贵州高速公路交通气象监测系统的初步应用研究

唐延婧 宋 丹 柳艳香 裴兴云

1. 贵州省气象服务中心，贵阳 550002

2. 中国气象局公共服务中心，北京 100010

0 引 言

高速公路上的交通运输是一对气象高度敏感的行业，在很大程度上受气象因素的制约而不能实现其快速、高效、安全的目标。随着国家经济与城市化的快速发展，由气象条件引起的高速公路交通安全问题日益突出。统计表明，高速公路上因恶劣天气造成的交通事故大约占总事故的1/4左右。交通部门和司乘人员都对出行天气和路况信息越来越关注，这对交通气象安全保障工作提出了更高的要求。

建设稳定可靠的高速公路气象灾害监测系统是交通气象安全保障的有效手段。许多发达国家早在20世纪 80年代就进行了高速公路交通气象监测系统研究，建立了较为完备的高速公路交通气象监测系统[1-2]。我国高速公路交通气象监测系统研究与应用工作起步较晚，近年来率先在国内一些发达地区，如江苏、安徽、山东、京津塘地区陆续开展。总的来说，国内交通气象监测资料应用大多处在基础研究阶段，应用效果分析方面研究较少。李迅[3]等对高速公路气象监测站的应用效果从宏观上开展了研究分析，但具体到山区复杂气象条件下的应用效果尚缺乏认识。

地处高原山区的贵州省，立体气候明显，道路形态复杂，是全国14个预防重特大道路交通事故的重点省份之一。雾和凝冻是贵州最为典型的高速公路高影响天气，且有很强的局地性特征，有针对性的高速公路交通气象监测显得尤为重要。贵州省的交通气象监测起步较晚，经过2013-2014年的快速发展，贵州高速公路交通气象监测系统初步建成并投入使用，本文就其做了简要介绍，并初步探讨交通气象监测系统在以贵州为代表的多雾多凝冻地区的应用效果，以期对相关业务应用和技术研究提供参考。

1 贵州高速公路交通气象监测系统简介

1.1 系统概述

及时、准确的交通气象监测信息，是交通管理部门、高速公路养护部门、司乘人员的关注焦点。交通气象灾害信息的有效传达和提前预警，是交通气象监测系统需要达成的主要目标。贵州高速公路气象监测系统，旨在提供及时、准确的路况和气象信息，向交通管理部门及高速公路司乘人员提供决策和出行参考，从而保障高速公路运营安全。初步建成的贵州高速公路气象监测系统，依托贵州高速公路交通气象监测网，实现了贵州各类交通相关的气象监测数据的监测和采集，以GIS形式显示、查询，并根据监测要素对交通的影响程度作出实时分级报警，此外还实现了交通气象预报信息的实时发布。交通气象信息监控和交通气象预报是贵州高速公路气象监测系统最为主要的两个功能。

1.2 贵州高速公路气象监测系统的构成

贵州高速公路气象监测系统由交通气象监测网、监控管理中心、基于GIS的高速公路交通气象服务网站构成。

交通气象监测网实现对天气变化、路面状况、空气环境的实时监控，是贵州高速公路交通气象监测系统的基础。贵州省的交通气象监测网以分布在主要高速公路沿线的52套交通气象监测站为主（见图1）。交通气象监测站的数据监控形式，布设选址，都从贵州高原山区多雾和凝冻灾害的特点出发，设定为对能见度、路面状况等多个交通气象要素进行连续监测，并在这两种气象灾害多发路段重点布设。此外，交通气象监测网还包括了高速公路沿线3公里以内的300多个两要素自动气象站和贵州省境内84个县级以上多要素常规自动气象观测站，这些气象站点监测的气象信息，为交通气象监测站提供了背景参考及必要补充。

图1 贵州省交通气象监测站分布(2014)Fig.1 Distribution of traffic weather stations of Guizhou (2014)

监控管理中心实现高速公路交通气象监测站的组网和监控管理功能。贵州的高速公路交通气象系统，主要通过GPRS/CDMA/3G等无线通信方式与监控管理中心建立联系：监控管理中心实时采集监控数据，传输到联网数据库内以便业务应用；同时监控各个交通气象监测站的运行情况。

基于GIS的高速公路交通气象服务网，实现了监测数据的实时显示、查询、分级报警功能，以及交通气象信息的发布功能，是贵州高速公路交通气象监测系统功能实现的载体，是交通气象服务的业务窗口。网站调取联网数据库的交通气象监测数据，并融合了其他气象站监测的气象信息；网站不仅提供某高速路段过去、当前的天气状况这些最受关注的信息，还及时提供监控要素的分级报警，以及交通气象预报，这些产品更有利于交通管理部门和高速公路使用者做出决策和判断。

1.3 贵州高速公路交通气象系统的主要功能

贵州高速公路交通气象信息监控系统投入业务应用中的主要功能为交通气象信息监控和交通气象预报。

1.3.1 交通气象信息监控功能

贵州高速公路交通气象信息监控系统除具备显示、查询监控数据的基本功能外，更重要的是交通气象信息监控功能。交通气象监测数据都是量化的数值，非专业人士通常对各数值缺乏直观的理解，无法做出判断和决策，从而影响监控数据的应用效果。因此，为直观表示气象灾害对高速公路运营的实际影响程度，系统对关键监测信息进行分级预警研究，制定了适用于多雾多凝冻的高原山区的交通气象分级预警划分标准。

分级预警划分标准采取对监测要素值进行简单的阈值判断方法，以保证对连续传输数据的快速判断。分级预警判断包括了能见度（见表 1）、相对湿度、降雨量、路面温度、气温、瞬时风速这几项监测要素，直接反应低能见度、暴雨、高温、大风这几个气象灾害的危害程度。其中能见度要素的连续监测和分级预警，在贵州这样的多雾多凝冻高原山区倍受关注。标准的划分紧扣道路和天气特点，以能见度分级预警划分标准（表1）为例。在高速公路上，能见度500 m以上，对高速公路交通通行几乎没有影响；能见度小于200 m，交通部门就应对车辆实行限速；贵州的高速公路穿行于山间，地形环境复杂，多桥梁、隧道、弯道等，高速路段能见度小于100 m，就有发生追尾事故的风险。因此，当能见度小于100 m，视为当前路段发生了对交通严重影响的低能见度天气，提示最高级别的“红色”能见度预警。

表1 能见度分级预警划分Tab.1 Visibility warning classification

实时传输、显示的交通气象监测信息，通过分级预警标准判断，在交通气象服务系统的网页以语音、文字、站点闪烁这些更符合用户体验的方式，提示相应气象灾害发生的位置、等级。通过分级预警标准，使得交通气象监控信息从数字转化为直观的气象灾害影响程度，提高了监控信息传达的有效性，为决策和服务提供了有力参考。

1.3.2 交通气象预报

高速公路交通的高影响天气在贵州地区主要有雾（低能见度）、凝冻、高温、降雨、冰雹、大风等，其中雾和凝冻对高速交通的影响最大并有明显地域特点。了解未来高速公路上会有哪些高影响天气，以及出现的时间地点，也是交通部门，司乘人员关注点之一。对这些天气的预报预警，需要精细、客观的预报方法作为支撑，是交通气象服务的技术核心和研究难点。

贵州交通气象预报早在交通气象监测系统建成之前就已经开始，但各种交通气象预报产品都以常规大范围气象预报的技术和思路为基础。在系统建成后，交通气象预报在制作、展示上，都以GIS技术为基础，增加了影响路段图示的产品更为直观。此外，还增加了能见度、风、降水量等气象要素的预报，以及交通气象日报、交通气象预警等产品，较之前更为丰富。预报技术上引入了EC细网格预报产品作为精细、客观预报方法。此外，将地质灾害、低能见度的预报模型集成到预报系统中，形成客观可行的预报产品，迈出精细、客观的交通气象服务的第一步。

从贵州高速公路交通气象监测系统的主要功能概述可看出，交通气象监测网采集的监控数据是保障系统功能的基础，也是提高系统功能的关键，交通气象监测数据的适用性直接决定了系统的应用效果。下面详细讨论贵州高速公路交通气象监测网的适用性。

2 贵州高速公路交通气象监测网的适用性

贵州高速公路交通气象监测网的主要构成——交通气象监测站。监测站由各类气象传感器、数据采集平台、电源、通讯部件、风杆及支架等部分组成，主要负责实时采集该站环境的能见度、风向、风速、温度、湿度、雨量等气象数据，以及路面状况、路面温度、路基温度等路况信息。数据都为数值形式，其中路面状况的数据最终解析为对应的文字形式，如“潮湿、结冰”等等。观测频次都为 1 min，达到了连续监测的要求。

交通气象监测站的主要功能就是采集数据，其数据的代表性、准确性及应用价值挖掘等是检验仪器适用性最直接的指标。在文献[3]中提出了交通气象监测站的客观适用性分析指标体系，本文以此为参考，从以下两方面对贵州高速公路交通气象监测网的适用性进行考察。

2.1 交通气象监测网的布设

贵州交通气象监测站的站点分布，结合贵州的高原山区的天气气候特点进行了分析和选择。根据2014年进行的贵州省交通行业气象服务影响调查评估结果，贵州高原山区的高速公路高影响天气主要为凝冻和低能见度，其中凝冻是贵州特有的高速公路高影响天气，它对高海拔高速道路形态的影响较为明显，贵州高海拔地区、桥梁、隧道口都是凝冻监测的布设重点；低能见度天气在贵州山区存在时空分布不均，多局地性小尺度低能见度天气有难于扑捉的特点，需要在高速公路沿线进行密集布设，连续监测才能达到监控目的。

从图1可见，在贵州境内的交通气象站分布仍非常稀少，远不能够达到密集布设的要求。由于建站规模的限制，贵州高速公路沿线的交通气象站布设，在考虑高影响天气易发点的同时，还考虑一定的监测范围，高速公路的使用效率，重点布设气象灾害隐患点，以最大程度发挥交通气象站的监控效率。最先由气象部门建设的12套交通气象站，在布设时主要考虑了贵州凝冻和低能见度多发的地点，而没有考虑高速公路的适用性，以至重点布设的梅花山地区并非重点行车路段，行经车辆不多，安全保障效果和经济效益不高。之后与交通部门合作建设了40套交通气象站，以前期高速公路气象灾害风险普查结果作为选址依据，在易雾和易凝冻路段重点布设，有很大部分交通气象站布设在桥梁、隧道这些特殊路段上，覆盖了省内大部分主要高速路段。通过双方合作，充分考虑灾害隐患点的交通站布设更加合理，利于在高速公路运营安全保障工作中发挥更大作用。

2.2 交通气象监测网的数据质量及应用效果

与重点关注的高影响天气，如凝冻、低能见度，相关联的气象要素主要为路面状况、路面温度、降水量、能见度、湿度这几项。下面就路面状况、路面温度、能见度这几项关键监控数据的质量和应用研究展开讨论。

2.2.1 路面状况

路面状况，显示路面干燥、潮湿、危险湿、积水、结冰等状态，是唯一以文字形式显示的监测要素，也是高速公路路况信息最直观的体现。因此，路面状况的数据质量，直接影响交通气象站的适用性。但是，从贵州高速公路交通气象监测系统投入使用以来，发现有的交通气象站监测的路面状况不准确，如在无降雨的天气出现“雪”等天气现象。路面状况由交通气象站的路面状况传感器来监测和传输。传感器自身要用到路基温度和水膜厚度等原始数据，间接计算路面状况，对仪器的灵敏度、准确性要求较高，且通过计算得到的间接值更易出错。

研究表明，可运用状态允许值检查、状态连续性检查、内部一致性检查、气象要素的空间一致性检查、数据完整性检查和人为识别的方法[5]，来检验和矫正路面状况这项监测要素。此外，影响路面状况的气象因子主要是降水和气温。在实际应用中，对路面状况通过结合路面温度、降水等监控数据，可以快速准确的判断路面状况的正确与否。如路面状况显示“结冰”时，路面温度>0℃，则可判断路面状况数据出错。

贵州高速公路交通气象监测系统初步应用表明，准确的路面状况为高速交通出行安全提供了有效信息，但受数据质量不高的影响，其应用效果还不能达到预期。

2.2.2 路面温度

宋榕华....................................................................................................................................................................科莱恩大中华区可持续发展及管理事务总监

路面温度也是对路面状况的反应，贵州高速公路交通气象系统投入使用之后，其数据质量可靠，工作人员可直观判断路面温度对行车安全的影响。

路面温度监测为路面温度与气温之间关系的认识和研究提供了第一手资料。气象观测的气温为空气温度，道路上由于路面质体不同，路面温度普遍较气温偏高。晴天的白天的路面温度可能与气温相差 20多°C（图 2），冬季阴雨天气温与路温的差别较小，但仍可看出差异。路面温度与气温是不可相互替代的。

图2 不同天空状况、不同季节下交通气象站监测的气温与路温Fig.2 Air and pavement temperatures monitored by the traffic weather stations in different weather conditions and seasons

路面温度在实际应用中大大提高了高速公路交通气象系统的功效。在贵州高速公路交通气象系统投入使用之前，以气温冰点来判断路面结冰与否，会出现路面结冰范围预报偏大、程度偏重的偏差；以气象站的气温来判断路面的高温情况，则往往出现对高速路面高温范围、程度估计不足的情况。在贵州高速公路交通气象监测系统的初步运用中，以路面温度来做路面结冰的状态判别和预报，使道路结冰监测和预报更切合实际；夏季晴热天气里，路面温度更能直接反应高速公路上高温的实际状况。

2.2.3 能见度

贵州山区多雾、雨雾等低能见度天气，且受地形环境影响明显，在秋、冬、春季都是频繁发生的高速公路高影响天气，且由于时空分布不均，监测和预报都很困难。交通气象站的高频次能见度监测显得尤为重要。

从1分钟频次的交通站监测能见度数据来看，其变化比较快，常有震荡和突升突降的情况（图 3）。在数据质量考察中，发现能见度的震荡和突变可能是由于传感器受到干扰而出现的，但也可能是能见度迅速变化的真实反应。如何区分这两种情况，是能见度监测数据应用中的最大困扰。

图3 2013-5-17—2013-5-18的一次低能见度过程Fig.3 Low visibility processes form 2013-5-17 to 2013-5-18

因此，在交通气象站能见度监测数据解读时最好结合天气背景、相对湿度数据等来区分虚假信号和真实的低能见度天气。雾引起的低能见度天气，一般相对湿度在91%以上，雨雾引起的相对湿度在99%以上且有弱降水。而较大范围的低能见度天气，周围交通气象站、常规气象站也有可能出现低能见度天气，卫星云图上显示有云（雾）区。但对单点局地的低能见度天气出现的可能性判别，则需要结合天气条件和能见度数据的连续变化情况来解读。文献[6]指出，“掌握低能见度天气的背景、演变特征后，做好提前半小时左右的低能见度天气临近预警是可行的”。

3 贵州高速公路交通气象监测系统初步应用中的问题及讨论

3.1 交通气象监测网的应用问题

（1）贵州交通气象监测站在布设密度上远远不够，一些新建路段甚至没有交通气象监测站，未来仍需增加交通气象监测站建设。

（2）除上文提到的交通气象监测站传感器受到干扰影响数据质量的情况外，还存在个别监测站数据接收不正常，或仪器故障导致数据缺测或错误的情况。因此，需要跟进交通气象监测站的维护，以保障交通气象监测网稳定运行。

（3）从对贵州高速公路交通气象监测网的适用性讨论中，发现数据应用在实况监测，开发初级产品和科研项目三个方面都有涉及，但不同类型的数据应用效果和开发程度不同。如能见度数据的应用在三个方面都有涉及，路面温度通过分级预警划分开发了初级产品，而路面状况数据目前仅应用在实况监控方面。大部分监测数据缺少深度挖掘，没有针对交通用户生成专业指导产品，监测数据的价值没有得到完全体现。通过针对性的深入研究，可挖掘更多数据的应用价值。

3.2 交通气象信息监控功能存在的问题

（1）提高交通气象信息监控功能，最先要保障监测数据质量。根据前文分析发展数据质量控制方法，纠正、排除错误数据，提高数据质量，能够提高交通气象信息监控的功能。

（2）分级预警划分仅针对单个要素，对如凝冻等需要多个气象要素来进行综合考察的气象灾害，分级预警方法就不适用，使得贵州高速公路交通气象监测系统在凝冻监测上没有发挥功效。未来根据凝冻天气特点，设计综合的分级预警方法是可行的。

3.3 交通气象预报存在的问题

（1）交通气象监测资料准确反映高速交通气象状况，监测要素、频次都非常适于用在高速公路高影响天气的预报及研究。但在系统初步应用中，监测资料在高速公路高影响天气的预报方面运用并不多，主要因为：贵州高速公路交通气象监测网建成时间不长，资料积累不够多；连续监测的海量数据在质量检测、数据处理上都要求较高；交通气象监测数据揭示了贵州山区高速公路在气象环境上与常规气象站的差异较大，其特征有待总结。

（2）交通气象预报的关键在于与高速公路交通特点的耦合。一方面，高速公路的环境与常规气象站点的差异很大，在山区地形起伏，植被差异都会对天气产生影响，使得贵州省的交通气象预报必须要与精细化的地形地貌、道路形态等复杂因素相结合，而不适用于大范围的天气形势预报方法。另一方面，考虑气象要素和路面要素的相互作用，如道路车流状况差异引起的路面温度变化等等，仍是研究的难点。

未来经过几年交通气象观测资料的积累，结合贵州高速公路地理信息，可更深入的开展高速公路交通气象的预测预报技术的研究，如预报道面结冰、积水等，以做出适用于贵州山区的交通气象高影响天气预报模型。

4 结 论

初步建成的贵州高速公路气象监测系统，依托贵州高速公路交通气象监测网，实现了交通气象监测数据的监测和采集，以GIS形式显示、查询、分级预警，以及交通气象预报实时发布。本文主要讨论了贵州高速公路气象监测系统的功能实现、交通气象监测数据的质量适用性及初步应用中的问题。

（1）交通气象信息监控和交通气象预报是贵州高速公路气象监测系统最为主要的两个功能。交通气象信息监控通过适用贵州高原山区的分级预警划分，采取对监测要素值进行简单的阈值判断方法，通过多种符合用户体验的方式提示预警，提高了监控信息有效性。交通气象预报在形式、内容、适用性上都有提高。预报技术上引入了精细、客观预报方法，集成了预报模型，迈出精细、客观的交通气象服务的第一步。

（2）交通气象监测站的站点分布，结合贵州多雾多凝冻的天气气候特点，重点布设气象灾害隐患点，最大程度发挥交通气象站的监控效率。

（3）以路面状况、路面温度、能见度这几项为例，讨论贵州高速公路交通气象站监测数据的质量和应用效果：路面状况数据质量不高，可通过一定方法，结合气温、降水的监控数据来进行判断。路面温度与气温不可相互替代，运用监测的路面温度可使交通气象预报更切合实际。能见度监测资料结合天气背景、相对湿度数据、能见度的连续变化等，可区分虚假信号和真实的低能见度天气。连续能见度监测使用以来对低能见度天气发生规律有了不同认识，提高低能见度天气监测、预警的效率和准确程度，在科研上有重要作用。

（4）交通气象监控网的应用存在问题为：贵州高速公路交通气象监测网布设不够，需增加交通气象监测站建设；监测站常见数据接收不正常，或仪器故障，需跟进交通气象监测站的维护；数据缺少深度挖掘应用价值，需进行针对性的深入研究。

（5）交通气象监控功能存在的问题为：要保障监测数据质量，需发展数据质量控制方法来提高数据质量；分级预警方法不适用多要素综合考察的如凝冻灾害，需设计综合的分级预警方法。

（6）交通气象预报方面存在的问题为：监测资料在高速公路高影响天气的预报方面运用不多；与贵州高原山区高速公路交通特点的耦合不够。未来经过几年交通气象观测资料的积累，结合贵州高速公路地理信息，可更深入开展高速公路交通气象的预测预报技术研究。

[1] 美国联邦气象协调办公室. 美国交通气象信息国家需求评估报告[M]. 黎 健，魏 丽，傅敏宁，等译. 北京：气象出版社，2008：12-31，155-168.

[2] 孟遂珍. 国外高速公路的管理与气象信息[J]. 气象科技，2000，(4)：60-61.

[3] 李 迅，尹志聪，丁德平，等. 高速公路气象监测站的宏观适用性[J]. 气象科技, 2013, 41(2):372-377.

[4] 贵州省气象局. 2008年贵州特大凝冻灾害[M]. 北京: 气象出版社, 2009: 1-87.

[5] 曲晓黎，马翠平，刘建文，等. 高速公路路面气象监测数据质量检查方法[J]. 气象科技，2012, 40（2），203-206.

[6] 唐延婧，裴兴云. 贵州交通站资料应用于山区高速公路低能见度研究[J].热带气象学报，2015, 31(2):280-288.

[7] 廖 波，唐延婧，宋 丹. 贵州山区短时强降雨对能见度的影响[J]. 贵州气象, 2015, 39(3): 47-50.