保廣裕，周 丹，鄭 玲，代青措，馬守存，劉 瑋

（青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧810001）

公路交通運輸作為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎(chǔ)，在切實保障人民基本生活、有力支撐社會經(jīng)濟發(fā)展方面意義重大。現(xiàn)代公路運輸體系所追求的快速、高效與安全，在很大程度上受著氣象條件的影響和制約，隨著運輸量的增加和極端天氣事件的頻繁出現(xiàn)，公路運輸?shù)陌踩\營受到嚴(yán)重影響[1]。許多研究表明，公路運輸安全與氣象條件關(guān)系密切，尤其以復(fù)雜氣象條件對公路運輸安全的影響最為顯著，隨著不利氣象條件誘發(fā)的公路運輸事故頻率逐年上升，造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失也出現(xiàn)增加趨勢，公路運行安全和高效管理需求對氣象條件的敏感性和依賴性日趨增大[2-5]。

青海省交通運輸主要依靠公路，截止2016 年底，青海省公路總里程達到78 579 km。按技術(shù)等級劃分，等級公路里程達45 575 km，其中高速公路達到3 500 km，二級及以上公路達到42 075 km。按行政等級劃分，國道4 812 km，省道8 993 km，縣道9 478 km，鄉(xiāng)道14 455 km，其它道路40 841 km。近些年青海省氣象部門多次對青海省公路沿線的氣象災(zāi)害風(fēng)險進行調(diào)查，結(jié)果表明影響青海省公路沿線的氣象災(zāi)害有道路結(jié)冰、強降雪、道路積雪、強降水、低溫和高溫等，強降雪和低溫天氣導(dǎo)致的道路結(jié)冰是青海省主要氣象衍生災(zāi)害之一，在影響交通安全的惡劣天氣中排名第一位[6-7]。

李剛等[8-9]認(rèn)為當(dāng)?shù)烂娲嬖诜e水（雪），道面溫度低于0 ℃時，道面將產(chǎn)生結(jié)冰；保廣裕等[10-11]從青海省道路結(jié)冰變化時空分布特征及其影響等級劃分進行了分析研究，建立了地溫和積雪深度預(yù)報模型，并根據(jù)道路結(jié)冰持續(xù)時間，將道路結(jié)冰對交通安全影響程度劃分為4 個氣象等級。但強降雪天氣對青海省公路交通運輸影響方面研究甚少。因此，本文從青海省公路交通沿線道路孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和致災(zāi)因子等方面，研究了青海省公路沿線強降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險等級區(qū)劃方法，并進行了區(qū)劃特征分析。研究旨在總結(jié)青海省公路沿線強降雪時空變化規(guī)律和成因，為做好交通沿線強降雪災(zāi)害預(yù)報提供方法依據(jù)，同時為交通運管部門如何保障車輛行駛安全、做好交通氣象服務(wù)提供依據(jù)。

1 研究資料與方法

1.1 研究資料

選取青海省主要公路沿線43 個氣象站和26 個交通氣象站2004 年10 月—2016 年5 月的地面氣象觀測中的降雪量和積雪深度資料及2013—2016年的交通事故、交通管制、道路形態(tài)和車流量等資料。采用致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體加權(quán)綜合評價法，研究了國道5 條和省3 條道共8 條路段（圖1）[12]，即國道G315 線、G109 線、G214 線、G227 線、G215線，省道S101 線、S202 線和S203 線的強降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險等級區(qū)劃特征。按青海省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的氣象災(zāi)害地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：24 h 降雪量≥5.0 mm 為大雪，24 h 降雪量≥10.0 mm 為暴雪，這里當(dāng)24 h 降雪量≥5.0 mm 統(tǒng)稱為強降雪。

1.2 研究方法

在區(qū)域氣候研究中，需要提供區(qū)域尺度上每個柵格的氣象資料。受經(jīng)濟和人力條件的限制，氣象站點的數(shù)據(jù)是有限的，這就需要利用站點數(shù)據(jù)，通過空間插值由點及面得到每個柵格的氣象數(shù)據(jù)。常用的插值方法主要有反距離權(quán)重法、樣條函數(shù)法以及克里金法等[13]，在很多領(lǐng)域這些方法都能夠較好的反映區(qū)域的時空差異。然而氣象資料屬于地理空間中的自然地理要素，具有空間結(jié)構(gòu)的連續(xù)性和簡便性[14]，其更多的受到海拔、地形的影響。青海省海拔高度差異大、地貌類型復(fù)雜多樣，故本研究中氣象要素的空間插值主要采用梯度距離平方反比法（Gradient Plus Inverse Distance Squared，GIDS），它充分反映了氣象要素隨海拔、地形的影響[15]。

梯度距離平方反比法由Nalder and Wein[16]提出，在距離權(quán)重的基礎(chǔ)上，考慮氣象要素隨經(jīng)緯度、海拔的梯度變化。其估值公式為：式中，X 與Xi為待估點與氣象站點的X 軸坐標(biāo)值；Y 與Yi為待估點與氣象站點的Y 軸坐標(biāo)值；E 與Ei為待估點與氣象站點的海拔高程；CX、CY和 CE為站點氣象要素值與X、Y 和海拔高程的回歸系數(shù)，本文主要通過計算逐月各站點強降雪次數(shù)與站點經(jīng)度、緯度和海拔高程的復(fù)相關(guān)系數(shù)，12 個月的平均復(fù)相關(guān)系數(shù)確定為CX、CY和CE；di為待估點到第i站點的大圓距離；n 為用于插值的氣象站點的數(shù)目。

2 公路沿線強降雪分布特征

2.1 強降雪空間分布特征

由圖2 青海省公路沿線強降雪天氣空間分布特征可見，青海省公路沿線強降雪天氣呈東南多、西北少的空間分布特征。強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)最多的是G214 線的清水河段、S101 線的甘德—久治段，屬于強降雪天氣過程高發(fā)路段，近12 a 共出現(xiàn)強降雪天氣過程64～86 次，年平均強降雪次數(shù)為5.3～7.2次。其次是S203 線的澤庫—河南段、G227 線的大通—門源段強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)也較多，近12 a共出現(xiàn)29～52 次。強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)最少的為S203 線的循化段、G109 線的格爾木段、G315 線的冷湖—茫崖段，近12 a 只出現(xiàn)過1 次強降雪天氣過程。

圖2 青海省公路沿線強降雪天氣年發(fā)生次數(shù)空間分布

2.2 強降雪時間分布特征

青海省冬、春、秋季均有強降雪天氣過程發(fā)生，且主要集中發(fā)生在春季3—5 月（表1）。由圖3 可見，青海省公路沿線春季強降雪發(fā)生次數(shù)分布圖與年強降雪發(fā)生次數(shù)分布圖特征高度一致，春季強降雪發(fā)生次數(shù)占全年的69.4%，屬于強降雪天氣高發(fā)季節(jié)。秋季強降雪發(fā)生次數(shù)占全年的25.6%，屬于強降雪天氣易發(fā)生季節(jié)。青海省公路沿線冬季強降雪發(fā)生次數(shù)相對較少，占全年的5.0%，主要是由于青海省屬于高海拔地區(qū)，且遠(yuǎn)離海洋，冬季水汽較難到達。

表1 青海省公路沿線強降雪天氣過程季月分布

圖3 青海省公路沿線春季強降雪天氣發(fā)生次數(shù)分布

由青海省公路沿線強降雪天氣過程月分布特征（表1）可知，5 月強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)最多，近12 a每年平均發(fā)生33.25 次，占全年強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)的32.6%。其次是4 月，每年平均發(fā)生25.25次，占全年強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)的24.8%。12月強降雪天氣過程發(fā)生次數(shù)最少，近12 a 來G214線的囊謙段僅出現(xiàn)過1 次強降雪天氣過程。

3 交通事故和交通管制特征分析

3.1 按天氣類型特征分析

圖4 是不同天氣類型所引發(fā)交通事故起數(shù)比例，青海省引起交通事故高發(fā)的天氣類型依次為晴、陰、雨和雪，晴天的交通事故發(fā)生起數(shù)占總交通事故次數(shù)的80.30%，主要因為晴好天氣，出行率及車流量較高，加之司乘人員防范意識有所降低，容易導(dǎo)致人為事故。雪天的交通事故發(fā)生起數(shù)占交通事故次數(shù)的1.52%。

圖4 不同天氣類型引發(fā)交通事故起數(shù)比例圖

表2 是不同天氣類型所引發(fā)交通事故人員傷亡及財產(chǎn)損失比例，晴天交通事故起數(shù)較高，死亡、受傷人數(shù)和財產(chǎn)損失的比例也相應(yīng)較高，均在73%以上。雪天引發(fā)交通事故人員傷亡及財產(chǎn)損失的比例分別為2.33%、1.25%和3.19%，其中死亡人數(shù)和財產(chǎn)損失所占比例明顯高于其引發(fā)事故起數(shù)所占的比例，表明雪天發(fā)生的交通事故嚴(yán)重程度明顯高于其它類型天氣。

表2 不同天氣類型引發(fā)交通傷亡及財產(chǎn)損失比例/%

3.2 按路面狀況特征分析

圖5 為不同類型路面條件引發(fā)交通事故起數(shù)比例。青海省交通路面狀況分為干燥、潮濕、積水、漫水、冰雪、泥濘和其它等類型。路面條件所引發(fā)的的交通事故中，干燥路面所造成的交通事故比例最高，占交通事故總數(shù)的86.75%；其次為潮濕路面，占交通事故總數(shù)的9.20%。冰雪路面也較易發(fā)生交通事故，占交通事故總數(shù)的2.24%。考慮到冰雪路面一般行車少、車流小，其實際引發(fā)交通事故的實際比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此。

圖5 不同類型路面條件引發(fā)交通事故起數(shù)比例

3.3 交通管制情況分析

交通管制是指出于安全方面的原因?qū)τ诓糠只蛘呷拷煌范蔚能囕v和人員通行進行的控制措施。根據(jù)青海省交通總隊提供的資料，青海省公路交通一般會根據(jù)社會重大活動、節(jié)假日、天氣、事故、流量大和路況等原因采取管制措施。由青海省公路交通管制信息（表3）可以看出，影響青海省公路交通管制的氣象因素主要是道路結(jié)冰、強降雪、道路積雪和強降水等天氣，但也有2 種以上災(zāi)害天氣的結(jié)合造成交通管制。例如2014 年11 月23 日20 時—24日10 時日因降雪影響，青海省平阿、平西高速因降雪封閉，G227 線青石嘴大坂山路段實行交通管制，禁止半掛車輛通行；大坂大雪封山，全線無法通行；西寧市公交公司于24 日5 時23 分啟動了B 級應(yīng)急預(yù)案。

4 公路交通沿線氣象災(zāi)害風(fēng)險因子分析

4.1 孕災(zāi)環(huán)境因子分析

道路形態(tài)是由于收費站、服務(wù)區(qū)、互通樞紐、橋梁和路坡等組成，并且車輛之間相互影響大，車輛密度越大，強降水和強降雪等造成的災(zāi)害越大。橋梁由于離地面有一定的高度，表面溫度一般低于地面溫度，容易受降雪積雪結(jié)冰和道路濕滑影響；如果有惡劣天氣，隧道出入口差異較大，影響交通安全（表4），表中權(quán)重系數(shù)采用了專家打分法。因此，在風(fēng)險區(qū)劃和風(fēng)險預(yù)警中需要注意橋梁、隧道等特殊道路沿線的孕災(zāi)環(huán)境形態(tài)。如通過對青海省公路交通沿線孕災(zāi)環(huán)境統(tǒng)計可知（表略），G315 線通過布哈河大橋，G109 線通過享堂大橋和香日德大橋，G214 線通過通天河大橋、子曲河大橋、扎曲河大橋和覺隆尕峽隧道，G227 線通過察汗河大橋和門源縣大橋，G215線通過紅土山隧道，S101 線通過軍功黃河大橋，S202 線通過伊麻木黃河大橋，S203 線通過麥秀大橋。總之，公路交通沿線風(fēng)險區(qū)劃和風(fēng)險預(yù)警服務(wù)過程中道路通過橋梁、隧道、樞紐、收費站和服務(wù)區(qū)時權(quán)重系數(shù)見表4。

表3 青海省2013—2016 年公路交通管制信息表

表4 橋梁隧道樞紐收費站和服務(wù)區(qū)權(quán)重系數(shù)

4.2 承災(zāi)體因子分析

青海省主要交通公路沿線日均流量空間分布差異很大，公路沿線日均車流量12 042 次，其中G109線的日均車流量最多，日均車輛為3 002.8 次，占全省車流量日均次數(shù)的24.2%，其次為G227 線，日均流量為2 284.3 次，占全省車流量日均次數(shù)的20.0%，其三是S203 線，日均車流量為1 329.7 次，占全省車流量日均次數(shù)的11.0%，日均車流量最少線路是G214 線，日均流量為854.6 次，只占全省車流量日均次數(shù)的7.1%。因此，研究災(zāi)害性天氣對公路交通的影響時需要考慮車流量情況，青海省公路交通基本處于自由流或穩(wěn)定流的服務(wù)水平。青海省公路交通沿線承災(zāi)體車流量等級權(quán)重劃分見表5，表中權(quán)重系數(shù)采用了專家打分法。

表5 公路交通沿線承災(zāi)體車流量等級權(quán)重劃分

4.3 降雪致災(zāi)因子分析

降水致災(zāi)不僅與降水過程有關(guān)，而且與地貌、植被和近地面水文特征有關(guān)，統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，青海省公路交通沿線出現(xiàn)降雪天氣后，因氣溫下降路面容易形成積雪甚至冰凍層，對公路交通安全運行影響非常明顯，而且持續(xù)時間也較長，同時也會使能見度下降。當(dāng)出現(xiàn)降雪天氣時，路面就會變的潮濕、積水、積雪甚至積冰等情況，造成路面與車輪之間摩擦系數(shù)減小，剎車距離延長，為保障車輛安全行駛就必須降低車輛的行駛速度，加大車輛之間的距離。青海省主要公路沿線屬同一氣候帶，一般造成區(qū)域性強降雪天氣為同一影響系統(tǒng)，公路沿線附近地形地貌條件較為相似，因此在研究中假設(shè)災(zāi)害點的地理地質(zhì)條件基本一致，主要分析降雪致災(zāi)因子，青海省強降雪等級劃分和致災(zāi)因子影響系數(shù)見表6，表中權(quán)重系數(shù)采用了專家打分法。

5 強降雪天氣風(fēng)險區(qū)劃特征

5.1 災(zāi)害性天氣風(fēng)險區(qū)劃思路

災(zāi)害性天氣區(qū)劃思路是基于自然災(zāi)害風(fēng)險形成理論，氣象災(zāi)害風(fēng)險由致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體和抗災(zāi)能力4 部分共同形成的。致災(zāi)因子是引起災(zāi)害的強度和概率，是災(zāi)害產(chǎn)生的首要條件；孕災(zāi)環(huán)境是相同的氣候條件下，孕災(zāi)環(huán)境的地理地貌與致災(zāi)因子的配合程度，它能加劇或減弱氣象災(zāi)害和次生災(zāi)害的發(fā)生；承災(zāi)體是易于遭受災(zāi)害威脅和損失的性質(zhì)和狀態(tài)情況；抗災(zāi)能力指承災(zāi)體抵御災(zāi)害發(fā)生發(fā)展的能力，由于青海省主要公路交通沿線將公路兩側(cè)為水泥混凝土路基、路面、交通安全設(shè)施等的災(zāi)害防治工程，公路的抗災(zāi)能力一般較強[17]。

根據(jù)自然災(zāi)害風(fēng)險分析原理，從致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體3 個方面綜合評估青海省公路沿線強降雪氣象災(zāi)害風(fēng)險程度的地區(qū)差異，在前面分析強降雪時空分布特征的基礎(chǔ)上，以一個綜合的災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)作為指標(biāo)，完成青海省公路交通沿線災(zāi)害性天氣風(fēng)險區(qū)劃，采用致災(zāi)因子影響權(quán)重系數(shù)（表4）為基礎(chǔ)，加上承災(zāi)體權(quán)重系數(shù)（表2）和孕災(zāi)環(huán)境權(quán)重系數(shù)（表3），最終得到強降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險等級區(qū)劃特征。風(fēng)險區(qū)劃分為一般風(fēng)險、中等風(fēng)險、較高風(fēng)險和高風(fēng)險。

5.2 強降雪氣象災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)模型

建立氣象災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)的層次結(jié)構(gòu)模型：HDRI=ve×fvh×fvs，式中HDRI 為氣象災(zāi)害風(fēng)險指數(shù)，用于表示氣象災(zāi)害風(fēng)險程度，其值越大，則災(zāi)害風(fēng)險程度越大。ve、vh、vs 的值是氣象致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體各因子指數(shù)。fvh、fvs為孕災(zāi)環(huán)境、承災(zāi)體的權(quán)重系數(shù)。綜合影響模型以ve 等級為主要參量，綜合考慮承災(zāi)體和孕災(zāi)環(huán)境對風(fēng)險指數(shù)進行修正[18-21]。

為了消除各指標(biāo)的量綱差異，對每一個指標(biāo)進行歸一化處理。對于致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體所包含的各個指標(biāo)歸一化計算公式為：

式中，Dij是j 站（格）點第i 個指標(biāo)的歸一化值；Aij是j 站（格）點第i 個指標(biāo)值；maxi和mini分別是第i 個指標(biāo)值中的最大值和最小值。

由于抗災(zāi)能力越強，相應(yīng)的災(zāi)害風(fēng)險越小，因此抗災(zāi)能力的個指標(biāo)歸一化方法與其它要素不同，計算公式為：

各評價因子指數(shù)（即致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體）的計算則采用加權(quán)綜合評價法，把各個具體指標(biāo)的作用大小綜合起來，用一個數(shù)量化指標(biāo)加以集中表示整個評價對象的影響程度，計算公式為：

式中，Vj是評價因子的總值，Wi是指標(biāo)i 的權(quán)重，Dij是對于因子j 的指標(biāo)i 的歸一化值；n 是評價指標(biāo)個數(shù)。

5.3 強降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險區(qū)劃特征

從青海省公路沿線強降雪年度災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃（圖6）可見，G315 線的西寧—陰山橋—湟源—巴燕路段、G109 線的西寧—湟源—倒淌河路段和都蘭路段、G214 線的西寧—陰山堂—湟源—倒淌河路段、G227 線的西寧—長寧—大通—黑泉水庫—大坂山隧道—青石嘴—景陽嶺—峨堡鎮(zhèn)—門源—扁都口路段、S101 線的西寧—申北—上新莊收費站—尕讓路段、S202 線的化隆縣城路段為強降雪高風(fēng)險路段。G315 線的巴燕—海晏—西海鎮(zhèn)路段和天峻路段、G109 線的享堂大橋省界—民和—樂都—平安路段、倒淌河—青海湖路段和香日德路段、G214 線的倒淌河—共和—三塔拉路段和囊謙—玉樹與西藏立界牌處路段、S101 線的多石嘴路段、大武路段、達日—滿掌路段和久治—齊哈瑪路口—分水嶺路段、S202 線的石壁—青沙山—阿岱路段、S203 線的古城收費站—阿岱路段為強降雪較高風(fēng)險路段；這些路段一方面強降雪出現(xiàn)頻次較高，另一方面車流量較大，因此一旦出現(xiàn)強降雪，對交通的影響也較大，這與前面分析的事故多發(fā)生路段也比較匹配。

圖6 青海省公路沿線強降雪年度災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

G315 線的剛察路段、烏蘭路段和懷頭他拉—大柴旦—澀北—黃瓜梁—老茫崖—油砂山—省界路段、G109 線的茶卡路段和香日德—諾木洪—格爾木市—格爾木南出口收費站—管養(yǎng)分界路段、G214 線的通天河大橋—玉樹—多拉瑪康路段、G215 線的當(dāng)金山—當(dāng)黃路口—魚卡—鐵石關(guān)隧道—錫鐵山—澀北氣田—察爾汗—加爾蘇—格爾木—格爾木市鹽橋路與黃河路叉口路段、S101 線的班瑪—隆格寺路段、S202 的循化縣路段、S203 線的群科—隆務(wù)鎮(zhèn)—麥秀山路段為強降雪一般風(fēng)險區(qū)，其余路段均為強降雪中等風(fēng)險區(qū)。這與這些路段降雪頻次少，且車流量較少有關(guān)。

從青海省公路沿線逐月強降雪災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃（圖7）可知，除1 月份強降雪災(zāi)害高風(fēng)險集中在G227 線的西寧和青石嘴路段、G109 線的都蘭路段、G227 線的大柴旦路段、S101 線的大武路段外，其余月份的強降雪災(zāi)害高風(fēng)險主要集中在G315 線的西寧—陰山橋—湟源—巴燕路段、G109 線的西寧—湟源—倒淌河路段和都蘭路段、G214 線的西寧—陰山堂—湟源—倒淌河路段、國道227 線的西寧—長寧—大通—黑泉水庫—大坂山隧道—青石嘴—景陽嶺—峨堡鎮(zhèn)—門源—扁都口路段、省道101 線的西寧—申北—上新莊收費站—尕讓路段、省道202 線的化隆縣城等路段。這與青海省強降雪分布特征及青海省各路段車流量相關(guān)[22]。由統(tǒng)計資料可知，5月、10 月發(fā)生的強降雪天氣事件次數(shù)最多，但由于5月、10 月的溫度相對較高，降雪融化快，不易產(chǎn)生積雪和道路結(jié)冰，故而造成的災(zāi)害較少。

6 結(jié)論

圖7 青海省公路沿線強降雪逐月災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃

（1）青海省公路沿線強降雪天氣過程出現(xiàn)次數(shù)最多的是5 月；春季是青海省公路沿線強降雪天氣的高發(fā)季節(jié)；G214 線的清水河段和S101 線的甘德—久治段是強降雪天氣過程的高發(fā)路段。

（2）青海省公路沿線引發(fā)交通事故最高的天氣類型是晴天、路面狀況是干燥。雪天引發(fā)交通事故所占比例不高，但其引起的死亡人數(shù)和財產(chǎn)損失所占比例明顯高于其引發(fā)事故起數(shù)所占的比例，表明雪天發(fā)生的交通事故嚴(yán)重程度明顯高于其它類型天氣。

（3）在分析青海省公路沿線強降雪天氣時空分布特征的基礎(chǔ)上，采用致災(zāi)因子為基礎(chǔ)，加上承災(zāi)體、孕災(zāi)環(huán)境權(quán)重系數(shù)，最終建立了青海省公路沿線強降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險等級區(qū)劃模型，并繪制了等級區(qū)劃圖。西寧地區(qū)、海北地區(qū)、都蘭縣是強降雪災(zāi)害性天氣高風(fēng)險區(qū)，主要因為人口密集，車流量大，災(zāi)害性天氣對其影響大。此外，東部地區(qū)強降雪災(zāi)害性天氣風(fēng)險顯著高于西部地區(qū)。