李蘭蘭，宋永鵬，韓國泳

（1. 山東省氣象服務(wù)中心，濟南　250031；2. 山東省氣象信息中心，濟南　250031；3. 淄博市氣象局，山東　淄博　255000）

泰安高速公路路面溫度特征及預(yù)報模型

李蘭蘭1，宋永鵬2，韓國泳3

（1. 山東省氣象服務(wù)中心，濟南250031；2. 山東省氣象信息中心，濟南250031；3. 淄博市氣象局，山東淄博255000）

使用2011—2014年泰安交通站逐時觀測資料，分析了不同季節(jié)、不同天氣下的地面溫度特征。對路面溫度、氣溫、相對濕度、風(fēng)場數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析，利用多元回歸方法對春、夏、秋、冬四季分別建立了路面溫度的預(yù)報模型，并對預(yù)報模型進行了檢驗，得出預(yù)報值和實測值相差在±3℃以內(nèi)的預(yù)報準(zhǔn)確率分別為春季62.8%、夏季64.4%、秋季76.7%和冬季78.8%。

路面溫度；預(yù)報模型；模型檢驗；相關(guān)分析

引言

路面溫度的高低直接或間接影響行車安全：如夏季較高的路面溫度會使高速行駛的汽車輪胎爆胎的可能性增加，從而造成交通事故。冬季路面溫度較低，如果遇上降雨、降雪等過程則會形成道路結(jié)冰，道路積雪等現(xiàn)象。道路結(jié)冰使路面的摩擦系數(shù)減小，車輛容易發(fā)生空轉(zhuǎn)或打滑，從而增加交通事故發(fā)生的頻率。歐美等發(fā)達國家對于路面溫度的預(yù)報進行了許多研究，并建立了相關(guān)的預(yù)報模式。國內(nèi)對于路面溫度的預(yù)報大體分為能量守恒法和統(tǒng)計分析法兩種思路。應(yīng)用能量守恒方法建立路面溫度預(yù)報模型的學(xué)者很多［1-6］。統(tǒng)計分析法是通過對大量觀測數(shù)據(jù)進行回歸分析，建立路面溫度預(yù)報方程，這種方法相對簡單，數(shù)據(jù)資料也易獲得。吳晟［7］等分析了南嶺山地高速公路的路面溫度特征，并討論考慮地形對南嶺山地高速公路路面溫度的影響。田華等［8］應(yīng)用逐步回歸方法建立了京滬高速上梅村和仙人山站的最高和最低路面溫度統(tǒng)計模型。曲曉黎等［9］利用多元回歸方法建立了京石高速冬夏季路面最高溫度和路面最低溫度的預(yù)報模型。武輝芹等［10］同樣利用多元回歸分析方法建立了河北省高速公路逐月路面溫度預(yù)報方程。

此文對泰安高速公路路面溫度的研究，是為了建立更符合當(dāng)?shù)氐穆访鏈囟阮A(yù)報模型，從而為后續(xù)的爆胎指數(shù)［11］、道路結(jié)冰指數(shù)［12-13］、道路濕滑指數(shù)［14］等高速公路交通氣象指數(shù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時路面溫度的預(yù)報值也可以作為專業(yè)預(yù)報產(chǎn)品直接提供給用戶，豐富專業(yè)預(yù)報產(chǎn)品的種類。

1　資料與方法

泰安交通氣象觀測示范站（以下簡稱泰安交通站）建于2010年9月27日，為10要素觀測站，包括溫度、濕度、氣壓、降水、風(fēng)向、風(fēng)速、能見度、天氣現(xiàn)象、路面溫度、路面狀況。建站地點位于泰新高速公路（S31）泰安東出入口附近，東經(jīng)117o09′46″，北緯36o08′39″，海拔133.3m，為瀝青路面。

利用 2011—2014年泰安交通站逐時觀測數(shù)據(jù)，分析了泰安段高速公路路面溫度的變化特征，利用SPSS軟件的統(tǒng)計回歸方法建立了路面溫度與氣溫、相對濕度、云量、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素之間的關(guān)系，分別建立了春、夏、秋、冬四個季節(jié)的路面溫度的統(tǒng)計預(yù)報模型。

2　泰安交通站路面溫度特征分析

2.1路面溫度總特征

2011—2014年，泰安交通站平均路面溫度為19.3℃，平均氣溫低于平均路面溫度，為14.4℃。表1是不同季節(jié)的最低、最高路面溫度與最低、最高氣溫的對比。其中春季為 3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12—2月。

表1　不同季節(jié)的最高、最低路面溫度與最高、最低氣溫對比　℃

最高路面溫度為 58.8℃，分別出現(xiàn)在 2014年的8月2日14時和3日14時，與之相對應(yīng)時刻的最高氣溫分別為33.8℃和35.5℃，但是統(tǒng)計時段內(nèi)的最高氣溫為37.2℃，是出現(xiàn)在2014年的5月29日的15時和16時以及2014年5月30日的 14時，說明最高路面溫度與最高氣溫出現(xiàn)的時刻并不是相對應(yīng)的。加入插值的云量對比發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種情況可能與云量有關(guān)，在云量達到7成以上，即使氣溫很高，也會影響路面溫度的升高。最低路面溫度為-11.5℃，分別出現(xiàn)在2013 年1月4日的7時和8時，對應(yīng)時刻的氣溫分別為-15.1℃和-15.4℃，同時也是統(tǒng)計時段內(nèi)的最低氣溫值。

2.2不同季節(jié)路面溫度的日變化特征

氣溫和太陽輻射強度是影響瀝青路面溫度的主要因素［15］，由表1可以看出路面溫度同氣溫一樣存在明顯的季節(jié)變化，因此對泰安交通站的路面溫度和氣溫分季節(jié)進行對比分析。

圖 1a-d是不同季節(jié)的平均路面溫度和平均氣溫的日變化圖?？梢钥闯?，經(jīng)過逐小時平均的平滑作用后，路面溫度的日變化與氣溫的日變化具有相似的特征，路面溫度和氣溫均在日出后迅速升高，不過路面溫度升溫幅度遠(yuǎn)大于氣溫，因此在中午前后，路面溫度與氣溫相差最大，日落后路面溫度下降比氣溫要快。各個季節(jié)平均的路面溫度每個時次均高于對應(yīng)時次的氣溫。其中夏季的路面溫度與氣溫相差較大，平均為 7.6℃，最大值在14時達到最大，為15.2℃（圖1b），其次是春季，平均為 6.1℃（圖 1a），秋季相差平均為 4.6℃（圖 1c），冬季溫差最小，平均為2.1℃（圖1d）。春季和夏季在14時溫差達到最大，秋季和冬季溫差最大值則是出現(xiàn)在13時。

圖1　春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季路面溫度和氣溫日變化

2.3不同天氣狀況下路面溫度的日變化特征

路面溫度的變化特征除了受季節(jié)影響，與天氣狀況也有很大的關(guān)系。不同的天氣狀況會使路面升溫有所不同，為此特意選取比較有代表性的夏季降雨、多云（云量大于9成）和冬季降雪、多云（云量大于9成）的情況進行分析。這里選取2011年8月19日、2012年6月28日、2013 年2月11日和2014年2月5日分別代表夏季降雨、多云和冬季降雪、多云。

圖 2a-d 是不同天氣情況下路面溫度和氣溫的日變化圖。夏季降雨選取的2011年8月19日全天都有降雨（圖2a），以小雨和陣雨為主，由圖上可以看出，這一天無論是氣溫還是路面溫度都沒有明顯的日變化。夏季、冬季多云天氣下的路面溫度和氣溫日變化明顯（圖2b，d），但是白天的路面溫度明顯低于所在季節(jié)的平均值（圖1）。2014年2月5日降雪開始于凌晨前后，在日出前路面溫度基本保持不變，氣溫有明顯的下降，這是因為，路面的積雪或結(jié)冰像一層“棉被”阻擋了冷空氣對地面的影響［10］。日出后到15時之前降雪量較小，氣溫和路面溫度均有回升，在15時以后降雪量增加，氣溫和路面溫度也在16時開始降低，夜間由于降雪還在持續(xù)，氣溫和路面溫度基本保持不變（圖2c）。

圖2　夏季降雨（a）、夏季多云（b）、冬季降雪（c）、冬季多云（d）情況下路面溫度和氣溫變化

3　路面溫度統(tǒng)計模型的建立與檢驗

3.1路面溫度統(tǒng)計模型的建立

路面溫度受云量的影響較大，但由于泰安交通站沒有直接的云量觀測資料，而泰安本站的云量觀測數(shù)據(jù)自2013年開始僅有08時、14時、20時的數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)均為9成（天空狀況不明），使用泰安本站的云量觀測數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析效果并不好，因此文中在路面溫度預(yù)報方程中沒有加入云量進行計算。

表2是泰安交通站路面溫度與氣溫、相對濕度和10m風(fēng)場的U、V分量間的相關(guān)關(guān)系統(tǒng)計表。對春、夏、秋、冬四季分別進行了相關(guān)統(tǒng)計。

表2　路面溫度與各氣象要素的相關(guān)系數(shù)

從表2可以看出，在每個季節(jié)，路面溫度與氣溫均呈顯著的正相關(guān)，與相對濕度以及風(fēng)速的U、V分量均呈負(fù)相關(guān)。上述相關(guān)關(guān)系均通過了0.05的顯著性檢驗。

運用SPSS軟件自帶的多元回歸法，對泰安交通站 2011—2014年的分季節(jié)逐時數(shù)據(jù)進行逐步回歸，最終得到以下四個季節(jié)的路面溫度預(yù)報方程：

其中T是路面溫度（單位：℃），T2m是氣溫（單位：℃），RH是相對濕度（單位：%），U、V分別是10m風(fēng)場的U、V分量（單位：m/s）。

表3為各預(yù)報模型的相關(guān)系數(shù)R的平方和方程估計誤差，可以看出，四個季節(jié)的方程擬合度均在80%以上，其中秋季方程擬合度最高，達到92.7%。

表3　預(yù)報模型各參數(shù)表

3.2路面溫度預(yù)報模型檢驗

利用2015年1—10月泰安交通站的逐時觀測資料，對上述預(yù)報方程進行檢驗。

由于路面不但通過輻射與大氣進行能量交換，還通過熱傳導(dǎo)與土壤深層進行能量傳遞，因此規(guī)定路面溫度的預(yù)報值與實測值相差±3℃之間，就認(rèn)為預(yù)報準(zhǔn)確［10］。分析發(fā)現(xiàn)冬季預(yù)報準(zhǔn)確率最高，為78.8%，其次是秋季，為76.7%，春季和夏季的預(yù)報準(zhǔn)確率較低，分別為 62.8%和64.4%。這可能與秋冬季節(jié)天氣相對平穩(wěn)，雨水較少，而春季和夏季容易發(fā)生短時對流天氣有關(guān)，短時的降雨對路面溫度的影響較大，尤其是夏季午后熱對流天氣，對當(dāng)日最高路面溫度的升高影響很大。

圖 3a-d是路面溫度預(yù)報值與實測值的對比分析散點圖?？梢钥闯觯杭韭访鏈囟阮A(yù)報值較實測值偏低的概率較大（圖3a）。夏季在路面溫度小于35℃的區(qū)域預(yù)報效果較好，35℃以上的區(qū)域數(shù)據(jù)點分布比較零散（圖3b）。秋季的預(yù)報效果較好，數(shù)據(jù)點比較集中地分布在中心線附近（圖3c）。冬季同樣在低溫區(qū)預(yù)報效果較好，實測溫度≤2℃時，準(zhǔn)確率達到89.3%（圖3d）?？偟膩碚f，路面溫度預(yù)報值較實測值偏低的概率較大，四個季節(jié)都表現(xiàn)出這一特征，且在每個季節(jié)的高溫區(qū)這一特征更為明顯。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在少云或晴朗的日子中午前后，路面溫度與氣溫的差值較大，容易出現(xiàn)預(yù)報值小于實測的現(xiàn)象。這可能是因為日出后路面溫度的升溫速度和升溫幅度都遠(yuǎn)大于氣溫的升溫速度和幅度，隨著氣溫和路面溫度的不斷升高，兩者的差值也逐漸增大，當(dāng)兩者的差值超過一定數(shù)值時，就會出現(xiàn)路面溫度預(yù)報值偏小的現(xiàn)象，如夏季兩者差值在20℃以上時，路面溫度的預(yù)報值都是偏低的。在實際應(yīng)用中，預(yù)報員可以根據(jù)天氣情況對路面溫度的預(yù)報值進行適當(dāng)調(diào)整。

圖3　春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季模型預(yù)報路面溫度與實測路面溫度對比散點圖

4　結(jié)論

（1）不同季節(jié)的路面溫度具有明顯的日變化，并且與氣溫的日變化具有相似的特征。

（2）多云天氣下路面溫度仍具有明顯的日變化特征；夏季有降雨時路面溫度沒有明顯的日變化；冬季有降雪時，夜間路面溫度基本保持不變，白天路面溫度略有回升，但升溫幅度小。

（3）路面溫度受多種氣象因素影響，與氣溫呈正相關(guān)，與相對濕度以及風(fēng)速的U、V分量呈負(fù)相關(guān)，其中與氣溫的相關(guān)關(guān)系最顯著。

（4）對路面溫度預(yù)報方程進行檢驗后發(fā)現(xiàn)，冬季預(yù)報準(zhǔn)確率最高，為78.8%，其次是秋季，為76.7%，春季和夏季的預(yù)報準(zhǔn)確率較低，分別為62.8%和64.4%。由此可見，冬季和秋季的路面溫度預(yù)報準(zhǔn)確率要高于春季和夏季，這可能與秋冬季節(jié)天氣相對平穩(wěn)，雨水較少，而春季和夏季容易發(fā)生短時對流天氣有關(guān)。

（5）檢驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)路面溫度與氣溫的差值較大時，路面溫度預(yù)報值較實測值偏低的概率較大。

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P457.3

B

1005-0582（2016）02-0058-06

2016-01-26

山東省氣象局青年科研基金項目“山東高速多種交通氣象指數(shù)預(yù)報及應(yīng)用研究”（2014SDQN10）資助

李蘭蘭（1982—），女，安徽太和人，碩士，工程師，主要從事專業(yè)氣象預(yù)報與服務(wù)工作。