王 佳，郭春燕，谷新波

（內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象服務中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

交通運輸是國民經(jīng)濟的基礎產(chǎn)業(yè)和重要的服務行業(yè)，而氣象條件是影響交通運輸安全的關鍵因素之一[1-5]。霧、強降水、大風、高溫、暴雨、積雪、結冰等天氣是公路交通的主要氣象災害，據(jù)統(tǒng)計，近30%的交通事故是在災害性天氣中發(fā)生的。

近些年來，交通氣象的研究引起許多學者的關注和重視，路面溫度的分析及預報便是其中一項重要內(nèi)容[6-12]。武輝芹等[13]利用河北高速公路的交通監(jiān)測站及氣象站資料，統(tǒng)計分析了河北高速公路路面溫度與氣溫的變換規(guī)律和路面溫度的統(tǒng)計預報模型。田華等[14]利用仙人山和梅村兩個交通氣象站路面溫度資料統(tǒng)計分析了滬寧高速公路路面溫度變化特征并建立了統(tǒng)計預報模型。李萍等[15]利用實測瀝青路面結構溫度數(shù)據(jù)對隴南瀝青路面溫度場的分布規(guī)律進行研究，并采用回歸分析方法分析了氣溫、太陽輻射強度和濕度等影響因素與路面溫度的相關性，建立了以溫度、濕度、太陽輻射強度和路面深度為主要參數(shù)的瀝青路面高溫溫度場預估模型。

本文利用包頭市試驗觀測場不同材質(zhì)路面溫度、氣溫小時觀測數(shù)據(jù)，以及同期氣象站觀測數(shù)據(jù)，分析了路面溫度變化特征并建立了路面溫度預報模型，為探索城市道路路面溫度預報方法以期提升包頭市交通氣象預報服務水平。

1 資料和方法

本文所選取的資料為包頭市試驗觀測場2016年12月1日—2018年12月31日瀝青路面、水泥路面、地磚路面、砂石路面的路面溫度、氣溫觀測實況小時數(shù)據(jù)，同時選取同期氣象站實況監(jiān)測小時數(shù)據(jù)，氣象要素包括相對濕度、降水量、風速、云量、天氣狀況。研究不同材質(zhì)路面溫度變化特征，及其與氣溫、降水、濕度、風速的相關分析，用統(tǒng)計回歸方法建立路面溫度預報模型。

2 結果與分析

2.1 路面溫度變化特征

2.1.1不同材質(zhì)路面溫度各季節(jié)變化特征

利用2016年12月1日—2018年12月31日包頭市試驗觀測場數(shù)據(jù)，分析了不同材質(zhì)路面在不同季節(jié)的路面溫度和氣溫的日變化特征（圖1）。發(fā)現(xiàn)，四個季節(jié)中，不同材質(zhì)的路面溫度與氣溫均在早晨日出前達到最低值，日出后不論是哪種材質(zhì)的路面，路面溫度均升溫較快，這是因為日出后受太陽短波輻射的影響，地面溫度迅速升高，再通過地氣相互作用使氣溫增加，因此路面溫度到達最大值的時間較氣溫早。當路面溫度到達最大值后立即呈現(xiàn)下降趨勢，而氣溫的下降幅度低于路溫，這是因為路面長波輻射使其溫度下降明顯，而氣溫在其影響下逐漸降低。春、夏、秋3個季節(jié)中，白天，瀝青、水泥、地磚、砂石4種不同材質(zhì)的路面溫度均明顯高于氣溫；夜間，路面溫度與氣溫相差不大。從4種材質(zhì)的路面溫度比較來看，盡管在各個時段相差不大，但瀝青路面的最高溫度與最低溫度的溫差較大，而地磚路面溫差較小。冬季，全天中除了中午13、14時的瀝青路面高于氣溫外，其余時間均是氣溫高于路面溫度，這是因為冬季太陽輻射減弱，而空氣的熱容較其他路面材質(zhì)大的緣故。

2.1.2路面溫度在不同天氣狀況下的變化特征

不同天空狀況造成路面溫度有所差異。本文使用日照時數(shù)來區(qū)分天空狀況，并結合天空云量和天氣現(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)<3 h為陰天，日照時數(shù)≥3 h為晴到多云。將天氣狀況綜合分為晴到多云、陰、雨天（雪天）3種[16]。從圖2中可以看出，3種不同的天氣狀況下，路溫與氣溫的日變化差異較為明顯，其中，晴到多云時，中午時段路溫與氣溫的差異幅度最大，陰天次之，降水天氣時差異幅度最小。圖3是不同材質(zhì)路面在晴到多云、陰天、雨天3種天氣狀況下的路面溫度日變化。瀝青路面在晴到多云天氣時路面溫度日變化的幅度最大，在陰天和雨天，幾種材質(zhì)變化不大。

2.2 路面溫度與氣象因子相關分析

表1為2016年12月1日—2018年12月31日不同材質(zhì)路面溫度在不同季節(jié)與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、相對濕度、降水、風速等氣象因子的相關系數(shù)。路面溫度與氣象因子的相關性特征規(guī)律不受路面材質(zhì)的影響。路面溫度與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在4個季節(jié)中均呈現(xiàn)出顯著的正相關，相關系數(shù)在0.76～0.97；與風速呈現(xiàn)出正相關，但相關性不顯著，相關系數(shù)均＜0.3；路面溫度與相對濕度呈現(xiàn)負相關，但相關性表現(xiàn)為秋季較小，相關系數(shù)基本在-0.3左右，春季、夏季、冬季呈現(xiàn)顯著的負相關，相關系數(shù)在-0.53～-0.64；路面溫度與降水的關系表現(xiàn)為春季為負相關、其余季節(jié)為正相關，但相關性均不顯著。進一步分析發(fā)現(xiàn)，不同季節(jié)路面溫度與氣象因子的相關性大小存在差異，路面溫度與平均氣溫在冬季的相關系數(shù)值均小于其余3個季節(jié)；而從路面溫度與最高氣溫、最低氣溫的相關系數(shù)可以看出，春季、秋季的值明顯高于夏季和冬季?；诼访鏈囟扰c氣象因子相關性的分析，為下一步路面溫度預報模型的建立時，預報因子的選取提供了參考依據(jù)。

圖1 不同季節(jié)路面溫度日變化

圖2 全年晴到多云（a）、陰天（b）、雨天（c）和夏季晴到多云（d）、陰天（e）、雨天（f）的路面溫度和氣溫日變化

圖3 不同天氣狀況下不同材質(zhì)路面溫度日變化

表1 不同材質(zhì)路面溫度與氣象因子的相關性分析

2.3 建立路面溫度預報模型

考慮到包頭市屬于半干旱中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，并結合氣象因子與路面溫度的相關分析結果，分季節(jié)利用逐步回歸方法建立路面溫度預報模型，建模及檢驗所用數(shù)據(jù)資料為2016年12月—2018年11月小時值，將數(shù)據(jù)按季節(jié)劃分，每個季節(jié)的總樣本數(shù)為4 368個，樣本的2/3用于數(shù)據(jù)建模，其余1/3用于模型檢驗，其中x1代表平均氣溫（單位：℃）、x2代表最高氣溫（單位：℃）、x3代表最低氣溫（單位：℃）、x4代表平均相對濕度（單位：%）、x5代表降水量（單位：mm）、x6代表平均風速（單位：m/s）。在上文的相關分析中，雖然風速與路面溫度的相關性不太顯著，但是在做逐步回歸中發(fā)現(xiàn)風速進入了預報方程，這是由于SPSS里的皮爾遜相關分析的作用就是單純考量變量兩兩之間的關系，雖然在分析時一次放入多個變量，但出來的結果都是兩個變量的簡單相關，也就是不在求兩變量相關時考慮其他的控制變量。然而回歸不同，回歸的結果是綜合所有進入回歸方程的自變量對因變量的結果而成的。

2.4 模型預報結果檢驗及應用個例

為了對以上分季節(jié)預報模型進行檢驗，主要采用了4個統(tǒng)計量，分別為均方根誤差、平均絕對誤差、相關系數(shù)及預報準確率。

①均方根誤差[17]RMSE公式為：

②平均絕對誤差[17]MAE公式為：

③相關系數(shù)[18]：

其中，Xi為第i點的預報值，Yi為第i點的觀測值。

④預報準確率[13]V：依據(jù)文獻里的預報準確率算法計算，即規(guī)定路面溫度實況與預報模型計算值相差在±3 ℃之前，認為預報準確，否則為錯誤。

參與檢驗的樣本為樣本總數(shù)（每個季節(jié)的總樣本數(shù)為4 368個）的1/3，預報檢驗效果統(tǒng)計量如表3。從檢驗結果指標可以看出，不同季節(jié)、不同材質(zhì)的路面溫度預報模型預報效果有所差異。從相關系數(shù)可以看出，模型對于路面溫度預報的整體趨勢較好，相關系數(shù)在0.89～0.96；預報準確率整體在80%以上，因此各季節(jié)預報模型可以在實際業(yè)務應用。

在日常的生產(chǎn)生活中，對交通影響較大的路面溫度是夏季的路面高溫和冬季的路面低溫，前者容易造成爆胎而后者較易形成路面結冰影響交通安全。因此文中分別列舉了試運行階段夏季高溫和冬季低溫的兩個應用個例來說明模型的實用性。實例1是2019年7月27日包頭市最高氣溫達到34 ℃，是2019年夏季氣溫最高的一天。實例2是2019年2月13日，包頭市當日有小雪。圖4是試運行期間當日24 h預報值與實況值差值圖。從圖4可知，預報值與實測值相差不大，大部分差值均落在-3～+3的區(qū)間范圍內(nèi)，只有個別值超出這一范圍。計算了實例中預報值與實況值的相關系數(shù)，均在0.96以上。夏季模型預報的不同材質(zhì)路面溫度值大部分較實測偏大，而冬季偏小。在業(yè)務應用中，2月13日這次降雪過程，結合氣溫預報、降水預報并根據(jù)路面溫度預報情況，及時發(fā)布了道路結冰預警信息，7月27日將路面溫度預報結合氣溫預報，給交通部門提供了路面高溫預警信息。

3 結論與討論

表2 不同材質(zhì)路面溫度預報方程

表3 預報效果檢驗

圖4 預報值與實況值差值

（1）不同季節(jié)不同材質(zhì)的路面溫度和氣溫有著明顯的日變化特征，瀝青路面溫差較大，而地磚路面溫差較小，路面溫度和氣溫的最低值出現(xiàn)的時間和數(shù)值較為接近，最高值出現(xiàn)的時間路面溫度較氣溫略早，并且在春、夏、秋3個季節(jié)中數(shù)值明顯高于氣溫，冬季時氣溫值高于路面溫度值。

（2）不同天氣狀況下，路溫與氣溫日變化差異明顯，晴到多云時，中午時段路溫與氣溫的差異幅度最大，陰天次之，降水天氣時差異幅度最小。

（3）路面溫度受多種氣象因子的影響，與平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫在4個季節(jié)中均呈現(xiàn)出顯著的正相關；與相對濕度呈現(xiàn)負相關，與風速呈現(xiàn)正相關，但相關性不顯著；與降水的關系表現(xiàn)為春季為負相關、其余季節(jié)為正相關，但相關性均不顯著。

（4）分季節(jié)建立了不同材質(zhì)路面溫度預報模型并對其進行了檢驗，預報準確率在82%～94%，相關系數(shù)0.86～0.96，該預報模型可以引入路面溫度預報業(yè)務。

（5）在研究過程中，實況數(shù)據(jù)時間較短，按季節(jié)分類進行了建模，一定程度上限制了預報效果，在后續(xù)的工作中，隨著監(jiān)測資料的積累，將進一步改進為按月建模。

（6）從業(yè)務運行角度出發(fā)，為提高模型實用價值，下一步將采用MOS思路建模。