宋麗萍,韓基良,劉宇飛,周傳瑞

(哈爾濱市氣象局，黑龍江 哈爾濱150028)

1 引言

當(dāng)前，隨著社會經(jīng)濟(jì)與城市化的快速發(fā)展，公路交通在經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用越來越重要， 在整個交通運(yùn)輸過程中，除車輛、道路等以外，氣象條件是影響交通運(yùn)輸?shù)淖钪匾囊蛩亍?因此，由氣象條件引起的公路交通安全保障問題也越來越被重視。 許多學(xué)者對公路交通事故與氣象條件進(jìn)行了研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)氣象要素與交通安全密切相關(guān),大霧、結(jié)冰、積雪、高溫、暴雨等天氣是影響道路交通安全的主要災(zāi)害性天氣。

哈爾濱地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)， 冬季嚴(yán)寒漫長、常伴有大風(fēng)和降雪，并經(jīng)常出現(xiàn)道路結(jié)冰現(xiàn)象。 道路結(jié)冰會造成路面抗滑能力顯著降低[6]，增加了車輛制動距離，使車輛發(fā)生打滑、行走困難，極易引發(fā)交通事故， 道路結(jié)冰已成為影響哈爾濱冬季交通安全的主要?dú)庀鬄?zāi)害。 據(jù)研究道路結(jié)冰和地面溫度變化有著密切的關(guān)系[7]，進(jìn)行哈爾濱市冬季地面溫度的預(yù)報研究， 將為冬季道路結(jié)冰的預(yù)報預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)， 對預(yù)防和減少交通事故及保障行車安全具有積極作用。

近十幾年來， 國內(nèi)外諸多學(xué)者對路面溫度預(yù)報方法進(jìn)行了研究。 2003年，美國學(xué)者Diefenderfer[8]建立了適用于不同地區(qū)的路面日最高和日最低溫度預(yù)估模型。 2006年，張菁[9]采用線性回歸方法建立了不同下墊面夏季高溫預(yù)報方程式；2009年，莊傳儀[10]建立了不同天氣情況下瀝青路面路表溫度的預(yù)估模型；2011年，胡昌斌[11]采用非線性估計的統(tǒng)計回歸方法，對水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)溫度場建立預(yù)估模型。 國內(nèi)還有許多學(xué)者根據(jù)氣象學(xué)和熱傳學(xué)的基本原理采用數(shù)值分析方法建立路面溫度場的預(yù)測模型[12]，2003年，劉熙明[13]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)潛熱、感熱傳輸?shù)饶芰恐g的平衡,并考慮水汽、氣溶膠、浮塵以及云等對太陽短波輻射的吸收和散射,建立了一種較實用的路面溫度預(yù)報模型。 2008年，朱承瑛[14]應(yīng)用地表熱量平衡方程，在太陽短波輻射、大氣和地面長波輻射、感熱和潛熱等參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上， 建立了一種計算高速公路路面溫度的機(jī)理模型。

目前， 哈爾濱市還沒有建立針對城市道路的氣象觀測系統(tǒng)， 為探求哈爾濱市道路結(jié)冰天氣的預(yù)報方法，本文應(yīng)用哈爾濱自動氣象站逐分鐘地面溫度、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、降水等氣象資料，研究了地面溫度的變化特征，并利用統(tǒng)計回歸方法，建立了冬季地面最高和最低溫度預(yù)報模型。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文所選取資料為2003年11月-2012年3月哈爾濱自動氣象站觀測記錄的地面溫度、氣溫、相對濕度、風(fēng)速、降水和總云量等氣象要素資料。 統(tǒng)計時按照哈爾濱市出現(xiàn)降水結(jié)冰的時間，即從當(dāng)年11月至次年3月(當(dāng)年11月-翌年2月為該年冬季)。

2.2 研究方法

道路結(jié)冰是指雨、雪、凍雨或霧滴降落到溫度低于0 ℃的地面而出現(xiàn)的積雪或結(jié)冰現(xiàn)象。 因此將2003-2012年期間地面溫度每一時次出現(xiàn)≤0 ℃且有降水發(fā)生的情況界定為出現(xiàn)了道路結(jié)冰。 本文對地面溫度的變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計分析， 并運(yùn)用多元回歸方法，研究地面溫度與氣溫、相對濕度、風(fēng)速、降水和總云量等氣象要素的關(guān)系， 建立冬季地面最高和最低溫度的預(yù)報模型。

3 地面溫度統(tǒng)計特征

3.1 各月結(jié)冰統(tǒng)計特征

哈爾濱市各月道路結(jié)冰分布不均， 主要集中在11月-次年3月。 其中，12月出現(xiàn)次數(shù)最多，出現(xiàn)日數(shù)達(dá)158 d，占樣本總數(shù)的25%，出現(xiàn)時間達(dá)到2 678 h，占總數(shù)的30%；其次為1月，出現(xiàn)日數(shù)達(dá)124 d，占總樣本數(shù)19.3%， 出現(xiàn)時間達(dá)到1 968 h， 占總數(shù)的22%；11月、2月和3月出現(xiàn)的日數(shù)都在100 d 左右，出現(xiàn)時間分別達(dá)到1 525 h、1 375 h 和1 092 h。

3.2 地面溫度日變化特征

本文通過對哈爾濱冬季2003年11月-2012年3月的逐小時地面溫度與氣溫求取平均值，得到各時段的平均逐小時地面溫度和氣溫的變化趨勢（圖1），地面溫度和氣溫的逐小時變化曲線呈波浪型，日變化趨勢基本一致。 地面溫度和氣溫均在早晨達(dá)到最低值，隨后呈上升趨勢，在午后達(dá)到最高值后又開始下降。 地面溫度和氣溫的最低值均出現(xiàn)在早晨08時，但地面溫度的最低值比氣溫最低值低2 ℃左右；二者最高值出現(xiàn)的時間有所不同，地面溫度在13時左右達(dá)到最高值，比氣溫的最高值出現(xiàn)早1 h，并且，地面溫度均明顯高于氣溫的最高值， 地面溫度的最高值比氣溫最高值高8-10 ℃左右。 地面溫度在達(dá)到最高值之后即明顯下降，在日落以后下降趨勢減緩，而氣溫則是在最高值之后緩慢下降。 白天地面吸收太陽短波輻射而升溫，在正午后1-2 h 左右，地面溫度和氣溫均達(dá)到最高值， 但地面溫度高于氣溫并且比氣溫到達(dá)最高值的時間早； 而夜間地面及其附近空氣因向外輻射長波而降溫，直到日出前后，地面溫度和氣溫均達(dá)到最低值， 且二者最低值出現(xiàn)時刻基本相同，并且數(shù)值差異不大。

圖1 2003年11月-2012年3月逐小時地面溫度與氣溫的平均日變化

4 地面溫度與各氣象要素的關(guān)系

最高地面溫度和最低地面溫度均與氣溫、 相對濕度、風(fēng)速3 類要素的日最高、日最低值以及日累積降水量的關(guān)系密切，都通過了0.05 的顯著性檢驗。最高地面溫度與日最高氣溫相關(guān)最為顯著， 相關(guān)系數(shù)為0.95； 冬季最低地面溫度與日最低氣溫相關(guān)最為顯著，相關(guān)系數(shù)為0.93(表1)。 為此，以上要素可以作為統(tǒng)計最高和最低地面溫度的可選因子。

表1 最高和最低地面溫度與氣象要素的相關(guān)統(tǒng)計

5 地面溫度預(yù)報模型及效果檢驗

5.1 地面溫度預(yù)報模型的建立

最高地面溫度和最低地面溫度分別選取氣溫x1j（j=1,2 分別表示日最高氣溫和日最低氣溫）、 相對濕度x2j（j=1,2 分別表示日最高相對濕度和日最低相對濕度）、風(fēng)速x3j（j=1,2 分別表示日最大風(fēng)速和日最小風(fēng)速）和日累積降水量x4共7 個因子，同時也考慮因子的非線性關(guān)系， 把以上7 個因子的平方和立方項（x2ij，x3ij（i=1，2，3；j=1，2）,x24，x34）作為預(yù)報因子，另外考慮因子間的非線性交互影響，增添xij·x4（i=1，2，3；j=1，2）和xij·xkj（i=1，2；k=i+1，3；j=1，2），最終最高地面溫度和最低地面溫度都分別得到33 個因子。

選取哈爾濱自動氣象站2003年11月-2012年3月逐日的氣溫、相對濕度、風(fēng)速等資料，利用逐步回歸方法建立冬季最高地面溫度和最低溫度的預(yù)報模型：

其中，Tg 為最高地面溫度（℃），Td 為最低地面溫度 （℃），x11和x12分別為日最高氣溫和日最低氣溫（℃），x21為日最高相對濕度（%）。 模型1 和模型2 的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.932 和0.915， 相關(guān)系數(shù)均通過0.05 水平的顯著性檢驗。

5.2 地面溫度預(yù)報模型的檢驗

用2012年11月1日-12月31日逐日最高和最低地面溫度、氣溫、相對濕度資料，對模型（1）和模型（2）進(jìn)行推算和檢驗，資料樣本長為61 d。 分別得出2012年冬季最高地面溫度和最低地面溫度的預(yù)測值， 并與哈爾濱自動氣象站觀測的地面溫度實況值進(jìn)行對比分析，可以看出，最高地面溫度線性回歸模型的平均絕對誤差和均方根誤差在1 ℃左右， 而最低地面溫度線性回歸模型的平均絕對誤差在2 ℃左右，均方根誤差在3 ℃左右(表2)。

表2 地面最高和最低溫度模型推算效果檢驗（單位：℃）

由模型預(yù)報的地面溫度與實際地面溫度對比結(jié)果來看（圖2），最高地面溫度模型推算結(jié)果與實況變化趨勢更接近， 說明最高地面溫度的預(yù)報模型的預(yù)報精度較高，可以作為預(yù)報參考，具有很好的應(yīng)用價值。 而最低地面溫度預(yù)報模型中有個別最低地面溫度預(yù)報結(jié)果與實際還存有稍大偏差的情況，因此，在實際業(yè)務(wù)工作中，對最低地面溫度模型進(jìn)行應(yīng)用時，還需對模型預(yù)報結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠喺?/p>

圖2 2012年11月1日-12月31日(a)最高和(b)最低地面溫度實況與模型推算結(jié)果對比

6 結(jié)論與討論

（1）哈爾濱市道路結(jié)冰月季分布不均，主要集中在冬季11月至次年3月，其中12月出現(xiàn)次數(shù)最多，其次為1月。

（2）對哈爾濱冬季2003年11月-2012年3月的逐小時地面溫度與氣溫的日變化進(jìn)行分析， 平均后的逐小時地面溫度的變化與氣溫的日變化規(guī)律很相近， 地面溫度和氣溫的最低值均出現(xiàn)在早晨06時，但地面溫度的最低值略低于氣溫的最低值； 地面溫度的最高值出現(xiàn)在午后， 較氣溫的最高值出現(xiàn)早一些，并且明顯高于氣溫的最高值。

（3）對地面溫度與氣象因子進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)最高地面溫度和最低地面溫度均與氣溫、 相對濕度、風(fēng)速3 類要素的日最高、日最低值以及日累積降水量的關(guān)系密切，都通過了0.05 的顯著性檢驗。最高地面溫度與日最高氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95； 冬季最低地面溫度與日最低氣溫的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.93。

（4） 利用逐步回歸方法對哈爾濱自動氣象站2003年11月-2012年3月逐日的氣溫、 相對濕度、風(fēng)速等氣象要素資料進(jìn)行分析， 建立了冬季最高地面溫度及最低地面溫度的預(yù)報模型，2 個模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.932 和0.915，均通過0.05 水平的顯著性檢驗。

（5）最高地面溫度預(yù)報模型推算結(jié)果與實況的變化趨勢接近，誤差絕對值均在1 ℃左右，該模型可以作為預(yù)報參考，具有很好的應(yīng)用價值。 而最低地面溫度模型中有個別最低地面溫度預(yù)報結(jié)果與實際還存有稍大偏差的情況，因此，在實際業(yè)務(wù)工作中，對最低地面溫度模型進(jìn)行應(yīng)用時， 還需對模型預(yù)報結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)修訂。

（6）本文的地面溫度預(yù)報模型只是運(yùn)用了自動氣象站的日常觀測資料進(jìn)行檢驗，在實際運(yùn)用中，可以結(jié)合數(shù)值預(yù)報輸出產(chǎn)品， 得到未來一天甚至更長時間的地面溫度變化情況， 對科學(xué)指導(dǎo)道路交通運(yùn)行和冬季清冰雪具有重要的實際意義。

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