摘要:利用2013年8月至2017年12月陜西高速公路交通氣象站的路面溫度、氣溫、相對濕度、風速等資料和全球大氣再分析資料云量數據，分析四季不同天空狀況下路面溫度的分布特征，研究路面溫度與氣象因子的關系，建立多元回歸方程。結果表明:四季路面溫度有明顯的日變化規律，雪后，00:00—08:00為路面結冰較易發生時段;氣溫是影響路面溫度變化的最重要因子之一;對比路面溫度實測值與預報值，回歸模型對冬季路面最低溫度的擬合效果較優，相關系數在0.94以上，標準差小于1，誤差在±2℃的頻率為98%。此外，模型對路面0℃低溫預報水平較高。

　　關鍵詞:路面溫度;氣溫;回歸方程;路面結冰;冬季

　　引言

　　在現代化經濟高速發展的今天，高速公路是國家交通運輸的大動脈，其發達程度是一個國家經濟實力的重要標志。但隨之帶來的安全問題日益凸顯，每年受惡劣天氣影響發生的交通事故頻頻發生。近年來，我國平均每年因高速公路交通事故死亡人數近12萬人，約70%與不利氣象條件有關[1-2]。冬季雨雪天氣容易造成道路積雪結冰，在影響交通安全的惡劣氣象條件中排名首位，2008年1月10—27日，我國南方多省由雪災和道路結冰引發的交通事故造成124人死亡[3]。據陜西省2011年公路氣象災害風險普查，其中2011年1月2日，陜西省受大范圍降雪影響，西潼高速公路發生車禍20起，造成1死5傷，其中4人重傷;西寶高速交通事故55起，8車連環追尾。夏季，路面高溫容易造成車輛爆胎，由此引發的交通事故約占高速公路交通事故的20%～30%[4-5]。

　　路面結冰和車輛爆胎很大程度都是受到路面極端溫度影響，因此，提供及時準確的公路氣象預報尤其是路面溫度預報對高速公路安全保障具有至關重要作用。針對路面溫度的研究方法，大致可以分為兩類:一是利用能量守恒方法，建立路面溫度場預報模型[6-11];二是通過對路面溫度實測數據和氣象資料進行回歸分析，建立路面溫度預報方程[12-18]。第二種方法雖然需要大量實測數據，但是克服了理論模型形式復雜，參數多不易獲得且計算繁瑣等缺點。

　　2013年7月首次在西安—咸陽機場高速公路(簡稱“機場高速”)和西漢高速建成6個交通氣象站。目前陜西省公路交通氣象服務產品以氣溫、降水、風向風速等常規要素的預報為主，針對路面極端溫度的預報幾乎空白;產品專業化程度不足，不能滿足交通管理調度工作需求。通過分析高速公路路面溫度，得出陜西高速公路路面溫度變化規律，利用多元回歸分析方法，旨在建立適用陜西省高速公路的路面溫度預報模型，以期為建立路面高溫、道路結冰的風險預報服務提供支持。

　　1資料

　　采用陜西省氣象局在機場和西漢高速公路建的交通氣象的資料，時間段為2013年8月至2017年12月，要素包括逐分鐘路面溫度、氣溫、相對濕度、降水量、風速等。考慮資料完整性高、車流量和惡劣天氣發生頻率較高的站點，選取機場高速公路沿線的漢城收費站、機場收費站，西漢高速公路沿線的戶縣安檢站、寧陜站。

　　為彌補交通氣象站云量資料的空缺，使用ERA5每日08:00(北京時，下同)、14:00的云量資料。ERA5是ECMWF第五代全球大氣再分析資料，分辨率為0.1°×0.1°，云量范圍為0～1。當云量為0.1～0.7時定義天空為晴到多云，云量為0.8～1且無降水出現定義為陰天。

　　2路面溫度特征

　　2.1路面溫度、氣溫變化

　　取1、4、7和10月分別代表冬季、春季、夏季和秋季，對路面溫度和逐時氣溫求平均值，給出2013年8月至2017年12月4個季節機場、西漢高速公路路面溫度和氣溫日變化。

　　可以看出，路面溫度和氣溫日變化明顯。日出后，路面溫度較氣溫增溫更快，最高值出現在14:00，較氣溫早1～2h到達峰值。究其原因，白天路面溫度升高主要靠路面吸收太陽短波輻射，氣溫的加熱主要來自于下墊面長波輻射，日出后，地面吸收的太陽短波輻射大于大氣吸收的地面長波輻射。此外，空氣比熱容大于瀝青路面比熱容，其他條件相同情況下，路面升溫更快[19]。

　　路面溫度和氣溫在最高點維持1～2h后快速下降，日落后下降速率趨緩，06:00—07:00路面溫度達最低值，與最低氣溫同時刻或較最低氣溫晚1h。可能原因是瀝青路面在日落后，路基將熱量向上傳導至路面，并向上發射長波輻射，延緩了路面溫度的下降速率。此外，路面溫度和氣溫之間溫差在07:00—08:00最小，隨后溫差逐漸增大，14:00溫差最大。列出2013年8月至2017年12月交通氣象站夏季路面最高溫度和冬季路面最低溫度。可以看出，夏季路面溫度最高出現在漢城收費站，達53.4℃，寧陜站最低，為44.1℃;冬季機場收費站、寧陜站路面最低溫度低于0℃，漢城收費站、戶縣安檢站均為0.5℃。究其原因，機場收費站、漢城收費站、戶縣安檢站依次由北向南分布，且海拔相對較低，周圍環境較平坦寬闊，氣溫和路面溫度較高。寧陜站建于秦嶺半山腰的兩隧道中間，四面環山，海拔明顯高與其他3站，海拔越高氣溫就越低[20]，因此路面溫度偏低。

　　2.2不同天氣狀況下路面溫度、氣溫變化選取漢城收費站

　　2015年1月資料，通過對路面溫度和逐時氣溫求平均值，得到晴到多云、陰天、雪天、雪后有結冰四種天空狀況下路面溫度和氣溫的日變化，可以看出，除雪天外，不同天空狀況下路面溫度和氣溫均具有明顯的日變化。值得注意的是，下雪過程中，氣溫始終在0℃以下，路面溫度維持在0℃左右;雪后氣溫最低達到-8.1℃，路面最低溫度為-5.2℃。雪后結冰過程維持6d，00:00—08:00，路面溫度和氣溫均低于0℃，為結冰易發時段，與王丹等[21]對低溫與道路結冰分析中的結論一致。這是由于路面溫度低于0℃以及受前期降水影響路面潮濕，為路面結冰提供了溫度和濕度條件[6]。

　　3預報模型及檢驗

　　3.1路面溫度與氣象因子的關系

　　選擇路面溫度及其相關的氣溫、云量、相對濕度、風速等影響因子，對路面溫度分季節、分路段討論。列出機場收費站和寧陜站路面最高溫度與最高氣溫、前一日路面最高溫度及14:00總云量、低云量、相對濕度、平均風速的相關系數。列出機場收費站和寧陜站的路面最低溫度與最低氣溫、前一日路面最低溫度及08:00總云量、低云量、相對濕度、平均風速的相關系數。可以看出，路面最高溫度與前一日路面最高溫度、最高氣溫、14:00平均風速呈顯著正相關，與14:00總云量、低云量、相對濕度呈負相關。

　　路面最低溫度與前一日路面最低溫度、最低氣溫及08:00總云量、低云量、平均風速呈正相關，與08:00相對濕度呈負相關。路面溫度和氣溫相關系數多在0.8以上，最高達0.968，因此氣溫是影響路面溫度變化最為重要的一個因素，與李蕊等[22]對土壤、水泥、瀝青三種不同下墊面溫度與氣溫相關性分析的結論一致。前一日路面溫度與路面溫度相關系數多大于0.5，作為其基礎溫度，也較為重要。因此，氣溫和前一日路面溫度對當日路面溫度影響明顯，氣溫和前一日路面溫度越高，路面溫度越高，反之亦然。

　　路面最高溫度和14:00云量呈負相關，而路面最低溫度與08:00云量呈正相關。分析其原因，路面最低溫度主要受夜間長波輻射降溫影響，夜間云量增多，地面不易散熱，云層會有“保溫”效果，因此云量增多起到增溫作用;路面最高溫度則受短波輻射增溫影響，云量越多，相對濕度越高，意味著路面白天接受的太陽短波輻射較少，路面溫度則越低。

　　3.2路面溫度統計模型建立及檢驗

　　選取前一日路面最高(最低)溫度、最高(最低)氣溫、總云量、低云量、相對濕度、平均風速。運用多元回歸方法建立冬季和夏季路面最高(最低)溫度預報模型(表5)。表6列出2017年冬季和夏季機場收費站、寧陜站路面溫度預測值誤差。可以看出，兩站預報值與實測值的相關系數均在0.9以上，最大為0.98，預報效果較好。路面最低溫度的預報誤差標準差為0.5～1.5℃，誤差集中度好，預報效果理想;路面最高溫度的標準差為1.0～5.0℃，說明部分數據波動較大。

　　考慮到路面最高溫度的預報主要對夏季高速公路安全影響較大，找出夏季典型高溫過程，共30d，檢驗其預報效果。得出預報值與實測值的相關系數為0.82，誤差標準差為2.04℃，模型對夏季典型高溫過程的路面最高溫度預報效果較為理想。為2017年機場收費站、寧陜站路面溫度誤差頻率分布。可以看出，誤差區間在[-1，1]，冬季路面最低溫度的預報誤差最小，82.4%的誤差都在此范圍。以溫度預報誤差在區間[-2，2]為基準判斷路面溫度預報準確率，機場收費站夏季路面最高溫度、最低溫度，冬季路面最高、最低溫度的預報準確率分別為56.5%、96.7%、88%和97.8%，寧陜站分別為63.8%、89.8%、85.5%和98.0%。分析夏季典型高溫過程路面最高溫度預報值，其準確率為67.0%。

　　可以看出，總體上模型擬合效果較好，冬季路面最低溫度的效果更優。考慮到冬季路面溫度低于0℃時對積冰的發生和維持有重要作用，對交通安全危害大，因此對冬季路面0℃低溫的預報準確率尤為重要。當實測值小于0℃，預測值大于0℃時為漏報，在實際業務預報中存在安全隱患;實測值大于0℃，預測值小于0℃時為空報，則會帶來不必要的人力和財力損失。選取兩站冬季路面最低溫度數據，計算得到機場收費站漏報率、空報率分別為8.0%和5.6%，寧陜站分別為3.6%和13.0%。可見該模型對冬季路面0℃低溫的預報水平較高。

　　4結論

　　(1)不同季節路面溫度和氣溫日變化明顯。路面最低溫度出現在06:00—07:00，與最低氣溫同時刻或較最低氣溫晚1h。日出后，路面溫度高于氣溫且增溫更快，14:00達最高值，較最高氣溫早1～2h。(2)除雪天以外的不同天空狀況下路面溫度和氣溫均有明顯的日變化特征。雪后，00:00—08:00路面溫度和氣溫均小于0℃，為路面結冰較易發生時段。

　　(3)路面最高溫度與前一日路面最高溫度、最高氣溫和風速呈顯著正相關，與總云量、低云量和相對濕度呈負相關。路面最低溫度與前一日路面最低溫度、最低氣溫、總云量、低云量和風速呈正相關，與相對濕度呈負相關。路面溫度和氣溫相關系數多在0.8以上，最高達0.97，氣溫是影響路面溫度變化最重要因素之一。

　　(4)模型計算值與實測值的相關系數均在0.9以上。路面最低溫度和路面最高溫度的預報誤差標準差分別為0.5～1.5℃、1～5℃;以路面溫度實況值與預報值相差±2℃為基準判斷其準確率，機場收費站夏季路面最高溫度、夏季路面最低溫度、冬季路面最高溫度和冬季路面最低溫度準確率分別為56.5%、96.7%、88%和97.8%，寧陜站分別為63.8%、89.8%、85.5%和98.0%。夏季典型高溫過程路面最高溫度的預報值與實測值相關系數為0.82，標準差為2.04℃，準確率為67.0%。表明該模式的擬合效果較好，尤其對路面最低溫度的預報水平更優。

　　(5)對冬季路面0℃低溫的預報水平進行檢驗，機場收費站的漏報率、空報率分別為8.0%和5.6%，寧陜收費站分別為3.6%和13.0%。模型擬合效果好，對冬季路面結冰預報有重要的參考價值。

　　參考文獻:

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