京藏高速民和至西宁段冬季路面与地面最低温度变化特征及相关性研究

保广裕，张 静，刘 玮，雷春苗，郑 玲，李宝华

（青海省气象服务中心，青海 西宁 810001）

随着社会经济的快速发展，交通运输成为现代经济社会发展的重要命脉。现代交通运输体系追求便捷、安全、通畅和高效的同时，很大程度上受到天气、气候因素的影响和制约，气象条件导致的交通事故与安全问题成为社会广泛关注的焦点和[1-7]。国内许多学者利用公路交通沿线出现的交通事故资料和气象资料，采用各类科学方法建立公路交通气象预警服务模型及灾害性天气对公路交通影响等方面做了诸多研究[8-17]。SHAO等[18]认为当道面存在积水（雪），道面温度低于0℃时，道面将产生结冰。保广裕等[19-20]对青海省道路结冰变化时空分布特征及其影响等级进行研究，结合道路孕灾环境、承灾体和致灾因子，建立了青海省公路沿线强降雪灾害性天气风险等级区划模型。

京藏高速青海段沿线地形复杂多样，自然条件较差，气象灾害较多，冬季低温雨雪道路结冰引发的交通事故频发。目前青海省交通气象监测站点稀疏，气象服务保障能力相对较弱，缺乏对公路交通沿线路面温度等气象要素连续性变化的分析研究。故本文利用京藏高速公路交通沿线青海境内民和至西宁段2017年12月新建的交通气象观测站的路面温度和常规气象观测站的地面温度观测资料，运用统计学线性趋势相关方法，对冬季路面与地面最低温度的变化特征及相关性开展分析研究，为青海省公路交通沿线低温监测预警和交通运输安全保障提供参考依据。

1 资料和方法

选取京藏高速公路交通沿线青海境内的民和至西宁段为研究路段，该路段呈东西走向，沿线附近共布设有4个常规气象观测站和4个交通气象观测站（图1）。从东到西常规气象观测站为民和站、乐都站、平安站和西宁站；交通气象观测站为老鸦峡站、高庙桥站、汉庄站和朝阳站，其中朝阳站和老鸦峡站路面温度采用模拟路面，高庙桥站和汉庄站位于京藏高速路面上，路面温度采用红外探测仪逐日逐分钟连续观测数据中选取路面温度的最高值和最低值，即为路面最高温度和最低温度。

图1 京藏高速公路民和至西宁段与气象观测站高程分布

本文选取京藏高速公路交通沿线青海境内民和至西宁段2018—2020年1、2和12月逐日逐小时4个交通气象观测站和4个常规气象观测站气象资料，包括逐小时整点0 cm路面/地面温度、逐日0 cm路面/地面最低温度和最高温度。冬季各月的日资料为2018—2020年逐日24 h观测资料的平均值。选择常规气象观测站与邻近交通气象观测站进行对比分析，即西宁站与朝阳站、平安站与汉庄站、乐都站与高庙桥站、民和站与老鸦峡站，相邻常规气象观测站和交通气象观测站点详细信息见表1。运用统计学线性趋势相关方法，分别对路面和地面的最低温度、最高温度进行相关性分析，建立冬季各月路面最低温度与地面最低温度、路面最高温度与地面最高温度之间的一元线性回归模型[21—23]。

表1 常规气象观测站和交通气象观测站点基本信息

2 冬季路面最低温度与地面最低温度的变化特征

2.1 路面与地面最低温度的变化特征

冬季平均路面最低温度与地面最低温度的最低值出现在08—09时。

12月高庙桥站平均路面最低温度出现在09时，其余交通观测站的平均路面最低温度出现在08时，朝阳站与西宁站、汉庄站与平安站、高庙桥站与乐都站、老鸦峡站与民和站的平均路面最低温度值比平均地面最低温度值高2.5、4.6、7.9和1.7℃。1月朝阳站和老鸦峡站平均路面最低温度出现在08时，平均路面最低温度值分别为-10.6和-8.0℃，高庙桥站和汉庄站平均路面最低温度出现在09时，平均路面最低温度值分别为-7.4和-6.0℃，西宁站与朝阳站、平安站与汉庄站、乐都站与高庙桥站、民和站与老鸦峡站的平均地面最低温度值比路面最低温度值低2.6、3.8、7.7和2.0℃（图2）。2月常规气象观测站平均地面最低温度与交通气象观测站平均路面最低温度出现在08时，西宁站与朝阳站、平安站与汉庄站、乐都站与高庙桥站、民和站与老鸦峡站的平均地面最低温度值比路面最低温度值低3.8、6.5、10.9和2.4℃。上述各站平均路面最低温度与地面最低温度差异较大的原因可能与交通气象观测站点所在的地理位置及环境有关，高庙桥站和汉庄站位于京藏高速路面上，而朝阳站和老鸦峡站离路面相对较远，且采用未有车辆通行的模拟路面进行观测，故相邻的路面与地面最低温差值的差异较大。

图2 冬季1月逐小时平均路面最低温度和地面最低温度日变化曲线

日出后，冬季平均地面最低温度的升温速度快于路面最低温度的升温速度，平均地面最低温度比路面最低温度到达峰值的时间超前1～2 h。

各常规气象观测站12月平均地面最低温度14时均达到最高值，而交通气象观测站平均路面最低温度在15时达到最高值。西宁站平均地面最低温度最高值比朝阳站平均路面最低温度的最高值高1.1℃，平安站比汉庄站高4.1℃，乐都站比高庙桥站高8.1℃，民和站比老鸦峡站高7.5℃。各常规气象观

测站1月平均地面最低温度在14—15时达到最高值，交通气象观测站平均路面最低温度在15—16时达到最高值，朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站平均路面最低温度的最高值分别为6.5、7.0、6.9和1.6℃，西宁站、平安站、乐都站和民和站的平均地面最低温度值分别为9.9、11.0、16.8和9.1℃。各常规气象观测站2月平均地面温度在14时达到峰值，而交通气象观测站平均路面温度在15—16时达到峰值。10—17时西宁站和朝阳站、乐都站和高庙桥站、民和站和老鸦峡站、平安站和汉庄站的平均地面最低温度明显高于平均路面最低温度，各站间最低温度的差值分别为1.9～14.1℃、0.5～14.7℃、0.2～15.7℃和1.3～9.3℃。

冬季1月和12月平均地面最低温度＜0℃维持17～18 h，平均路面最低温度＜0℃维持18～22 h；2月平均地面最低温度和路面最低温度＜0℃的时间均有所缩减。

12月常规气象观测站逐小时平均地面最低温度＜0℃可维持17～18 h，交通气象观测站逐小时平均路面最低温度＜0℃可维持18～22 h。1月常规气象观测站逐小时平均地面最低温度＜0℃维持17～18 h，交通气象观测站逐小时平均路面最低温度＜0℃维持18～22 h。2月常规气象观测站逐小时平均地面最低温度＜0℃维持15～16 h，交通气象观测站逐小时平均路面最低温度＜0℃维持8～17 h。

日落时，冬季平均地面最低温度降温速度快于路面最低温度的降温速度，17—18时平均地面最低温度＜0℃，而17—20时平均路面最低温度＜0℃。

12月民和站和老鸦峡站、乐都站和高庙桥站在18时—次日09时平均地面最低温度比路面最低温度低0.4～3.4℃和3.8～8.8℃，平安站和汉庄站、西宁站和朝阳站在16时—次日09时平均地面最低温度比路面最低温度低3.4～5.9℃和0.7～3.1℃。1月西宁站和朝阳站、民和站和老鸦峡站在18时—次日09时平均地面最低温度值比路面最低温度分别低1.6～3.1℃和1.1～3.6℃，平安站和汉庄站、乐都站和高庙桥站在17时—次日09时平均地面最低温度值比路面最低温度值分别低2.7～6.0℃和0.2～8.6℃。2月西宁站和朝阳站、乐都站和高庙镇站、民和站和老鸦峡站18时—次日09时平均地面最低温度与路面最低温度差值分别为0.5～4.3℃、3.5～11.2℃和2.6～5.6℃，平安站和汉庄站16时—次日09时地面最低温度值比路面最低温度值低1.4～8.2℃。

2.2 不同站点路面最低温度的变化特征

从冬季各月交通气象观测站平均路面最低温度日变化曲线（图3）可以看出，各交通气象观测站平均路面最低温度均有差异，但平均路面最低温度变化趋势基本一致。冬季22时—次日10时平均路面最低温度由高到低依次为高庙桥站、汉庄站、老鸦峡站、朝阳站，11—21时平均路面最低温度变化比较复杂，09—15时高庙桥站和汉庄站平均路面温度上升速度较汉庄站和老鸦峡站上升速度快，平均路面温度达到最高值后下降速度慢。各交通气象观测站平均路面最低温度值在15—18时达到最高，且11时后的4～5 h平均路面最低温度的变化趋势最为接近。

图3 冬季各月交通气象观测站平均路面最低温度日变化曲线

冬季夜间平均路面最低温度高庙桥站高于汉庄站，汉庄站高于老鸦峡站，老鸦峡站高于朝阳站；白天老鸦峡站平均路面最低温度变化差异较大，高庙桥站、汉庄站和朝阳站平均路面最低温度变化基本一致。各交通气象站平均路面最低温度变化的差异是交通气象观测站的海拔高度、气象条件、地形和周边环境共同作用的结果。

2.3 不同站点地面最低温度的变化特征

从冬季各月常规气象观测站平均地面最低温度日变化曲线（图4）可知，冬季平均地面最低温度变化趋势基本一致。西宁站、平安站、乐都站和民和站的平均地面最低温度昼夜差异较大，09—18时各站平均地面最低温度升降变化趋势基本一致，乐都站平均地面最低温度在11—18时高于其余3站。夜间各站平均地面最低温度变化幅度不大，平均地面最低温度由高到低依次为民和站、平安站、西宁站和乐都站，白天平均地面最低温度由高到低依次为乐都站、平安站、民和站和西宁站。日出至日落期间各站平均地面最低温度变化趋势呈抛物线，各站在日出日落时平均地面最低温度非常接近。

图4 冬季各月常规气象观测站平均地面最低温度日变化曲线

总之，冬季常规气象观测站逐小时平均地面最低温度变化趋势与交通气象观测站逐小时平均路面最低温度变化趋势一致，但一天中平均地面最低温度随日出/日落（升温或降温）的变化速率要高于路面最低温度，且平均地面最低温度的变化幅度比路面最低温度变化幅度大。平均地面最低温度白天回升速度快于路面最低温度，平均地面最低温度达到最高值后下降速度快于路面最低温度的下降速度。日落后平均地面最低温度比路面最低温度下降速度快，同时从日出到日落，平均路面最低温度与地面最低温度间的变化幅度较大；而日出前和日落后，平均路面最低温度与地面最低温度相差明显减小。秦健等[24-25]研究沥青路面温度场的分布规律时发现，造成公路沥青路面温度变化的主要原因是气温和太阳辐射强度。

3 地面温度与路面温度的相关性研究

3.1 路面最低温度与地面最低温度相关关系

利用京藏高速公路交通沿线青海境内民和至西宁段2018—2020年1、2和12月逐日交通气象观测站路面最低温度和常规气象观测站地面最低温度资料，研究了朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站逐日路面最低温度与西宁站、平安站、乐都站和民和站地面最低温度间的相关关系。图5是冬季1月各交通气象观测站路面最低温度与常规气象观测站地面最低温度相关关系图，图中y表示交通气象观测站路面最低温度，x表示常规气象观测站地面最低温度。路面最低温度与地面最低温度有着较好的线性相关关系，西宁站、朝阳站、平安站、汉庄站、乐都站、高庙桥站与民和站、老鸦峡站1月相关系数分别为0.78、0.61、0.76、0.88，路面最低温度与地面最低温度的相关性方程如表2。同理建立了2和12月路面最低温度与地面最低温度相关关系。2月朝阳站与西宁站、汉庄站与平安站、高庙桥站与乐都站、老鸦峡站与民和站的相关系数分别为0.95、0.80、0.86、0.93，12月朝阳站与西宁站、汉庄站与平安站、高庙桥站与乐都站、老鸦峡站与民和站的相关系数分别为0.93、0.74、0.77、0.89。各方程均通过0.001的显著性检验。冬季低温雨雪诱发的道路结冰极易引发交通事故，因此应更加注重冬季路面低温预报模型的研究改进。通过相关性统计分析发现，朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站4站路面最低温度与常规气象观测站地面最低温度间的相关性均十分显著。为检验路面最低温度与地面最低温度相关性方程，对2021年1—2月预报效果进行了检验，以预报值与实况值差的绝对值在2℃范围内为准确，效果检验中朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站逐日路面最低温度总体预报准确率分别为86.4%、83.1%、78.0%和84.8%。因此均具有较好的实用性和推广性，均可进行业务化使用。

表2 各交通气象观测站路面最低温度与常规气象观测站地面最低温度相关性方程

图5 冬季1月交通气象观测站路面最低温度与常规站气象观测站地面最低温度相关关系

3.2 路面最高温度与地面最高温度相关关系

利用京藏高速公路交通沿线青海境内民和至西宁路段2018—2020年1、2和12月逐日交通气象观测站路面最高温度和常规气象观测站地面最高温度资料，研究了朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站逐日路面最高温度与西宁站、平安站、乐都站和民和站地面最高温度间的相关关系。图6是冬季1月各交通气象观测站路面最高温度与常规气象观测站地面最高温度相关关系图，图6关系式中y表示交通气象观测站路面最高温度，x表示常规气象观测站地面最高温度。从图中可以看出路面最高温度与地面最高温度绝大多数均匀且集中分布在趋势线附近。同理可以建立2月和12月各站路面最高温度与地面最高温度的相关关系，经计算，朝阳站1、2和12月路面最高温度与西宁站地面最高温度的相关系数分别为0.92、0.56、0.66，汉庄站与平安站分别为0.76、0.84、0.54，高庙桥站与乐都站分别为0.84、0.78、0.75，老鸦峡站与民和站分别为0.85、0.87、0.82，各站路面最高温度与地面最高温度相关系数均较高。因此，采用地面最高温度建立路面最高温度一元线性回归方程如表3。各方程均通过了0.001的显著性检验。通过相关性统计分析发现，路面最高温度和地面最高温度的相关性十分显著。为检验路面最高温度与地面最高温度相关性方程，对2021年1—2月预报效果进行了检验，以预报值与实况值差的绝对值在2℃范围内为准确，效果检验中朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站逐日路面最高温度总体预报准确率分别为83.1%、79.7%、76.3%和71.2%。因此均具有较好的推广性和实用性，均可进行业务化使用。

图6 冬季1月交通气象观测站路面最高温度与常规气象观测站地面最高温度相关关系

表3 各交通气象观测站路面最高温度与地面最高温度相关性方程

4 结论

通过分析京藏高速民和至西宁段冬季不同月份朝阳站、汉庄站、高庙桥站和老鸦峡站平均路面最低温度与西宁站、平安站、乐都站和民和站平均地面最低温度变化特征的基础上，利用统计方法建立了各交通气象观测站路面最低温度和路面最高温度相关性方程，得到以下结论：

（1）冬季交通气象观测站平均路面最低温度和常规气象观测站平均地面最低温度具有明显的日变化特征，平均路面最低温度和地面最低温度达到最低值和最高值的时间并非完全相同。平均地面最低温度随日出/日落（升温或降温）的变化速率要高于平均路面最低温度；并且平均地面最低温度的变化幅度要比路面最低温度变化幅度大。

（2）白天平均地面最低温度回升速度快于路面最低温度，当平均地面最低温度达到最高值后下降速度也快于平均路面最低温度，平均地温最低温度最高值比路面最低温度的最高值超前1～2 h。一般情况下，平均地面最低温度＜0℃可维持15～18 h，平均路面最低温度＜0℃可维持8～22 h。

（3）日落后常规气象观测站平均地面最低温度的下降速度比交通气象观测平均路面最低温度下降速度快。从日出到日落，平均路面最低温度与地面最低温度间的温差较大，而日出前和日落后时段，平均路面最低温度与地面最低温差明显减小。

（4）平均路面最低温度和平均地面最低温度变化趋势基本一致，但各月平均路面最低温度和地面最低温度昼夜差异非常明显。采用统计方法建立冬季路面最低温度与地面最低温度和路面最高温度与地面最高温度相关性方程具有较好的使用价值，均通过了0.001的显著性检验。检验得到预报值与实况值差的绝对值在2℃范围内的准确率较高，该模型具有很好的应用价值。