共同作用的結(jié)果。

2.3 不同站點(diǎn)地面最低溫度的變化特征

從冬季各月常規(guī)氣象觀測(cè)站平均地面最低溫度日變化曲線（圖4）可知，冬季平均地面最低溫度變化趨勢(shì)基本一致。西寧站、平安站、樂(lè)都站和民和站的平均地面最低溫度晝夜差異較大，09—18時(shí)各站平均地面最低溫度升降變化趨勢(shì)基本一致，樂(lè)都站平均地面最低溫度在11—18時(shí)高于其余3站。夜間各站平均地面最低溫度變化幅度不大，平均地面最低溫度由高到低依次為民和站、平安站、西寧站和樂(lè)都站，白天平均地面最低溫度由高到低依次為樂(lè)都站、平安站、民和站和西寧站。日出至日落期間各站平均地面最低溫度變化趨勢(shì)呈拋物線，各站在日出日落時(shí)平均地面最低溫度非常接近。

圖4 冬季各月常規(guī)氣象觀測(cè)站平均地面最低溫度日變化曲線

總之，冬季常規(guī)氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均地面最低溫度變化趨勢(shì)與交通氣象觀測(cè)站逐小時(shí)平均路面最低溫度變化趨勢(shì)一致，但一天中平均地面最低溫度隨日出/日落（升溫或降溫）的變化速率要高于路面最低溫度，且平均地面最低溫度的變化幅度比路面最低溫度變化幅度大。平均地面最低溫度白天回升速度快于路面最低溫度，平均地面最低溫度達(dá)到最高值后下降速度快于路面最低溫度的下降速度。日落后平均地面最低溫度比路面最低溫度下降速度快，同時(shí)從日出到日落，平均路面最低溫度與地面最低溫度間的變化幅度較大；而日出前和日落后，平均路面最低溫度與地面最低溫度相差明顯減小。秦健等[24-25]研究瀝青路面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，造成公路瀝青路面溫度變化的主要原因是氣溫和太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。

3 地面溫度與路面溫度的相關(guān)性研究

3.1 路面最低溫度與地面最低溫度相關(guān)關(guān)系

利用京藏高速公路交通沿線青海境內(nèi)民和至西寧段2018—2020年1、2和12月逐日交通氣象觀測(cè)站路面最低溫度和常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最低溫度資料，研究了朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站逐日路面最低溫度與西寧站、平安站、樂(lè)都站和民和站地面最低溫度間的相關(guān)關(guān)系。圖5是冬季1月各交通氣象觀測(cè)站路面最低溫度與常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最低溫度相關(guān)關(guān)系圖，圖中y表示交通氣象觀測(cè)站路面最低溫度，x表示常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最低溫度。路面最低溫度與地面最低溫度有著較好的線性相關(guān)關(guān)系，西寧站、朝陽(yáng)站、平安站、漢莊站、樂(lè)都站、高廟橋站與民和站、老鴉峽站1月相關(guān)系數(shù)分別為0.78、0.61、0.76、0.88，路面最低溫度與地面最低溫度的相關(guān)性方程如表2。同理建立了2和12月路面最低溫度與地面最低溫度相關(guān)關(guān)系。2月朝陽(yáng)站與西寧站、漢莊站與平安站、高廟橋站與樂(lè)都站、老鴉峽站與民和站的相關(guān)系數(shù)分別為0.95、0.80、0.86、0.93，12月朝陽(yáng)站與西寧站、漢莊站與平安站、高廟橋站與樂(lè)都站、老鴉峽站與民和站的相關(guān)系數(shù)分別為0.93、0.74、0.77、0.89。各方程均通過(guò)0.001的顯著性檢驗(yàn)。冬季低溫雨雪誘發(fā)的道路結(jié)冰極易引發(fā)交通事故，因此應(yīng)更加注重冬季路面低溫預(yù)報(bào)模型的研究改進(jìn)。通過(guò)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站4站路面最低溫度與常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最低溫度間的相關(guān)性均十分顯著。為檢驗(yàn)路面最低溫度與地面最低溫度相關(guān)性方程，對(duì)2021年1—2月預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，以預(yù)報(bào)值與實(shí)況值差的絕對(duì)值在2℃范圍內(nèi)為準(zhǔn)確，效果檢驗(yàn)中朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站逐日路面最低溫度總體預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為86.4%、83.1%、78.0%和84.8%。因此均具有較好的實(shí)用性和推廣性，均可進(jìn)行業(yè)務(wù)化使用。

表2 各交通氣象觀測(cè)站路面最低溫度與常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最低溫度相關(guān)性方程

圖5 冬季1月交通氣象觀測(cè)站路面最低溫度與常規(guī)站氣象觀測(cè)站地面最低溫度相關(guān)關(guān)系

3.2 路面最高溫度與地面最高溫度相關(guān)關(guān)系

利用京藏高速公路交通沿線青海境內(nèi)民和至西寧路段2018—2020年1、2和12月逐日交通氣象觀測(cè)站路面最高溫度和常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最高溫度資料，研究了朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站逐日路面最高溫度與西寧站、平安站、樂(lè)都站和民和站地面最高溫度間的相關(guān)關(guān)系。圖6是冬季1月各交通氣象觀測(cè)站路面最高溫度與常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最高溫度相關(guān)關(guān)系圖，圖6關(guān)系式中y表示交通氣象觀測(cè)站路面最高溫度，x表示常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最高溫度。從圖中可以看出路面最高溫度與地面最高溫度絕大多數(shù)均勻且集中分布在趨勢(shì)線附近。同理可以建立2月和12月各站路面最高溫度與地面最高溫度的相關(guān)關(guān)系，經(jīng)計(jì)算，朝陽(yáng)站1、2和12月路面最高溫度與西寧站地面最高溫度的相關(guān)系數(shù)分別為0.92、0.56、0.66，漢莊站與平安站分別為0.76、0.84、0.54，高廟橋站與樂(lè)都站分別為0.84、0.78、0.75，老鴉峽站與民和站分別為0.85、0.87、0.82，各站路面最高溫度與地面最高溫度相關(guān)系數(shù)均較高。因此，采用地面最高溫度建立路面最高溫度一元線性回歸方程如表3。各方程均通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn)。通過(guò)相關(guān)性統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，路面最高溫度和地面最高溫度的相關(guān)性十分顯著。為檢驗(yàn)路面最高溫度與地面最高溫度相關(guān)性方程，對(duì)2021年1—2月預(yù)報(bào)效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，以預(yù)報(bào)值與實(shí)況值差的絕對(duì)值在2℃范圍內(nèi)為準(zhǔn)確，效果檢驗(yàn)中朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站逐日路面最高溫度總體預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為83.1%、79.7%、76.3%和71.2%。因此均具有較好的推廣性和實(shí)用性，均可進(jìn)行業(yè)務(wù)化使用。

圖6 冬季1月交通氣象觀測(cè)站路面最高溫度與常規(guī)氣象觀測(cè)站地面最高溫度相關(guān)關(guān)系

表3 各交通氣象觀測(cè)站路面最高溫度與地面最高溫度相關(guān)性方程

4 結(jié)論

通過(guò)分析京藏高速民和至西寧段冬季不同月份朝陽(yáng)站、漢莊站、高廟橋站和老鴉峽站平均路面最低溫度與西寧站、平安站、樂(lè)都站和民和站平均地面最低溫度變化特征的基礎(chǔ)上，利用統(tǒng)計(jì)方法建立了各交通氣象觀測(cè)站路面最低溫度和路面最高溫度相關(guān)性方程，得到以下結(jié)論：

（1）冬季交通氣象觀測(cè)站平均路面最低溫度和常規(guī)氣象觀測(cè)站平均地面最低溫度具有明顯的日變化特征，平均路面最低溫度和地面最低溫度達(dá)到最低值和最高值的時(shí)間并非完全相同。平均地面最低溫度隨日出/日落（升溫或降溫）的變化速率要高于平均路面最低溫度；并且平均地面最低溫度的變化幅度要比路面最低溫度變化幅度大。

（2）白天平均地面最低溫度回升速度快于路面最低溫度，當(dāng)平均地面最低溫度達(dá)到最高值后下降速度也快于平均路面最低溫度，平均地溫最低溫度最高值比路面最低溫度的最高值超前1～2 h。一般情況下，平均地面最低溫度＜0℃可維持15～18 h，平均路面最低溫度＜0℃可維持8～22 h。

（3）日落后常規(guī)氣象觀測(cè)站平均地面最低溫度的下降速度比交通氣象觀測(cè)平均路面最低溫度下降速度快。從日出到日落，平均路面最低溫度與地面最低溫度間的溫差較大，而日出前和日落后時(shí)段，平均路面最低溫度與地面最低溫差明顯減小。

（4）平均路面最低溫度和平均地面最低溫度變化趨勢(shì)基本一致，但各月平均路面最低溫度和地面最低溫度晝夜差異非常明顯。采用統(tǒng)計(jì)方法建立冬季路面最低溫度與地面最低溫度和路面最高溫度與地面最高溫度相關(guān)性方程具有較好的使用價(jià)值，均通過(guò)了0.001的顯著性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)得到預(yù)報(bào)值與實(shí)況值差的絕對(duì)值在2℃范圍內(nèi)的準(zhǔn)確率較高，該模型具有很好的應(yīng)用價(jià)值。