青海省G06高速公路气象条件危险区划研究

丁立善 李延林 丁培华 石荣山

摘 要：笔者研究了青海省G06高速公路沿线不同气象条件的时间特征，并运用GIS技术分析了不同气象条件的空间特征，运用层次分析法（AHP）确定不同气象条件的权重系数，最后制作了综合危险区划图。结果表明：同一路段不同的气象条件在时间、空间上有一定的规律，利用层次分析法得出不同气象条件的权重系数值，由权重系数的大小可知影响青海省G06高速公路的气象条件依次为：积雪、降雪、降雨、能见度、风，从综合危险性区划得出：高危险区、较高危险区在德马高速果洛路段、西丽高速果洛和玉树路段，中危险区在京藏高速海西东路段、德马高速海西东南方向路段、西丽高速海南西南路段、张汶高速海北方向，其余为低危险区、较低危险区。

关键词：气象条件;层次分析法;青海省G06高速公路

中图分类号：U412.36+6;P429    文献标志码：A  文章编号：1003-5168（2022）10-0106-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.10.024

Study on Meteorological Condition Risk Zoning of G06 Expressway in Qinghai Province

DING Lishan1    LI Yanlin1    DING Peihua1    SHI Rongshan2

（1.Weather Bureau of Huangnan Tibetan Autonomous Prefecture， Qinghai Province， Huangnan 811300，China;2.Weather Bureau of Henan County， Qinghai Province， Henan 811500，China）

Abstract：The author  studies the time characteristics of different meteorological conditions along the G06 expressway in Qinghai Province， and analyzes the spatial characteristics of different meteorological conditions by using GIS technology， and then uses AHP to determine the weight coefficients of different meteorological conditions， finally， a comprehensive hazard zonation map is made. The results show that different meteorological conditions in the same road section have certain regularity in time and space， and then the weight coefficient values of different meteorological conditions are obtained by using analytic hierarchy process， according to the weight coefficient， the weather conditions affecting the G06 highway in Qinghai Province are snow， snow， rain， visibility and wind， from the comprehensive risk area， the high risk area is drawn in the section of Golog Tibetan Autonomous Prefecture， Xili Subdistrict， Shenzhen， Guoluo and Yushu， the middle danger zone is in the east-west section of beijing-tibet Expressway， the southeast-west section of Dema Expressway， the southwest-hainan section of Xili Subdistrict， Shenzhen Expressway and the north-sea section of Zhangwen expressway.

Keywords： meteorological conditions; analytic hierarchy process; Qinghai G06 expressway

0 引言

近年來青海省高速公路得到了快速发展，截至2017年底，高速公路（含一级）通车里程3 500 km以上，极大提升了青海省的公路通行能力[1]。青海省地域辽阔，市州之间路途遥远，人们为了方便出行一般会选择高速公路，然而高速公路的交通通行与沿线的自然灾害有着密切关系，其中恶劣气象条件直接危害高速公路通行安全，如降雪、强降水、积雪、低能见度、大风等[2-3]。因此，对青海省G06高速公路进行气象条件区划研究十分必要。

为了更好地开展高速公路专业气象服务业务，减少不利气象条件对高速公路的危害，国内学者利用GIS对高速公路进行了气象服务方面的研究，如丰德恩等[3]利用GIS设计了我国高速公路交通气象灾害风险预警业务系统，推动了高速公路预报预警业务的开展;李蔼恂等[4]研究了我国公路低能见度灾害风险评估与区划，分析得出了我国主要公路低能见度灾害风险分布特征;宋建洋等[5]研究了我国高速公路大风灾害风险评估与区划，分析得出了我国高速公路大风灾害风险分布特征;曲晓黎等[6]基于气象条件设计了河北高速公路通行状况综合风险等级的预报方法。以上都是国内学者开展公路专业气象服务方面的研究，但是全国各地区气候差异较大，影响公路的气象条件也不尽相同。张晓美等[2]研究发现影响青海省公路的气象条件主要是强降水、公路积雪，保广裕等[7]也对青海省公路沿线强降雪天气灾害进行了风险区划研究。因此，对青海省G06高速公路的不同气象条件进行研究十分必要，对开展高速公路天气预警预报服务具有一定的帮助。

1 资料和方法

1.1 资料

京藏高速公路，即北京—拉萨高速公路，简称京藏高速，国家高速公路编号G6。笔者研究的是青海省境内G06高速及其支线，G06高速作为青海省最重要的高速公路，连接着青海省两市六州。G06高速公路在青海省的主要路段有：G6（京藏）高速公路（马场垣—格尔木）、G0611（张汶）高速公路（西宁—门源、西宁—同仁）、G0612（西和）高速公路（茶卡—小柴旦湖立交）、G0613（西丽）高速公路（共和—玉树）、G0615（德马）高速公路（德令哈—久治）。

考虑数据的代表性，选取2013—2020年沿线高速公路24个国家气象站、21个交通站的数据，可以较好地代表高速公路的气象条件。气象资料是通过CIMISS气象数据统一服务接口下载，其中降雪、积雪的气象数据是国家气象站的日数据，风、能见度、降雨是国家气象站和交通站的小时数据，其中考虑能见度数据连续性选取2016—2020年的数据。参考《高速公路交通气象条件等级》（QX/T 111—2010）[8]将降雨条件定义为小时降雨量≥10.0 mm对高速公路交通运行产生影响出现的次数;降雪条件定义为日降雪量≥0.0 mm对高速公路交通运行产生影响出现的次数;积雪条件定义为日雪深≥0.0 cm对高速公路交通运行产生影响出现的次数;风条件定义为小时平均风速出现≥8 m/s对高速公路交通运行产生影响出现的次数;能见度条件定义为小时最小能见度≤500 m对高速公路交通运行产生影响出现的次数。

1.2 方法

本研究运用层次分析法（AHP）、反距离权重法、自然断点法、叠权求和、归一化等统计方法[9-16]。

利用层次分析法确定不同气象条件的权重，按照表1中的1—9比例标度法对不同气象条件的重要性进行两两比较，并将比较的结果[Aij（i， j=1，2，...，n）]写成n×n阶矩阵（A）的形式，构建出不同气象条件的判断矩阵。

然后对判断矩阵进行归一化处理计算出不同气象条件的权重系数，并求出判断矩阵的特征值，计算一致性比率判断矩阵是否符合随机一致性指标。利用GIS中的反距离权重法、自然断点法、叠权求和等方法制作青海省G06高速公路不同气象条件的危险性等级图并通过归一化处理后制作出综合危害性等级图，并将危害性等级划分为5个等级，分别为：较低风险区、低风险区、中等风险区、较高风险区、高风险区。

2 结果分析

2.1 时间特征分析

2.1.1 降雨条件分析。从降雨条件出现的时间分析可知，沿线降雨条件出现在每年的汛期，尤其季节性特征明显。依次是夏季>秋季>春季，其中夏季占比高达86.58%，是降雨条件的高发期，冬季无降雨条件出现，即冬季是低发期。按月分析可得，8月降雨条件最多17.3次，占比高达44.09%。分析可得，降雨条件主要集中在夏季，即每年的6—8月。

2.1.2 降雪條件分析。从降雪条件出现的时间分析可知，沿线全年都有降雪条件出现，尤其季节性特征明显。依次是春季>冬季>秋季>夏季，其中春季占比高达37.84%，是降雪条件的高发期，夏季占比最少3.39%，是降雪条件的低发期。按月分析可得，2月降雪条件出现的最多107.8次，占比高达14.37%，8月降雪条件出现的最少3.5次，占比为0.47%。分析可得，降雪条件主要集中在冬季2月，春季的3—4月，即每年的2—4月。

2.1.3 积雪条件分析。从积雪条件出现的时间分析可知，沿线全年都有积雪条件出现，尤其季节性特征明显。依次是冬季>春季>秋季>夏季，其中冬季占比高达51.3%，是积雪条件的高发期，夏季占比最少0.71%，是降雪条件的低发期。按月分析可得，1月积雪条件出现的最多127.1次，占比高达19.54%，7月积雪条件出现的最少0.1次，占比为0.02%。分析可得，积雪条件主要集中在冬季即每年的12月到次年的2月。

2.1.4 风条件分析。从风条件出现的时间分析可知，沿线全年都有风条件出现，其季节性依次是冬季>春季>秋季>夏季，其中冬季占比高达37.2%，是风条件的高发期，夏季占比最少12.25%，是风条件的低发期。按月分析可得，2月风条件出现的最多694.6次，占比高达15.23%，8月风条件出现的最少139.9次，占比为3.07%。分析可得，风条件主要集中在冬季1—2月和春季3月，即每年的1—3月。

2.1.5 能见度条件分析。从能见度条件出现的时间分析可知，沿线全年有能见度条件出现，其季节性特征依次是秋季>春季>夏季>冬季，其中秋季占比高达33.11%，是能见度条件的高发期，冬季占比最少13.22%，是能见度条件的低发期。按月分析可得，9月能见度条件出现的最多84.8次，占比高达13.13%，12月能见度条件出现的最少15.8次，占比为2.45%。分析可得，能见度条件主要集中在秋季，即每年的9月到11月。

2.2 空间特征分析

参考《高速公路交通气象条件等级》（QX/T 111—2010）[16]和本研究中对降雨、降雪、积雪、风、能见度条件的定义，对不同气象条件进行等级划分且分析不同等级的分布情况，并利用反权重法制作不同等级空间分布图，然后用叠加分析制作危险性空间分布图。因为不同的等级对高速公路的危害程度不一致，参考杨忠恩等[17]在基于GIS的浙江省高速公路大雾灾害风险区划中对不同能见度等级的权重系数值和宋建洋等[5]我国高速公路大风灾害风险评估与区划研究对不同风力等级的权重系数值，将1～4级不同的气象条件的权重分别考虑为1/10、2/10、3/10、4/10。

2.2.1 降雨条件危险性区划。对沿线站点2013—2020年出现的降雨条件进行统计，共有313次。用降雨等级划分：1级（10.0～14.9 mm/h）218次、二级（15.0～29.9 mm/h）88次、三级（30.0～49.9 mm/h）6次、四级（≥50.0 mm/h）1次，降水条件等级主要在一级，占比高达69.6%。从降雨条件危险性区划图可知：降雨条件危险性区路段空间分布为高危险区、较高危险区在德马高速果洛路段、张汶高速西宁和海北路段、京藏高速西宁路段，中危险区在京藏高速海南和海东路段、西丽高速海南路段，其余为低危险区、较低危险区。

2.2.2 降雪条件危险性区划。对沿线站点2013—2020年出现的降雪条件进行统计，共有5 997次，用降雪条件等级划分：1级（0.0～2.4 mm）4 620次、二级（2.5～4.9 mm）706次、三级（5.0～9.9 mm）459次、四级（≥10.0 mm）212次，降雪条件等级主要在一级，占比高达77%。从降雪条件危险性区划图可知：降雪条件危险性区路段空间分布为高危险区、较高危险区在西丽高速玉树和果洛路段、德马高速果洛路段，中危险区在德马高速海西东南方向路段、西丽高速海南西南路段、张汶高速海北方向，其余为较低危险区、低危险区。

2.2.3 积雪条件危险性区划。对沿线站点2013—2020年出现的积雪条件进行统计，共有5 205次，用積雪条件等级划分：1级（<1.0 cm）1 806次、二级（1.0～2.9 cm）1 838次、三级（3.0～4.9 cm）778次、四级（≥5.0 cm）783次，积雪条件等级主要在一二级占比高达70%。从积雪条件危险性区划图可知：积雪条件危险性区路段空间分布为高危险区、较高危险区在德马高速果洛和海西东南路段、西丽高速果洛和玉树路段、京藏高速海西东路段，中危险区在西和高速中间路段，其余为低危险区、较低危险区。

2.2.4 风条件危险性区划。对沿线站点2013—2020年出现的风条件进行统计，共有36 479次，用风条件等级划分：1级（8.0～13.8 m/s）35 586次，二级（13.9～17.1 m/s）830次、三级（17.2～20.7 m/s）63次、四级（≥20.8 m/s）0次，风条件等级主要在一级占比高达97.6%。从风条件危险性区划图可知：风条件危险性区路段空间分布为高危险区、较高危险区在西丽高速果洛和玉树路段、德马高速中间路段、京藏中间路段及其高海拔路段，其余为中危险区、低危险区、较低危险区。

2.2.5 能见度条件危险性区划。沿线站点2016—2020年出现的能见度条件进行统计，共有3 229次，用能见度条件等级划分：1级（200～500 m）2 629次，二级（100～200 m）447次、三级（50～100 m）52次、四级（≤50 m）35次，能见度条件等级主要在一级占比高达83.5%。从能见度条件危险性区划图可知：能见度条件危险区路段空间分布为高危险区、较高危险区在西丽高速果洛玉树交界处路段，其余为中危险区、低危险区、较低危险区。

2.3 利用层次分析法确定权重系数

通过层次分析法确定不同气象条件的权重，对不同气象条件的重要性进行两两比较进行打分，计算不同气象条件的权重系数如表2所示，影响青海G06高速及其支线的气象条件依次是积雪、降雪、降雨、能见度、风。通过计算矩阵的一致性比例为0.016 4小于0.1，则权重系数分配的一致性合理。

选取青海G06高速沿线的5个气象条件作为评价指标，采用表2得到不同的权重系数，先对不同的气象条件进行归一化处理，运用GIS叠加分析制作综合危险性区划分析，形成青海G06高速综合危险性区划（图1），由图1可知：综合危险性区主要分布在青海的玉树、果洛地区，其中高危险区、较高危险区在德马高速果洛路段、西丽高速果洛和玉树路段，中危险区在京藏高速海西东路段、德马高速海西东南方向路段、西丽高速海南西南路段、张汶高速海北方向，其余为低危险区、较低危险区。

3 结语

①在同一路段不同的气象条件发生时间有一定的规律，青海G06高速上降雨条件主要集中在夏季，降雪条件主要集中在冬季2月和春季的3—4月，积雪条件主要集中在冬季，风条件主要集中在冬季1—2月和春季3月，能见度条件主要集中在秋季。

②在同一路段不同的气象条件发生空间有一定的规律，青海G06高速上降雨条件的危险路段在德马高速果洛路段、张汶高速西宁和海北路段、京藏高速西宁路段，降雪条件的危险路段在西丽高速玉树和果洛路段、德马高速果洛路段，积雪条件的危险路段在德马高速果洛和海西东南路段、西丽高速果洛和玉树路段、京藏高速海西东路段，风条件的危险路段在西丽高速果洛和玉树路段、德马高速中间路段、京藏中段的中间路段及其高海拔路段，能见度条件的危险路段在西丽高速果洛玉树交界处路段。

③利用层次分析法得出不同的气象条件权重，依次是积雪、降雪、降雨、风、能见度，其中高危险区、较高危险区在德马高速果洛路段、西丽高速果洛和玉树路段，中危险区在京藏高速海西东路段、德马高速海西东南方向路段、西丽高速海南西南路段、张汶高速海北方向，其余为较低危险区、低危险区。

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