成丹 付曉輝

（湖北省氣象服務中心，武漢 430205）

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滬渝高速（湖北段）路面溫度變化特征及預報研究

成丹 付曉輝

（湖北省氣象服務中心，武漢 430205）

利用2013年6月—2014年8月滬渝高速湖北段滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段自動氣象站逐分鐘觀測的路面溫度（以下簡稱路溫）、氣溫、風速、風向、相對濕度、降水等氣象資料，分析了滬渝高速湖北段不同路段在不同季節(jié)以及不同天空狀況條件下路溫的變化特征，同時基于統(tǒng)計分析方法針對各路段分別建立最高和最低路溫預報模型，并對預報結果進行檢驗。結果表明，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在不同季節(jié)和不同天空狀況下路溫和氣溫均具有明顯的日變化特征，但路溫與氣溫差值存在較大差異。滬蓉西路溫與氣溫的最大差值較其他三路段冬季偏高而夏季偏低。冬季，晴到多云和陰天在日落后至日出前期間，滬蓉西路溫和氣溫基本一致，而漢宜、武黃、黃黃路溫小于氣溫；雨天四路段的氣溫均小于路溫且滬蓉西最為明顯。夏季，在三種天空狀況下，四路段的氣溫均明顯小于路溫，且在晴到多云和陰天兩者午后差值最大。滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段1月路溫差異最小，而4、7、10月，路溫隨著四路段海拔高度的降低而升高。滬蓉西和黃黃路段路溫模型預報結果與實況的變化趨勢較為接近，該模型可以作為預報參考；漢宜和武黃路段個別時間點路溫模型預報結果與實況存在較大誤差，實際業(yè)務工作中需進行適當訂正。

路面溫度，日變化，預報模型，檢驗

0　引言

交通運輸是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和重要服務行業(yè)，而氣象條件對交通安全運行起著至關重要的作用［1］。對路溫與氣象條件的關系以及路溫的預報服務進行深入研究，對交通事故的預防和減少具有重要意義。

近些年，國內(nèi)外諸多學者針對不同路面的路溫預報方法進行了研究。綜合而言，大體分為兩類。一是理論分析法［2］，即利用氣象學和熱傳學的基本原理采用數(shù)值分析方法來建立瀝青路面溫度場的預測模型。例如，Shao等［3］利用能量守恒方法研制了自動實時的路溫和路面狀況預報模型；賈璐等［4］利用熱傳導基本原理對瀝青路面溫度場進行了數(shù)值預報模型建立，同時采用有限差分方法來進行求解；朱承瑛等［5］基于太陽短波輻射等參數(shù)化方案，應用地表熱量平衡方程提出了高速公路路溫機理模型。二是統(tǒng)計分析法［2］，即基于路面溫度的監(jiān)測數(shù)據(jù)和各氣象要素資料，利用回歸分析建立路面溫度場與環(huán)境因素之間的定量關系。相較而言，統(tǒng)計分析法計算簡單，建立的預報模型也具備一定的適度和精度。例如，吳晟等［6］對南嶺山高速公路的路面溫度與天氣狀況、氣溫等氣象要素的關系以及地形對該地區(qū)路溫的影響進行了討論；田華等［7］通過利用滬寧高速公路沿線梅村和仙人山站兩套自動站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對兩站路面溫度在不同季節(jié)、不同天氣狀況下變化特征進行分析，從而分別建立了最高和最低路面溫度統(tǒng)計模型；曲曉黎等［8］利用京石高速公路沿線保定、望都和正定三套自動氣象站的監(jiān)測資料，對京石高速路面溫度特征進行了分析，并且研究了多種氣象因子與路面溫度的相關關系。

滬渝高速公路是重慶第二條出海大通道，在湖北途經(jīng)恩施、宜昌、荊州、仙桃、武漢、黃石、黃梅7座城市，該路段夏季路面高溫和冬季低溫冰雪時有發(fā)生。因此，本文利用滬渝高速公路沿線路面溫度等氣象要素監(jiān)測資料，分路段探討路面溫度的變化特征，并研究最高、最低路面溫度統(tǒng)計模型，為滬渝高速湖北段夏季路面高溫和冬季低溫冰雪預報提供一定參考。

1　資料與方法

滬渝高速公路湖北段全長821.7km，包括滬蓉西、漢宜，武黃、黃黃等四個高速路段。該段路面材料選用了具有良好的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性的密級配中粒式瀝青混凝土上層路面。路段沿線共設定了56套自動氣象站，其中普通站46個，特殊站10個。普通站觀測要素有氣溫、相對濕度、風向、風速、能見度、降水；特殊站在普通站觀測要素基礎上增加了路溫、路面狀況等觀測要素。

本文主要利用安裝在滬渝高速滬蓉西路段附近的三岔口大橋（海拔708m）、漢宜路段附近的李埠鎮(zhèn)義合村（海拔95m）、武黃路段附近的華容區(qū)廟嶺鎮(zhèn)（海拔34m）、黃黃路段附近蘄河大橋（海拔25m）的四套自動氣象站2013年6月—2014年8月逐分鐘路溫、氣溫、風速、風向、相對濕度、降水等氣象要素資料，研究各路段路溫的變化特征，并且基于統(tǒng)計回歸方法分路段研究路溫同多個氣象要素的相關關系，從而建立最高和最低路溫統(tǒng)計模型。

2　結果分析

2.1路面溫度分布特征

2.1.1四路段路面溫度在不同季節(jié)的變化特征

圖1　2013年6月—2014年5月滬蓉西路段1月（a）、4月（b）7月（c）和10月（d）路溫和氣溫日變化Fig. 1 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Hurongxi in January （a）， April （b）， July （c），October （d） averaged over the period from June 2013 to May 2014

利用2013年6月—2014年5月滬渝高速湖北段不同路段自動氣象站所監(jiān)測的逐分鐘氣象要素資料，以1、4、7、10月為代表月，分析各路段不同季節(jié)路溫和氣溫的日變化特征（圖1和2，漢宜、武黃路段圖略，下同）。可以發(fā)現(xiàn)，無論春、夏、秋、冬，各路段路溫和氣溫均在早晨達到最低值，日出后路溫升溫較快，位相超前于氣溫，這主要是因為日出后受到太陽短波輻射作用，地面會迅速增溫，然后通過地氣相互作用加熱空氣，因此路溫比氣溫到達最大值的時間早，并且最大值高于氣溫。當路溫達到最大值后立即呈現(xiàn)下降趨勢，而氣溫則是在最大值附近維持了一段時間才逐步下降，這主要是因為路面的長波輻射使路溫下降明顯，而氣溫則是在其影響下才逐漸下降。1月，漢宜、武黃、黃黃在日落后時段路溫低于氣溫，這與滬蓉西不同。日出至日落時間內(nèi)，不同路段在不同季節(jié)路溫與氣溫存在較大差異。1月中午，滬蓉西路溫與氣溫的最大差值為4～5℃，7月為10～11℃；而漢宜、武黃、黃黃的1月中午的最大差值為2～3℃，7月則為14～16℃。這主要與地形相關，滬蓉西站點海拔高度較其他三站過高，冬季滬蓉西的氣溫偏低，而夏季漢宜、武黃、黃黃的路溫過高，使得冬季滬蓉西路溫與氣溫的差值較其他三路段偏高而夏季偏低。4和10月，漢宜、武黃、黃黃路溫與氣溫的最大溫差隨著海拔高度的降低而增大。

圖2　2013年6月—2014年5月黃黃路段1月（a）、4月（b）7月（c）和10月（d）路溫和氣溫日變化Fig. 2 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Huanghuang in January （a）， April （b）， July （c），October （d） averaged over the period from June 2013 to May 2014

圖3　滬蓉西路段1月雨天（a）、晴到多云（b）、陰天（c）和7月雨天（d）、晴到多云（e）、陰天（f）下的路面溫度和氣溫日變化Fig. 3 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Hurongxi for rainy days （a）， sunny to cloudy （b）， overcast （c） days in January and rainy days （d）， sunny to cloudy （e）， overcast （f） days in July

圖4　黃黃路段1月雨天（a）、晴到多云（b）、陰天（c）和7月雨天（d）、晴到多云（e）、陰天（f）下的路面溫度和氣溫日變化Fig. 4 The diurnal variation of road surface temperature and air temperature at Huanghuang for rainy days （a）， sunny to cloudy （b）， overcast （c） days in January and rainy days （d）， sunny to cloudy （e）， overcast （f） days in July

圖5　滬蓉西、漢宜、武黃和黃黃四路段1月（a）、4月（b）、7月（c）和10月（d）路溫日變化Fig. 5 The diurnal variation of road surface temperature at Hurongxi， Hanyi， Wuhuang and Huanghuang in January （a），April （b）， July （c）， October （d）

2.1.2四路段路面溫度在不同天空狀況的變化特征

路溫與氣溫的差異同天氣條件密切相關，不同天空狀況下路面升溫有所區(qū)別。因此，本文使用日照時數(shù)來區(qū)分天空狀況，并且參考定時觀測的云量、云狀和天氣現(xiàn)象資料，綜合分為陰天、晴到多云兩種天空狀況。設定日照時數(shù)<3h為陰天，日照時數(shù)≥3h為晴到多云。同時將降水天氣列為一類，分三種天空狀況類型，對各路段的路溫和氣溫日變化特征進行討論。由圖3和4可發(fā)現(xiàn)，晴到多云和陰天時，路溫和氣溫的日變化相較雨天更為明顯，中午路溫與氣溫的差值幅度也更大。冬季日落后至日出前這段時間，晴到多云和陰天，滬蓉西路溫和氣溫基本一致，而漢宜、武黃、黃黃路溫小于氣溫，主要原因是三路段在上述時段近地面層濕度較大，風速較小，易造成穩(wěn)定的大氣層結從而導致逆溫出現(xiàn)，因此路溫低于氣溫。雨天，四路段的氣溫較小于路溫，且滬蓉西表現(xiàn)最為明顯。夏季，在三種天空狀況下，四路段的氣溫均明顯小于路溫，且在晴到多云和陰天的午后差值最大。由于四路段所處的局地小地形以及風濕等氣象要素的差異，所以各路段路溫與氣溫的最大差值也有所不同。值得注意的是，在武黃和黃黃路段，7月雨天條件下，午后13—15時（北京時），路溫和氣溫均有較大幅度的下降，通過分析發(fā)現(xiàn)，武黃和黃黃均屬于強對流天氣的多發(fā)區(qū)，尤其在夏季午后通過短時強降水過程能夠使路溫和氣溫快速下降。

2.1.3不同路段路面溫度的變化特征

為了探討滬渝高速湖北段沿線路溫的變化差異，將滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段代表站點的路溫進行對比（圖5），可以發(fā)現(xiàn)，四路段在不同季節(jié)路溫表現(xiàn)較大差異。4、7、10月，路溫隨著四路段海拔高度的降低而升高，其中，4和10月日出至日落時段，四路段的路溫差異較為均勻；7月漢宜、武黃、黃黃的路溫基本一致，滬蓉西由于地處較高的海拔高度，路溫明顯低于其他三路段；1月，四路段的路溫差異雖然較小，但是仍可發(fā)現(xiàn)午后滬蓉西、漢宜等海拔較高的路段路溫略高于武黃、黃黃等海拔較低的路段。滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在海拔高度、氣象條件、局部地形和周邊環(huán)境等因素的共同作用下，路溫表現(xiàn)出一定的差異，因此在對實際路溫進行預報時，預報員應當區(qū)分不同路段進行預報服務。

2.2建立路面溫度預報模型

2.2.1四路段最低路面溫度預報模型

利用2013年6月—2014年5月滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段自動氣象站所監(jiān)測的逐日最低路溫與日最低氣溫數(shù)據(jù)來分別計算各路段最低路溫與最低氣溫的相關關系，得到圖6?？梢园l(fā)現(xiàn)，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段的日最低路溫與日最低氣溫具有非常顯著的線性相關關系。分別建立四路段最低路溫方程：

圖6　2013年6月—2014年5月滬蓉西（a）、漢宜（b）、武黃（c）和黃黃（d）最低路面溫度與最低氣溫點聚圖Fig. 6 The scatter diagram of the minimal air temperature against the minimal road surface temperature at Hurongxi （a），Hanyi （b）， Wuhuang （c） and Huanghuang （d） for the period from June 2013 to May 2014

滬蓉西：Y=1.10X－0.29 （1）

漢宜：Y=1.11X－0.36 （2）

武黃：Y=1.11X－0.54 （3）

黃黃：Y=1.10X－1.00 （4）

式中，Y代表日最低路溫，X為日最低氣溫，單位均為℃。

2.2.2四路段最高路面溫度與各氣象要素的相關關系

將滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段代表站點的最高路溫與多種氣象要素進行相關統(tǒng)計（表1），可以發(fā)現(xiàn)，四路段的最高路溫與氣溫、相對濕度、風速三類氣象要素的日平均、日最高、日最低值相關性呈現(xiàn)較大的差異。其中，滬蓉西最高路溫與日最高氣溫、日最低相對濕度、日平均風速相關性最大；漢宜最高路溫與日最高氣溫、日平均相對濕度、日最大風速相關性最大；武黃最高路溫與日最高氣溫、日最低相對濕度、日平均風速相關性最大；黃黃最高路溫與日最高氣溫、日平均相對濕度、日平均風速相關性最大。以上氣象要素之間的相關性均通過了0.01或0.05的顯著性水平檢驗。因此，根據(jù)不同路段分別選取對應的氣象要素作為預測最高路溫的預報因子。

2.2.3四路段最高路面溫度預報模型

根據(jù)不同路段，分別從氣溫X1j（j=1，2，3，分別表示日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫）、相對濕度X2j（j=1，2，3，分別表示日平均相對濕度、日最高相對濕度、日最低相對濕度）、風速X3j（j=1，2，3，分別表示日平均風速、日最大風速、日最小風速）等因子中選用相關性最高的幾個因子對各路段的最高路溫建立預報模型。然后，分別對各路段選用的預報因子利用多元非線性逐步回歸方法進行分析，最終得到下列方程：

表1　滬蓉西、漢宜、武黃和黃黃四路段最高路面溫度與氣象要素的相關統(tǒng)計Table. 1 The correlation between the maximal road surface temperature and meteorological elementss at Hurongxi， Hanyi， Wuhuang and Huanghuang

滬蓉西：Y=1.41X12－20.41X23－0.40X31+14.77 （5）

漢宜：Y=1.32X12－0.73X32+0.07X12×X32－1.34（6）

武黃：Y=1.52X12－3.91X23+2.10X31－3.41 （7）

黃黃：Y=1.57X12－11.70X21+0.72X31+5.07 （8）

式中，Y代表日最高路溫，單位為℃。四個方程均通過了0.01的顯著性水平檢驗。

2.3路面溫度模型預報結果檢驗

利用2014年6月1日—8月30日逐日最低和最高路溫、氣溫、相對濕度、風速等實況資料，對最低路溫和最高路溫預報模型的預報結果進行檢驗，資料樣本長為92d。表2為最低和最高路溫模型預報結果檢驗值，可以看出，不同路段最低路溫和最高路溫預報模型的準確率略有不同。其中，滬蓉西和黃黃預報模型的準確率較高，最低路溫平均絕對誤差和均方要誤差都小于1℃，最高路溫在3℃左右。而漢宜和武黃最低路溫平均絕對誤差小于2℃，最高路溫在4℃左右。圖7和圖8分別是滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在2014年6月1日—8月30日最低路溫和最高路溫實況與模型預報結果的對比圖，可以發(fā)現(xiàn)，滬蓉西和黃黃最低和最高路溫模型預報結果與實況變化趨勢接近，說明這兩路段的模型預報效果較為準確，可以作為預報參考。漢宜和武黃路溫模型預報結果與實況變化趨勢在個別時間點存在較大誤差，因此在實際的預報工作中，對該模型進行應用時，預報員可能需要考慮太陽輻射等氣象要素對路面的影響進行適當?shù)挠喺?/p>

3　結論

1）不同季節(jié)，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃的路溫和氣溫具有明顯的日變化特征。同時，四路段在不同季節(jié)路溫與氣溫差值存在較大差異，滬蓉西路溫與氣溫的最大差值較其他三路段冬季偏高而夏季偏低。

2）滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段在不同季節(jié)不同天空狀況下路面升溫有所差異。冬季晴到多云和陰天在日落后至日出前期間，滬蓉西路溫和氣溫基本一致，而漢宜、武黃、黃黃三路段路溫小于氣溫；雨天四路段的氣溫均小于路溫，且滬蓉西最為明顯。夏季在三種天空狀況下，四路段的氣溫均明顯小于路溫，且在晴到多云和陰天兩者午后差值最大。

3）1月，滬蓉西、漢宜、武黃、黃黃四路段的路溫差異最小，4、7、10月，路溫隨四路段海拔的降低而升高。

4）滬蓉西和黃黃路段路溫模型預報結果與實況的變化趨勢較為接近，該模型可以作為預報參考；漢宜和武黃路段個別時間點路溫模型預報結果與實況存在較大誤差，實際業(yè)務工作中需進行適當訂正。

表2　滬蓉西、漢宜、武黃和黃黃四路段最低和最高路面溫度模型預報結果檢驗（單位：℃）Table. 2 The test on the model forecast of the minimal and maximal road surface temperature at Hurongxi ， Hanyi ，Wuhuang and Huanghuang （unit:℃）

圖7　2014年6月1日—8月30日滬蓉西（a）、漢宜（b）、武黃（c）和黃黃（d）四路段最低路溫實況與模型預報結果對比Fig. 7 Comparison of the minimal road surface temperature between the observations and the forecasts at Hurongxi （a），Hanyi （b）， Wuhuang （c） and Huanghuang （d） for days from 1 June to 30 August 2014

圖8　同圖7，但為最高路溫Fig. 8 Same as Fig. 7， but for the maximal road surface temperature

［1］王喆. 高速公路災害性天氣研究. 交通標準化， 2007（1）： 105-108.

［2］秦健， 孫立軍. 國外瀝青路面溫度預估方法綜述. 中外公路， 2005，25（6）： 19-23.

［3］Shao J， Lister P J. An automated nowcasting model of road surface temperature and state for winter road maintenance. J Appl Meteor， 1996， 35（8）： 1352-1361.

［4］賈璐， 孫立軍， 黃立葵， 等. 瀝青路面溫度場數(shù)值預估模型. 同濟大學學報， 2007， 35（8）： 1039-1043.

［5］朱承瑛， 謝志清， 嚴明良， 等. 高速公路路面溫度極值預報模型研究. 氣象科學， 2009， 29（5）： 645-650.

［6］吳晟， 吳兌， 鄧雪嬌， 等. 南嶺山地高速公路路面溫度變化特征分析. 氣象科技， 2006， 34（6）： 783-787.

［7］田華， 吳昊， 趙琳娜， 等. 滬寧高速公路路面溫度變化特征及統(tǒng)計模型. 應用氣象學報， 2009， 20（6）： 737-744.

［8］曲曉黎， 武輝芹， 張彥恒， 等. 京石高速路面溫度特征及預報模型.干旱氣象， 2010， 28（3）： 352-357.

Characteristics and Forecast Research of
Road Surface Temperature on Huyu Expressway（the Section in Hubei）

Cheng Dan， Fu Xiaohui
（Hubei Meteorological Service Center， Wuhan 430205）

In this paper， the monitoring data， which contain the road surface temperature， air temperature， wind speed， wind direction， relative humidity， precipitation observed at the traffic automatic weather stations named as Hurongxi， Hanyi，Wuhuang and Huanghuang on the Huyu expressway during the period from June 2013 to August 2014， are used to investigate the characteristics of the road surface temperature in different seasons and different sky conditions. The forecast model of the maximum and minimum road surface temperature are established for different sections by statistical analyses， and the forecast results are verifed. The results show that the road surface temperature and air temperature at Hurongxi， Hanyi， Wuhuang and Huanghuang stations display obvious diurnal variation as well as the difference between the road surface temperature and air temperature display differently. Compared with the other three sections， the maximum difference between the road surface temperature and air temperature at Hurongxi increases in winter and decreases in summer overall. The road surface temperature is close to air temperature at Hurongxi after sunset on sunny to cloudy and overcast days in winter， while less than air temperature at Hanyi， Wuhuang and Huanghuang. The air temperature is less than road surface temperature at the four stations on rainy days，of which the most signifcant at Hurongxi. In summer， the air temperature is less than road surface temperature at the four stations on three types of sky conditions and the difference between both is the biggest in afternoon on sunny to cloudy and overcast. The road surface temperature is very close to each other among the four stations in January， while become different with the decrease of altitude in April， July and October. The forecast results of the road surface temperature were nearly close to the actual observations at Hurongxi and Huanghuang. So they may be used as references. But there were some big errors between the forecasts and observations at particular times at Hanyi and Wuhuang stations， the forecasts should be corrected for actual business.

road surface temperature， diurnal variation， forecast model， verify

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.04.007

2014年11月24日；

2015年4月1日

成丹（1988—），Email: chengdan19880423@126.com

資助信息： 中國氣象局華中區(qū)域氣象中心科技發(fā)展基金項目（QY-Y-201406）