基于多元回歸分析的路面溫度預報方程研究

基于多元回歸分析的路面溫度預報方程研究

路表溫度與地溫作用近年來，隨著我國經濟的快速發(fā)展，已形成道路上的橋梁。我國所建高速公路中90%以上為半剛性瀝青路面結構。瀝青是一種典型的溫度敏感性材料,由其構成的路面處于自然環(huán)境中,往往會受到多種自然環(huán)境因素的綜合影響,如太陽輻射、天空輻射、外界氣溫、降水等因素,其中氣溫對路面的影響最為明顯。太陽輻射與天空輻射的一部分被路表反射,余下的部分被吸收并轉為熱能,這部分熱能與外界氣溫相疊加,由此產生了可觀的路表溫度,并通過熱傳導作用,將熱量沿路面厚度向溫度較低處傳遞。高溫會引起瀝青路面的車轍,低溫會引起瀝青路面的開裂,尤其是路面溫度低,又恰逢有降水時,路面會出現(xiàn)對交通有嚴重影響的道路結冰。如2014年1月17日,由于小雪、溫度低導致路面結冰,在石家莊子龍大橋路段僅1h內發(fā)生5起車輛追尾事故,造成多輛車嚴重損傷。路面溫度變化充分反映了短期內氣溫波動對瀝青路面溫度的影響,同時瀝青路面還吸收從路面底部上傳的熱量,這部分熱量主要反映了長期的周期性氣候作用下,地溫作用對于瀝青路面溫度有不可忽視的作用。因此,僅著眼于從路表進入的能量,而忽視地溫的作用,將導致瀝青路面溫度場預估精度的降低。本文引入前一日路面溫度代表地溫作用因子,結合其它氣象因子,利用多元回歸分析建立了瀝青路面最高最低溫度預報模型,以期提高路面溫度的預報精度及高速公路氣象服務質量,確保交通運輸安全、暢通。1涉縣和玉田高速監(jiān)測站的氣象資料以京秦高速玉田站、邯長高速涉縣站分別代表河北省北部、南部高速公路路面溫度狀況。所用資料為2010年1月至2011年12月涉縣和玉田高速監(jiān)測站的逐小時路面溫度、逐日路面最高最低溫度、逐日最大最小相對濕度以及涉縣和玉田氣象站逐日最高最低氣溫、逐日14時的天空云量等氣象資料。當云量<8成時定義為晴到多云,云量在8成以上(包括8成)且無降水出現(xiàn)定義為陰天,出現(xiàn)降水定義為雨天(雪天)。2地板溫度的變化特征2.1路面溫度和氣溫的日變化氣溫和太陽輻射強度是影響瀝青路面溫度場的主要因素,淺層地溫是隨季節(jié)變化而波動。對涉縣和玉田高速監(jiān)測站2010年1月至2011年12月逐時要素資料按月分析發(fā)現(xiàn),不同季節(jié)的路面溫度日變化有著各自的變化特征。這里分別以1、4、7、10月代表冬、春、夏、秋4個季節(jié)。圖1為玉田各季節(jié)逐小時平均路面溫度和氣溫?？梢钥闯?玉田各季節(jié)路面溫度和氣溫均具有明顯的日變化。無論春夏秋冬,路面溫度和氣溫均在日出后快速升溫,日落后路溫下降較氣溫略快,這是因為路面的長波輻射在夜間起主導作用,在其影響下氣溫逐漸下降。然而,其路面溫度和氣溫的變化較復雜,4月、7月變化特征相似,氣溫基本低于路面溫度;1月,在日出前和日落后時段氣溫低于路面溫度,其它時段氣溫高于路面溫度;10月,只有日出至中午時段氣溫高于路面溫度,其它時段氣溫低于路面溫度。此外,各季氣溫和路面溫度差的絕對值在0~3℃左右。涉縣各季節(jié)路面溫度和氣溫的日變化特征與玉田站的相似(圖略)。與玉田站相比,涉縣路面溫度和氣溫的逐小時差值變化較大,日出前和日落后時段二者相差較小且變化不大,其中1月約1.5~2.5℃,4月約4℃左右,7月約10~12℃,10月約10℃左右;日出至日落時段二者差異較大,中午差值1月相對較小,有3~4℃,而4月、7月、10月均在10℃以上,其中7月中午最大差值可達21.6℃。此外各季節(jié),涉縣氣溫均低于路面溫度,這與玉田有所不同。2.2路面溫度和氣溫的日變化路面溫度與氣溫差異的日變化不僅與季節(jié)有關,還與天氣狀況密切相關。不同的天氣狀況會造成路面溫度不同。為此,根據天空云量將天氣狀況分為晴到多云、陰、雨天(雪天)3種。此外,還將降雪后路面有結冰的情況也列為一類,共4類。圖2為玉田站1月不同天空狀況下路面溫度和氣溫的日變化曲線。由此看出,冬季1月,晴到多云和陰天路面溫度和氣溫日變化明顯,夜間路面溫度高于氣溫,白天氣溫高于路面溫度,二者的變化特征類似。降雪或路面有積雪或結冰時,路面溫度和氣溫的日變化較小,路面溫度高于氣溫,并且在降雪過程中路面溫度略有上升,氣溫略有下降,而在降雪結束后路面有積雪或結冰的情況下,路面溫度基本保持不變,氣溫明顯降低,且有明顯的日變化。這是因為路面的積雪或結冰像一層“棉被”阻擋了冷空氣對地面的影響。夏季7月,晴到多云和陰天的天氣狀況下路面溫度和氣溫的日變化更加顯著,雨天時路面溫度和氣溫日變化較小,且雨天時路面溫度突然降低的時刻和降水開始的時刻相對應。不同天氣狀況下涉縣路面溫度和氣溫的日變化特征與玉田相同,只是涉縣路面溫度始終高于氣溫(圖略)。2.3站路面溫度比較為了探討不同地區(qū)高速公路路面溫度的日變化差異,將玉田和涉縣2站的路面溫度進行對比(圖略)。無論哪個季節(jié),涉縣的路面溫度均高于玉田的路面溫度,其中1月和4月2站路面溫度變化類似,2站路面溫度在日出前和日落后時段相差約1~2℃,中午時段相差5~8℃;7月和10月的路面溫度變化類似,2站路面溫差均較1月和4月的大,在日出前和日落后時段相差約5~6℃,中午時段相差14~16℃。同時,對比了玉田和涉縣2站的氣溫、相對濕度、能見度和風速等氣象條件的日變化,發(fā)現(xiàn)涉縣站因地理位置偏南、靠近山區(qū),故其氣溫高于玉田站,相對濕度小于玉田站,2站能見度和風速情況類似。2站路面溫度的日變化差異,可能是2個公路觀測點的海拔高度、氣象條件、地形和周邊環(huán)境共同作用的結果。實際路面溫度預報服務中,應加以考慮并分區(qū)進行預報服務。3天氣、天氣的影響高速公路處于完全暴露的自然環(huán)境中,白天路面吸收大氣的短波輻射并向大氣釋放長波輻射,夜間由于路面溫度高于氣溫,主要是向大氣釋放長波輻射,所以白天影響路面溫度的因子有太陽輻射、氣溫、濕度、能見度、云量、前一日的路面溫度等,夜間路面溫度主要受氣溫、云量影響。太陽輻射不僅與云量、空氣的清澈度有關,還與站點的經緯度、太陽高度角密切相關,而太陽高度角又與季節(jié)相關,因此本文按月分析玉田、涉縣2站點路面溫度與氣象因子的關系。3.1路面最高溫度高表1是涉縣、玉田2站各月路面最高溫度與氣象因子的相關性?？梢钥闯?路面最高溫度與前一日路面最高溫度、當日最高氣溫呈顯著正相關,與總云量、低云量、相對濕度、能見度呈顯著負相關,而與風速的相關性不顯著。在太陽輻射強度和其它氣象條件相同的情況下,如果前一日路面最高溫度高,則以此為基礎溫度,當日的路面最高溫度也將較高,如果前一日路面最高溫度低,則當日的路面最高溫度也將較低;當氣溫高、能見度好的情況下,大氣清潔度高、通透性好,太陽輻射到達地面的能量強,從而導致路面最高溫度高;通常當天空有云時,云層阻擋了太陽的輻射,從而使到達地面的太陽輻射強度減弱,且云量越多,到達地面的太陽輻射越弱;空氣濕度較大,空氣中的水汽、水滴、冰晶對太陽輻射有較強的吸收和散射作用,進而消弱了太陽到達地面的輻射強度。同時還發(fā)現(xiàn),相關性顯著的6個因子中只有前一日路面最高溫度的相關性有一定的季節(jié)性,5~7月的相關性比其它月份稍差。玉田路面最高溫度與氣象因子的關系比較復雜(表1)。上述7個氣象因子中的最高氣溫與路面最高溫度的相關性最好,各月均通過了α=0.01的顯著性檢驗;其次是前一日的路面最高溫度,除了5月、6月外,其余月份二者的相關性均通過了α=0.05的顯著性檢驗;路面最高氣溫與云量、相對濕度在冬季的相關性不顯著;路面最高溫度與能見度在夏季呈正相關,冬季呈負相關;風速只在7月、9月通過了顯著性檢驗。3.2逐月相關系數(shù)經統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),路面最低溫度與最低氣溫有很好的相關性(表略)。其中,涉縣站二者的逐月相關系數(shù)在0.869578~0.971584之間;玉田站逐月相關系數(shù)離散性明顯,6~8月的相關性較小,相關系數(shù)在0.489255~0.661718之間,其它月份相關系數(shù)在0.733162~0.933306之間,相關性明顯。4為適應路面溫度的統(tǒng)計模型的構建4.1路面溫度模型根據氣象因子與路面最高溫度的相關關系,考慮到太陽高度角的季節(jié)更替,本文按照不同月份利用多元回歸分析方法建立路面最高溫度預報模型,其中x1為前一日路面最高溫度(單位:℃)、x2為當日最高氣溫(單位:℃)、x3為總云量、x4為低云量、x5為相對濕度(單位:%)、x6為能見度(單位:km)、y為路面最高溫度(單位:℃)。表2是涉縣路面最高溫度月預報方程(不顯著相關的因子未引入方程),復相關系數(shù)在0.8204~0.9598之間。同樣方法得到玉田站路面最高溫度的預報方程(表略)。4.2最低路面溫度預報模型利用2010年1月至2011年12月逐日路面最低溫度與最低氣溫資料,分析路面最低溫度和最低氣溫的線性相關關系,其中涉縣站二者的相關系數(shù)為0.994,玉田站為0.992,建立的最低路面溫度預報模型如下:其中,Y為路面日最低溫度(單位:℃);x為日最低氣溫(單位:℃)。方程均通過α=0.05的顯著性檢驗。5路面最高溫度的預報準確性分析利用涉縣和玉田2站前一日路面最高溫度、最高氣溫、總云量、低云量、濕度、能見度等實況資料,通過逐月路面最高溫度預報方程計算路面最高溫度。由于路面不但通過輻射與大氣進行能量交換,還通過熱傳導與土壤深層進行能量傳遞,因此規(guī)定路面最高溫度實況與方程計算值相差在±3℃之間,則認為預報準確,否則為錯誤。分析發(fā)現(xiàn)涉縣2012年年預報準確率為79.2%,其中1月、12月路面最高溫度的預報準確率最高,為93.3%,其次是10月和11月準確率為90%,2月、3月的準確率為83.3%,其它月份準確率在53.3%~80%之間(圖3);玉田站,2012年年預報準確率為77.5%,其中1月、2月、12月預報準確率最高,為90%,其次是10月、11月準確率在80%~86.7%之間,5月最差,預報準確率只有53.3%(圖略)?？傮w說來,冬季路面最高溫度的預報準確率較高,5月份最差,這可能是5月多雷雨天氣,天氣變化快,且經常出現(xiàn)在午后,而路面最高溫度通常也是出現(xiàn)在午后,降雨對路面溫度的影響極大;冬季,天氣相對穩(wěn)定,路面溫度變化也相對平穩(wěn),從而預報精度較高。6路面溫度的預報模型(1)高速公路路面溫度的日變化與氣溫類似,不僅與季節(jié)、天空狀況有關,還與所處地理位置及自然環(huán)境密切相關。(2)晴到多云和陰天,路面溫度和氣溫日變化明顯;降雪或降雨時,路面溫度和氣溫日變化不明顯,尤其是冬季降雪或路面有積雪或結冰時,路面溫度高于氣溫,二者日變化較小,在降雪過程中路面溫度略有上升,氣溫略有下降,在降雪結束后路面有積雪或結冰的情況下,路面溫度基本保持不變,氣溫明顯降低。(3)路面最高溫度受多種氣象因子的影響,與前一日路面最高溫度、最高氣溫、能見度呈顯著正相關,與總云量、低云量、相對濕度呈顯著負相關,其中與最高氣溫的相關性最顯著;路面最低溫度與最低氣溫呈顯著線性相關。(4)冬季路面最高溫度的預報準確率高于夏季。這可能是夏季天氣變化快,尤其是當有雷陣雨出現(xiàn)時,對路面溫度的影響極大;冬季天氣相對穩(wěn)定,路面溫度變化平穩(wěn)。路面溫度預報模型可應用于實際業(yè)務工作中。武輝芹,馬翠平,楊榮芳,等.河北省高速公路路面溫度變化特征及預報模型[J].干旱氣象,2014,32(4):665-670,