張思涵，張建成，高萬(wàn)泉，王志超，梁宏喆

1.河北省定州市氣象局，河北定州 073000；2.河北省保定市氣象局，河北保定071000

近年來(lái)，交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展迅速，在高效便捷的運(yùn)輸體系中，安全問(wèn)題不容忽視。而氣象條件對(duì)道路交通安全起著至關(guān)重要的作用。影響交通安全運(yùn)輸?shù)臍庀髼l件主要有大霧、暴雨、冰雹、大風(fēng)以及道路結(jié)冰等[1]。統(tǒng)計(jì)表明，在影響交通安全的惡劣天氣中，由道路結(jié)冰引起的交通事故數(shù)量在冬季排名第一位[2-6]。當(dāng)路面發(fā)生結(jié)冰時(shí)，車輛輪胎與路面的摩擦系數(shù)變小、附著力降低，極易打滑、空轉(zhuǎn)，從而引發(fā)各類交通事故[7-8]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)道路結(jié)冰的研究較多。保廣裕等[2]分析了青海省道路結(jié)冰的時(shí)空分布特征，發(fā)現(xiàn)道路結(jié)冰與地面最高溫度有顯著的相關(guān)關(guān)系，建立了地溫和積雪深度預(yù)報(bào)模型。舒斯等[9]對(duì)路面結(jié)冰頻率隨氣溫的變化進(jìn)行了分析，符合Logistic回歸模型。吳彥等[10]歸納了高速公路冰雪災(zāi)害氣象要素預(yù)報(bào)指標(biāo)，建立了預(yù)報(bào)模型，制定了冰雪災(zāi)害氣象指數(shù)等級(jí)，為交通運(yùn)輸氣象服務(wù)提供了有針對(duì)性、可操作的預(yù)報(bào)產(chǎn)品。這些對(duì)道路結(jié)冰特征及預(yù)報(bào)方法的研究理論依據(jù)充分，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高。但道路結(jié)冰受地形、緯度影響較大，氣候特征具有很強(qiáng)的地域性，而保定屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，地形復(fù)雜，地勢(shì)自西北向東南傾斜，西北部為山區(qū)，東南部為平原[11]，所以道路結(jié)冰氣候特征有其獨(dú)特性，且高速公路沿線多隧道、橋梁，冬季山區(qū)、橋梁等地極易發(fā)生道路結(jié)冰現(xiàn)象，影響道路安全行駛。

本文利用保定地區(qū)近20年具有代表性的高速公路沿線附近氣象站點(diǎn)觀測(cè)資料，對(duì)保定地區(qū)高速公路道路結(jié)冰特征及相關(guān)氣象條件進(jìn)行分析，研究冬季道路結(jié)冰預(yù)報(bào)方法，以期為進(jìn)一步優(yōu)化交通氣象服務(wù)提供參考，有效降低因道路結(jié)冰引發(fā)的交通事故，保障交通運(yùn)輸安全。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

本文選取的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為保定地區(qū)2000—2020年冬季（冬季指當(dāng)年11月至次年3月，如2019年冬季指2019年11月—2020年3月，以此類推。）16個(gè)高速公路沿線附近氣象站的地面溫度、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速、降水、積雪等逐日地面氣象觀測(cè)資料，以及河北省智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的氣溫、降水、濕度、風(fēng)速等數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

道路結(jié)冰是指雨、雪或霧降落到溫度低于0℃的地面而出現(xiàn)的積雪或結(jié)冰現(xiàn)象[12-15]。本文利用回歸分析、相關(guān)性分析、決策樹(shù)等方法，對(duì)道路結(jié)冰的時(shí)空分布和主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行分析。

2 保定地區(qū)道路結(jié)冰時(shí)空變化特征

2.1 保定地區(qū)道路結(jié)冰空間分布特征

根據(jù)地面氣象觀測(cè)資料，繪制2000—2020年保定地區(qū)年平均道路結(jié)冰日數(shù)分布圖（圖1）。從整體空間分布來(lái)看，保定地區(qū)道路結(jié)冰日數(shù)呈“西北多，東南少”分布，各縣年平均道路結(jié)冰日數(shù)在10~30 d之間，最多的是淶源縣，為23.71 d，其他地區(qū)均在20 d以下，最少的是望都縣，為11.67 d，這與西北部地區(qū)海拔高有關(guān)。

圖1 2000—2020年保定地區(qū)年平均道路結(jié)冰日數(shù)分布

結(jié)冰日數(shù)/d

2.2 保定地區(qū)道路結(jié)冰時(shí)間變化特征

從道路結(jié)冰日數(shù)的年際變化看（圖2），2000—2020年保定地區(qū)道路結(jié)冰日數(shù)呈減小趨勢(shì)，每年各縣平均道路結(jié)冰日數(shù)在5~40 d之間，變化幅度較大。道路結(jié)冰日數(shù)大值年份集中在2000—2005年，其中2001年平均結(jié)冰日數(shù)最多，為36 d；2014年以來(lái)，大部分年份平均道路結(jié)冰日數(shù)均在10 d以下，尤其是2014年僅為4 d，這與全球變暖背景下，2014年的厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)。

圖2 2000—2020年保定地區(qū)道路結(jié)冰日數(shù)年際變化

圖3為2000—2020年 保 定 地 區(qū)16個(gè)縣（市、區(qū)）各月平均道路結(jié)冰日數(shù)，分析月際變化可知，各月分布不均，其中1月出現(xiàn)道路結(jié)冰日數(shù)最多為127 d，占21年來(lái)各縣（市、區(qū)）平均道路結(jié)冰日數(shù)的43.5%；2月和12月次之；3月最少，僅有16 d，占21年來(lái)各縣（市、區(qū)）平均道路結(jié)冰日數(shù)的5.3%。因此，保定地區(qū)道路結(jié)冰主要發(fā)生在1月，主要是因?yàn)榇藭r(shí)的冷空氣活動(dòng)頻繁，地面溫度較低，若水汽條件良好，很容易形成道路結(jié)冰，影響交通安全。

圖3 2000—2020年保定地區(qū)道路結(jié)冰日數(shù)月際變化

3 地面溫度與各氣象要素的關(guān)系

為了得到計(jì)算地面溫度的可選因子，本文選取保定、定州、涿州、曲陽(yáng)、順平、徐水、高碑店、唐縣8個(gè)有代表性的高速公路沿線站點(diǎn)2000—2020年冬季的逐日氣溫、相對(duì)濕度、降水量、風(fēng)速資料進(jìn)行相關(guān)性分析。

通過(guò)相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)（表1），地面溫度與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣溫、降水量、10 min平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)系，均通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。其中，地面溫度與氣溫的相關(guān)關(guān)系最為顯著，相關(guān)系數(shù)為0.968。因此，氣溫、相對(duì)濕度、降水量、10 min平均風(fēng)速可以作為統(tǒng)計(jì)地面溫度的可選因子。

表1 氣象要素與地面溫度的相關(guān)系數(shù)

4 地面溫度預(yù)報(bào)模型及效果檢驗(yàn)

4.1 地面溫度預(yù)報(bào)模型的建立

利用逐步回歸方法，以氣溫、降水量、相對(duì)濕度、10 min平均風(fēng)速為預(yù)報(bào)因子，選取保定、定州、涿州、曲陽(yáng)、順平、徐水、高碑店、唐縣8個(gè)高速公路沿線站點(diǎn)資料，剔除缺測(cè)數(shù)據(jù)后共7953組數(shù)據(jù)，建立了冬季地面溫度預(yù)報(bào)模型：

Y=-0.672+1.097X1-0.0472X2+0.011 X3+1.115X4

其中Y為地面溫度，X1為氣溫，X2為降水量，X3為相對(duì)濕度，X4為10 min平均風(fēng)速，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.969，通過(guò)0.05水平顯著性檢驗(yàn)，回歸方程較好的擬合了樣本觀測(cè)值。

4.2 地面溫度預(yù)報(bào)模型效果檢驗(yàn)

統(tǒng)計(jì)保定2021年1月1日—3月31日的地面溫度、氣溫、降水量、相對(duì)濕度、10 min平均風(fēng)速等氣象要素，按上述模型計(jì)算地面溫度預(yù)測(cè)值，繪制地面溫度實(shí)際值與預(yù)報(bào)值折線圖（圖4）。從對(duì)比圖來(lái)看，除個(gè)別時(shí)間浮動(dòng)較大，其他時(shí)間該模型的擬合值與地面溫度實(shí)況變化趨勢(shì)大體一致。另外，通過(guò)對(duì)比分析與計(jì)算，地面溫度實(shí)際值與預(yù)報(bào)值的平均絕對(duì)值誤差為1.4℃，均方根誤差為1.8℃。綜上可知，利用上述多元回歸方程計(jì)算出的地面溫度與實(shí)際值擬合度較高，可以作為地面溫度預(yù)報(bào)模型進(jìn)行應(yīng)用。

圖4 2021年1月1日—3月31日地面溫度實(shí)況與回歸方程擬合值對(duì)比

5 道路結(jié)冰預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建

當(dāng)有積雪或降水出現(xiàn)時(shí)可能會(huì)發(fā)生道路結(jié)冰，結(jié)合前文地面溫度預(yù)報(bào)模型，利用SPSS軟件中的決策樹(shù)分類法，對(duì)保定地區(qū)2000—2020年冬季積雪、降水、地面溫度、道路結(jié)冰情況等要素進(jìn)行分析，構(gòu)建了道路結(jié)冰預(yù)報(bào)模型（圖5）。

圖5 道路結(jié)冰預(yù)報(bào)模型示意圖

6 典型個(gè)例分析與檢驗(yàn)

以定州、保定2個(gè)站點(diǎn)共8次降水過(guò)程為例，從河北省智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品中提取氣溫、降水、濕度、風(fēng)速等基本要素，代入地面溫度預(yù)報(bào)模型得到地面溫度預(yù)報(bào)值，進(jìn)一步對(duì)道路結(jié)冰預(yù)報(bào)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，由表2可知，該模型的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為75%，但空?qǐng)?bào)率較高，整體看預(yù)報(bào)效果較為理想，可以將其應(yīng)用到實(shí)際業(yè)務(wù)工作中。

7 結(jié)論與討論

（1）從空間分布來(lái)看，保定地區(qū)道路結(jié)冰日數(shù)呈“西北多，東南少”分布，各縣年平均道路結(jié)冰日數(shù)在10~30 d之間，淶源縣最多為23.71 d。

（2）分析年際變化可知，2000—2020年保定地區(qū)道路結(jié)冰日數(shù)呈減小趨勢(shì)，大值年份集中在2000—2005年，2014年以來(lái)明顯減小。從月際變化看，保定地區(qū)道路結(jié)冰主要發(fā)生在1月，2月和12月次之，3月最少。

（3）通過(guò)相關(guān)性分析可以發(fā)現(xiàn)，地面溫度與相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與氣溫、降水量、10 min平均風(fēng)速呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與氣溫的相關(guān)性最為顯著，相關(guān)系數(shù)為0.968。因此，氣溫、相對(duì)濕度、降水量、10 min平均風(fēng)速可以作為統(tǒng)計(jì)地面溫度的可選因子。

（4）利用逐步回歸方法，以氣溫、降水量、相對(duì)濕度、10 min平均風(fēng)速為預(yù)報(bào)因子，建立了冬季地面溫度預(yù)報(bào)模型，復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.969。通過(guò)對(duì)比分析與計(jì)算，該模型的地面溫度擬合值與保定2021年1月1日—3月31日實(shí)況值變化趨勢(shì)大體一致，平均絕對(duì)值誤差與均方根誤差較小，故可以作為地面溫度預(yù)報(bào)模型應(yīng)用。

（5）在實(shí)際業(yè)務(wù)工作中，可將道路結(jié)冰預(yù)報(bào)的算法模型應(yīng)用到服務(wù)產(chǎn)品制作中。通過(guò)對(duì)積雪深度、前期降水等觀測(cè)資料和河北省智能網(wǎng)格預(yù)報(bào)產(chǎn)品中的降水、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)速等數(shù)值預(yù)報(bào)進(jìn)行綜合判斷，形成較為精細(xì)的道路結(jié)冰預(yù)報(bào)預(yù)警服務(wù)產(chǎn)品，將對(duì)道路交通安全運(yùn)行提供科學(xué)、有效的指導(dǎo)。