吉凤茶高速公路气象要素特征分析

郑福维，肖 健，卿湘涛，谢宇枫，张丹丹

(1.湘西州气象局，湖南 吉首 416000； 2.衡阳市气象局，湖南 衡阳 421000；3.湖南省高速公路警察局 湘西支队，湖南 吉首 416000)



吉凤茶高速公路气象要素特征分析

郑福维1，肖 健2，卿湘涛1，谢宇枫3，张丹丹1

(1.湘西州气象局，湖南 吉首 416000； 2.衡阳市气象局，湖南 衡阳 421000；3.湖南省高速公路警察局 湘西支队，湖南 吉首 416000)

高速公路小气侯与交通事故发生量有一定关联性。利用吉首-凤凰、吉首-茶洞(简称吉凤茶)两条高速公路的4个自动气象站18个月实测资料，高速公路警察2012年4月—2015年6月目测天气信息资料，以及1960—2012年吉首、花垣、凤凰三县(市)的年雾日数资料，采用数理统计和Morlet小波方法分析了吉凤茶高速公路小气候和交通事故的相关关系。研究表明：影响吉凤茶高速公路安全的主要气象因素是大雾和结冰。大雾天气能见度很低，容易发生车辆追尾和撞击交通事故；结冰天气道路湿滑，容易发生翻车、漂移、追尾等交通事故。两条高速公路所处区域雾日数变化规律为：花垣有准32 a的大周期和准3 a的小周期，吉首有准2、4 a小周期，凤凰有准4 a的小周期。

交通工程；气象；大雾；结冰；交通安全；交通事故

0 引 言

随着全球气候变暖，极地冰川大量融化，厄尔尼诺现象出现频率增大、强度加强，暴雨洪涝、高温干旱等极端天气事件日益增多。建立完善的道路气象信息监测系统，采取有效的交通应对措施能有效降低气象灾害对高速公路的损害程度。芬兰、美国和日本等国都建有比较完备的系统，能够及时监测路面天气现象，通过数据处理分析得出未来天气对道路运行可能产生的影响，并提出应对措施[1-2]。欧洲的丹麦、瑞典、瑞士等国在20世纪80年代就已经建立了手动实时预报系统[3]。

国内学者对高速公路气象也展开了研究。汤筠筠等[4]用热谱地图以冰雪雾天气为对象研究了京沈高速公路气象监测实验系统；孟宪群[5]从结构方程模型视角进行了气象服务研究；孙洪运等[6]基于通行能力、车速、车流量三要素界定了恶劣天气事件范围；王景红等[7]在修建西汉高速时建立了15个五要素自动气象站，进行保障高速公路建设气象服务的研究；杨亚新等[8]对雾、雨、雪、风等气象灾害进行监测，建立了判别指标。

湖南凤凰县古城是国内外闻名遐迩的生态文化旅游景区，茶洞镇位于湘渝黔三省交界处，是著名作家沈从文代表作《边城》的发源地。近年来，随着湘西旅游业的迅猛发展，每年来湘西的国内外游客数量接近1 000万人次，导致交通安全事故的发生量也逐渐增多起来。为了做好吉首-凤凰、吉首-茶洞(简称吉凤茶)两条高速公路交通旅游气象保障工作，由中国气象局和湘西州政府投资建立了4个多要素自动气象站，用于研究吉凤茶高速公路所处区域气候情况。

笔者分析了吉凤茶高速公路多项气象要素特征，从多要素角度探究了气象因素对吉凤茶两条高速公路交通安全的影响。

1 气象资料与观测仪器

1.1 研究区域概况

吉首-茶洞高速公路于2012年4月1日开通，主线全长65 km；吉首-凤凰高速公路于2012年9月29日开通，路线全长39 km，形成了湘西两条旅游大动脉。随着交通流的增加，吉-凤、吉-茶这两条路段车祸总次数呈逐年增多趋势。根据湖南高速公路警察局湘西支队提供的数据，吉-凤、吉-茶两条路段发生车祸数：2012年147起，2013年231起，2014年440起，2015年1—5月发生了440起。导致高速公路车祸的因素很多，如高速公路上车辆多、车速快，以及超速、超限、超载、打滑、侧滑、爆胎、疲劳驾驶等。此外，高速公路的小气候也是因素之一，笔者就此进行研究分析。

1.2 湘西州高速公路气象站建设情况

湘西州气象局依据气象学原理，通过实地勘察及分析，选择在吉首矮寨大桥头、凤凰、花垣、永顺泽家的高速公路服务站4个地点建立自动气象观测站，用于监测两条高速公路的气象因素。吉首市矮寨特大悬索桥站九要素包括：能见度、温度、湿度、风向、风速、路温、雨量、道面状况、天气现象。凤凰、花垣、永顺服务站七要素包括：能见度、温度、湿度、风向、风速、路面温度、雨量。

监测系统设备由采集器、传感器、存储服务器(软硬件)、显示器等4部分组成。监测气象仪器的采集器、传感器设备是由江苏省无线电科学研究有限公司研发生产和进口的，传输方式采用RS-232无线通信，数据存储量达2个月的分钟数据。仪器型号为：数据采集系统WUSH-BH，温湿度传感器DHC2，风速传感器ZQZ-TFS，风向传感器ZQZ-TFX，双翻斗雨量传感器SL3-1，埋入式路面温度传感器ZQZ-TW120，路基温度传感器ZQZ-TW100，路面状况传感器IRS31(芬兰进口)，能见度传感器PWD20(芬兰VAISALA公司)，无线通信模块H7118。

通过自动气象站监测取得的丰富而全面的实况信息资料(以下简称“湘西气象局观测数据”)，对当地天气预报员验证预报结论、总结预报经验、提高天气预报技能大有帮助。

2 气象要素和气象交通相关分析

2.1 吉凤茶高速公路小气候

湘西州气象局于2014年1月—2015年6月，在吉凤茶高速公路矮寨大桥头、凤凰高速服务区、花垣高速服务区、永顺泽家高速服务区自动气象站观测的风向特征数据见表1。

表1 风向特征Table 1 Wind direction characteristics

2.1.1 最大风速Vmax

通过对自动气象站观测风速资料的分析，最大风速Vmax出现在吉首矮寨大桥，2015年5月1日为15.7 m/s。从自动站观测和对交通警察、村民调查情况来看，2012—2015年3年来高速公路没有出现过一次瞬时及时长2 min风速超过17.0 m/s的大风灾害性天气。

2.1.2 路基温度

1) 路基最高温度：根据观测的结果来看，吉凤茶高速公路路基年度最高温度值最大值为50.1 ℃，最小值为35.1 ℃。

2) 路基最低温度：根据湘西气象局观测数据，路基温度≤0 ℃出现次数如表2，观测频率为每10 min观测一次。

表2 路基温度Table 2 Roadbed temperature

2.1.3 雾日时空分布的数理统计和Morlet小波分析

凡是大气中因悬浮的水汽凝结，能见度低于1 000 m时，气象学称这种天气现象为雾。水平能见度200～500 m的称为大雾，50～200 m的称为浓雾，50 m以下的称为强浓雾。

从湘西气象局观测数据(图1)可看出，两条高速公路在2014年1月1日—2015年6月30日期间，共出现能见度<1 000 m的雾281次。矮寨大桥出现雾最多，高达100次，凤凰出现雾最少，仅9次。

图1 2014-01-01—2015-06-30 4站雾日数Fig. 1 Fog days at four stations from Jan.1，2014 to Jun.30，2015

图2为取自湘西州气象局2014年12月—2015年7月在吉凤茶高速公路矮寨大桥头观测的雾天数据。

图2 2014年12月—2015年7月能见度观测数据Fig. 2 Observed data of visibility from Dec.2014 to July 2015

从图2(a)可以看出，2015年2月14日—4月4日吉茶高速矮寨大桥路段50 m以下能见度浓雾出现了5次；由图2(b)可以看出，2014年12月29日—2015年7月2日50～100 m浓雾出现了86次；大雾时间主要出现在春冬两季，春季大雾最多。这是因为春季雨水多，湿度大，高速公路灰尘多，形成的凝结核较多，夜间路面热量散失，温度下降，加上多高山峡谷特殊地形地貌，两条高速公路极易形成浓雾。

由于4个自动气象站观测的时间较短，不能很好地代表吉凤茶两条高速公路浓雾的状况。为了弥补气象资料短少的缺憾，笔者采用1960—2012年的吉首、花垣、凤凰三县(市)浓雾气象资料(图3)进行Morlet小波分析。

图3(a)显示，吉首存在2 a和准4 a的周期。图中，阴影区域为通过显著性检验区域，周期明显，1960—1966、1986—1991年存在准4 a的周期，1986—1988年存在2 a的周期。

图3(b)显示，凤凰存在准4 a的周期，从通过显著性检验区域来看，1960—1967、1984—1992年存在3 a和准4 a的周期。

图3(c)显示，花垣于1964—1966、1985—1992年存在3 a周期，周期通过显著性检验非常明显。

从图3可以推断出吉凤茶两条高速公路雾日52 a的变化规律，得到主要结论：吉凤茶高速公路的雾日变化以准4 a为一个演变周期，花垣有一个32 a的大周期，故而能够得出吉凤茶高速公路的雾日气候特征。从以上的演变周期进行相似法类推，可以模拟出未来年份的雾日气候概况。

图3 1960—2012年吉首、凤凰、花垣雾日小波分析Fig. 3 Wavelet analysis on fog days in Jishou，Fenghuang and Huayuan from 1960 to 2012

2.1.4 天气现象、湿度、道面状况

1) 天气现象。通过综合统计4套多要素自动气象观测站的资料及湘西高速交警支队凤凰大队和乾州大队提供的目测资料，得到结果：降雨、大雨-暴雨18次，50～100 mm暴雨4次，雾281次，积雪2次，结冰1次，其他如雨夹雪、冰粒、霜、冰雹、雷暴等均有出现。

2) 湿度。早晚高，白天低。

3) 道面状况。干燥、潮湿、积水，结冰(交警目测)。

2.2 气象因素与高速公路交通安全关系分析

2.2.1 不同气象条件下交通事故

表3为湘西高速交警支队提供的2012—2015年在吉凤茶高速公路发生较大交通事故统计资料。

表3 2012—2015年事故统计Table 3 Summary of traffic accidents from 2012 to 2015

2.2.2 白昼和夜间

从表3可看出，白天出现事故20次，夜间出现40次，夜间出现事故次数比白天多一倍。由此可得出疲劳驾驶和夜间低能见度是高速公路交通事故发生的高峰期的结论。

2.2.3 气温影响

2014年1月—2015年6月，矮寨大桥站气温35.8 ℃，凤凰交通站气温36.2 ℃，泽家站气温36.7 ℃，花垣交通站气温35.7 ℃。两条高速公路最高气温都在35 ℃以上，达到高温黄色预警级别。沥青混合物材料的弹性模量和黏性系数都因温度升高而减小[9]。当路面温度较高(>50 ℃)时，沥青路面的永久性变形量急剧增加，50～60 ℃时车辙发展更加明显而迅速，当路面温度>72 ℃时，将发生车轮爆胎现象，非常危险，要注意防范。

低温结冰使高速公路路面变得湿滑，附着力系数下降，车轮容易打滑，方向盘失控，发生翻车、漂移、追尾等交通事故。2015年2月1日，矮寨大桥气温最低为-2.7 ℃，路面有结冰。而在前一天，1月31日凌晨06：59，矮寨大桥上发生了一起车毁死3人的重大交通事故，当天最低气温为-2.0 ℃，下着0.3 mm的雨夹雪。所以低温雨雪天气也是高速公路的一大杀手，要特别提防，及时消除路面结冰是当务之急。

2.2.4 雾日数影响

湘西地区多高山峡谷，经常雨雾缭绕。世界跨高第一的矮寨大桥下是地势险峻大峡谷，经常出现团雾。由于连续阴雨，天气一旦放晴，在微风、高湿的情况下，出现浓雾的机率非常高。矮寨大桥的团雾来得快，去得也快。早晨时段容易出现大雾，两条高速公路自2014年1月—2015年6月18个月内共出现雾日数281次，凤凰雾日数最少，只有9次。2013年2月5日19：45在包-茂湖南段(花垣县麻栗场附近)出现大雾，导致死亡1人的重大交通事故。所以，应根据能见度的不同，采取不同的管制措施。

2.2.5 降水影响

矮寨大桥和凤凰先后出现了18次大雨和暴雨天气，24 h降水量量级均小于100 mm，没有发生一次较大交通事故。降水危害有3点：① 大雨、暴雨天气容易引起道路大量积水，摩擦系数降低，引发侧滑、横滑现象；② 能见度急剧下降，对车速和距离的估计容易发生偏差；③ 如果24 h内出现100～200 mm特大暴雨，就可能引发山体滑坡和崩塌，巨大泥石流从高山上倾泄而下，将给高速公路带来极大的破坏，冲垮高速公路，毁坏高架桥梁，引起高速公路塌陷。

2.2.6 冰雹影响

2015年4月2日19：00—20：00，矮寨大桥及附近降落了直径约2 ～ 3 mm的冰雹。冰雹对高速公路的危害可以归纳为：① 砸坏汽车前面的挡风玻璃，容易把车窗扎成麻脸[9]；② 路面湿滑，减小路面摩擦系数，容易引起汽车轮胎的附着力下降，从而增加交通事故发生概率；③ 影响能见度，密集的冰雹容易降低能见度，影响驾驶员的视线，造成恐慌心理。

2.2.7 雷暴影响

湘西州是多雷暴地区，年均雷暴日数53天。雷暴是强对流天气，对汽车影响不是很大，由于汽车是一个完整的金属外壳，根据法拉第效应，形成一个等电位体，汽车里反而更安全。打雷时，人不要下车查看，离开车体反而是危险的，在雷击点附近，行走的人容易形成跨步电压，引起伤亡事故。

2.3 主要恶劣天气对车流量影响

2.3.1 暴雨影响

表4为湘西气象局在吉首市气象站观测的降水量数据，以及吉首市高速公路收费站2013—2014年车流量部分统计资料。

表4 降水量和车流量Table 4 Precipitation and vehicle flow

由表4数据可知：2013年7月13—15日均为晴好天气，对应的2014年7月13—15日为暴雨天气，同比3日车流量总数减少2 143辆，下降率为11.6%；2013年8月17日，降水量0.6 mm，2014年8月17日，降水量216.8 mm，24 h车流量同比减少534辆，下降率为8%。

2.3.2 浓雾影响

2013年1月29—31日吉首有雾，2月4—6日天气为短时小雨和轻雾；据吉首市高速公路收费站统计数据，2013年1月29—31日车流量分别为6 455，6 614，6 970辆/日，2月4—6日车流量分别为7 437，7 769，8 184辆/日。从前后几日相比来看，浓雾影响明显，车流量总数为20 039，23 390辆，雾散后车流量上升了3 351辆，上升率为14%。

2.3.3 低温影响

吉首市和花垣县交界处矮寨交通站2015年2月5—7日气温分别为2.7、-0.6、5.6 ℃。据吉首市高速公路收费站统计数据，这3天的车流量分别为13 943、12 381、14 780辆/日。6日为零下低温，出行司机明显有顾虑，相比前后两日分别减少1 562和2 399辆/日，下降率为13%和19%。

3 结 论

1) 影响吉凤茶两条高速公路交通的主要气象因素是大雾和结冰。这两个因素均造成了重大交通事故，有较多人员伤亡，损失惨重。武陵山脉由东北向西南倾斜贯穿湘西，海拔800～1 200 m，属中低山地，地形地貌复杂，沟谷众多，溪河水量丰沛。多辐射雾，平流雾较少，常以团雾形式出现，来去匆匆，准确预报出现时间段较难。湘西高海拔山区在春冬季容易发生雨凇、结冰，对高速公路危害极大。

2) 湘西地区多深山峡谷，有山谷风。山谷风由于狭管效应很容易加大风力，有时瞬间风力就可达6级以上。这种山谷风会使行驶的汽车偏离道路，甚至侧翻，很难防范。风向风速观测时间较短，暂没有出现大风。从4站最多风向来看，凤凰以偏北风为主，其余3站以偏东风和邻近偏东风为主，最多和次多风向均和高速公路走向相一致，对高速公路行驶车辆有利，不易产生侧风吹的局面。

3) 大雨-暴雨、冰雹、雷暴这3个气象因素对吉凤茶高速公路交通影响较大，至今暂未造成重大交通事故，但隐患比较多。之所以没有造成较大事故，一是遇到这些恶劣复杂天气，驾驶员分外小心，提高了警惕，采取正确的驾驶技术；二是由于观测时间段短。目测和实测才3年时间，强度更大的特大暴雨、大冰雹、强雷暴还没有出现。由此产生的次生灾害，能冲垮或击落高山上的树木、岩石，掉落在高速公路上引发意外交通事故的机率是有的。

4) 恶劣气象因素使吉凤茶高速公路交通的通行力下降，事故发生率达6%。从3年多的统计数据来看，由于恶劣天气原因，两条高速公路的车流量下降8%～19%，重大伤亡事故较多，严重影响了湘西高速交通事业的发展。

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(责任编辑：田文玉)

Characteristic Analysis on Meteorological Elements of Ji-Feng-Cha Highway

ZHENG Fuwei1，XIAO Jian2，QING Xiangtao1，XIE Yufeng3，ZHANG Dandan1

(1.Xiangxi Meteorological Bureau，Jishou 416000，Hunan，P.R.China; 2.Hengyang Meteorological Bureau，Hengyang 421000，Hunan，P.R.China; 3.Xiangxi Detachment，Hunan Provincial Highway Police Bureau，Jishou 416000，Hunan，P.R.China)

Small climate on freeway has a certain relationship with the number of traffic accidents on it.By use of the measured data of 4 automatic weather stations of Jishou-Fenghuang，Jishou-Chadong freeway (referred to as Ji-Feng-Cha freeway) in 18 months，the weather information observed by highway policemen from April 2012 to June 2015，and the annual fog days data of Jishou，Huayuan，Fenghuang county (city) from1960 to 2012，the relationship between Ji-Feng-Cha freeway small climate and traffic accidents was analyzed by mathematical statistics and Morlet wavelet method.The results show that the main meteorological factors affecting highway safety are fog and freezing.Foggy weather has low visibility，which is easy to cause vehicle rear-end collision and other collisions.The road is wet and slippery in freezing weather，which is easy to cause traffic accidents，such as rollover，drifting and rear-end collision.The variation rule of the foggy days of zones where Ji-Feng-Cha freeway locates is：Huayuan has a quasi-32-year high cycle and a quasi-3-year small cycle; Jishou has a quasi-2-year small cycle or a quasi- 4-year small cycle; and Fenghuang has a quasi- 4-year small cycle.

traffic engineering; meteorology; dense fog; freeze; traffic safety; traffic accident

2016-02-16；

2017-03-24

中国气象局项目(〔2013〕315)

郑福维(1970—)，男，湖南龙山人，高级工程师，主要从事公路交通气象预测预警研究。E-mail: 519046831@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.18

U491.31；P49

A

1674-0696(2017)06-109-06