（大气物理学与大气环境专业论文）路面温度和结冰预报模式研制及应用.pdf

摘要 本文利用在湖北省恩施和金沙2 0 0 9 年1 月1 日3 月3 1 日以及1 2 月1 日- 2 0 1 0 年1 月3 1 日所观测的土壤、水泥、沥青三种下垫面温度及自动气象站的常规气象要素，对比 分析了三种不同下垫面温度的日变化，与气温的定量拟合关系。此外，通过多元回归拟 合公式，利用风速、气温、相对湿度以及降水量在少云晴天、多云阴天以及雨雾天气下， 对三种下垫面温度进行了拟合预测，并分析了路面结冰的气象条件。 研究发现：水泥和土壤路面温度变化幅度小于沥青路面温度，且二者变化趋势非常 一致。气温与路面温度的相关性最大。通过不同天气条件下的多种气象要素对路温进行 多元回归拟合所得计算值与实测值相关系数除金沙站沥青路面为0 8 8 外，均在0 9 以上， 预测效果较好。此外，路面o 低温与路面积水对结冰产生和维持的密切关系为业务实 践具有一定的指导意义。 应用地表热量平衡方程，考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、潜热、感热传 输等能量之间的平衡，并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散 射，建立了一种较实用的下垫面温度预报模型。应用湖北省恩施和金沙2 0 0 9 年冬季2 月对三种不同下垫面温度和自动气象站的常规气象要素观测进行模拟分析，并与该时段 内所测到的三种下垫面温度进行对比。 结果表明：两地三种下垫面温度的预测值与实测值的相关系数均在9 5 以上，标准 差均小于2 ，预报误差在士3 以内的频率高达9 5 2 0 、9 6 4 1 、9 3 5 7 和9 1 1 9 、9 4 1 6 、 8 8 ，1 8 ，表明模型具有较高的预报水平。且对冬季不同天气条件下下垫面温度预报结果 均较好，特别对于低于o c 时的预报准确性较高，可以运用于冬季高速公路下垫面溜滑 的实际预报中。 关键词：下垫面温度，回归拟合，结冰条件，热量平衡，数值预报 a b s t r a c t b a s e do nf i e l do b s e r v a t i o n so ft h r e ed i f f e r 吼t t y p e so fu n d e r l y i n g 融 t e m p e r a t u r e ( s o i l ，c o n c r e t ea n da s p h a l 0a n da u t o m a t i cm e t e o r o l o g c a l s e n s o r m e a s u r e m e n t sd u r i n gj a n u a r y , f e b r u a r y , d e c e m b e ro f2 0 0 9a n dj a n u a r yo f 2 010 w i n t e ri ne n s h ia n dj i n s h a , h u b c ip r o v i n c e , t h i sp a p e rs t u d i e st h ed a i l yv a r i a t i o n o ft h et h r e et y p e so fu n d e r l y i n gs u r f a c et e m p e r a t u r ea n dm e i rr e l a t i o n s h i p 谢mt h e a i rt e m p e r a t u r ei nf i t t i n gf o r m u l a m o r e o v e r , t h i sp a p e rp r e d i c t sf u t u r eu n d e r l y i n g s d r f a c ct e m p e r a t u r eb ye s t a b l i s h i n gm u l t i p l er e g r e s s i o n sa c c o r d i n g l yw i t ht h ew i n d s p e e d ，a i rt e m p e r a t u r e ，r e l a t i v eh u m i d i t ya n dp r e c i p i t a t i o ni np a r td o u d y , o v e r c a s t a n dr a i n yf o g g yd a y s w h a t sm o r e , t h em e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n so fi c y u n d e r l y i n gs u r f a c e a lea l s oa n a l y z e d t h es t u d i e ss h o wt h a tt h er a n g eo fs o i la n dc o n c r e t er o a ds u r f a c et e m p e r a t u r ei s l e s st h a na s p h 批a n dt h ef o r m e rt w ov a r i a t i o nt r e n d sa r eh i g h l yc o n s i s t e n t a i r t e m p e r a t u r ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r si n f l u e n c i n gt h eu n d e r l y i n gs u r f a c e t e m p e r a t u r e t h eu n d e r l y i n gs u f f a p t e m p e r a t u r ei nd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s p r e d i c t e db ym u l t i p l er e g r e s s i o na r cw e l lv a l i d a t e d , 诵也0 9a b o v ec o r r e l a t e d 耐m o b s e r v a t i o n se x c e p tf o ro 8 8o fa s p h a l tu n d e r l y i n gs u r f a c 圮i nj i n s h a b e s i d e s ，t h e r e v e a l e dc l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el o wt e m p e r a t u r ea r o u n d o co nt h e u n d e r l y i n gs u r f a c ea n dt h ew e ts t a t ef o rt h er o a di c ed e v e l o p m e n tw i l lb e n e f i tt h e m e t e o r o l o g i c a ld e p a r t m e n t sf o r 也e i rp r a c t i c a lo p e r a t i o nt os o m ee x t e n t b a s e do nr o a de n e r g yb a l a n c em e t h o d , c o n s i d e r i n gt h eb a l a n c ea m o n gs o l a r s h o r t - w a v er a d i a t i o n , a t m o s p h e r i ca n dg r o u n dl o n g - w a v er a d i a t i o n s ，l a t e n th e a t f l u x e sa n ds e n s i b l eh e a tf l u x e s ，af o r e c a s t i n gm o d e lf o rt h r o ek i n d so f r o a ds u r f a c e t c m p c t a t u r ei se s t a b l i s h e d , i nw h i c ht h ep a r a m c t e r i z a t i o n so fa b s o r p t i o na n d s c a t t e r i n go fv a p o r ，a e r o s o la n dc l o u da r ea l s oa d o p t e d b a s e do l lt h eo b s e r v a t i o n s o ft h r o ed i f f e r e n tr o a ds u t - f a c c t e m p e r a t u r ea n dt h ea u t o m a t i c a l l y c o l l e c t e d m e t e o r o l o g i c a ls e n s o rm e a s u r e m e n t sd u r i n gj a n u a r ya n df e b r u a r yo f2 0 0 9w i n t e r i ne n s h ia n dj i n s h a , h u b e ip r o v i n c e ，t h er o a ds u r f a c et e m p e r a t u r ef o r e c a s t i n g m o d e li sv a l i d a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ep r e d i c t i o n so ft l l et h r o ek i n d so fr o a ds u r f a c e t e m p e r a t u r ei nt h et w os t a t i o n sa r ew e l lc o r r e l a t e d 耐也t h eo b s e r v a t i o n sm o r et h a n 9 5 ，a n dt h es t a n d a r ds q u a r e sa r es m a l l e rt h a n2 ，a n dt h ef r e c l u c n c i c so fp r e d i c t i o n e r r o r sb e t w e e n - 3a n d3 ca r es oh i 曲t h a tr e s p e c t i v e l yr e a c hu pt o9 5 2 0 、 9 6 4 1 、9 3 5 7 a n d9 1 1 9 、9 4 1 6 、8 8 1 8 ，w h i c hi n d i c a t et h em o d e lh a sa g o o dp e r f o r m a n c ei nt h ef o r e c a s t s b e s i d e s ，t h eg o o dp r e d i c t i o nr e s u l t si nt h r o e d i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n s ，e s p e c i a l l yw h e nt h er o a ds u r f a c ot e m p e r a t u r eb e l o w 0 c ，p r o v et h a ti tc a nb eq u i t eu s e f u li nt h ep r e d i c t i o no fs l i p p e r yr o a di nw i n t e r k e y w o r d s ：u n d e r l y i n gs u r f a c et e m p e r a t u r e ，m u l t i p l er e g r e s s i o n s ，i c i n gc o n d i t i o n s ， e n e r g y b a l a n c e , n u m e r i c a lp r e d i c t i o nm o d e l l i l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他 人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工 程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：盗。塾 签字日期： 竺! ! ：! 12 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、 中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文，并通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 口公开口保密(年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵守此 协议) 学位论文作者签名：盗! 篁壹 指导教师签名： + - - ? - b 势j ：竺! ! ：! ：2 签字日期： 第一章引言 1 1 研究的目的和意义 在现代化经济高速发展的今天，高速公路已经成为国家经济实力和发达程度的一个 重要标志。随着运输量和行驶速度的提升，对交通运输业安全保障的需求显得更为迫切， 影响交通运输的各种自然灾害越来越受到重视，其中气象灾害以及由于气象灾害造成的 次生灾害对交通运输业的影响，是国内外现代交通气象的一个研究重点。 雾、强降水、大风、高温、暴雨、积雪、结冰等天气是高速公路交通运输的主要气 象灾害。在这些诸多气象灾害中，路面低温积冰积雪对公路交通的影响是不容忽视的重 要因素之一。当路面温度过低，会引起路面结冰、积雪，使路面摩擦系数大大降低，容 易引发交通事故；桥梁或风口路段由于降温较快，路面更容易结冰，机动车从正常路面 经过这些路面时极易造成交通事故：同时，低温还会引起沥青面层的收缩开裂和反射裂 缝，从而间接对交通行驶造成危害。据统计，雪天的公路事故率增加2 5 ，伤亡率增加 近一倍。从美国的一些统计数据看【1 1 ，恶劣的天气和较差的公路状况每年导致1 5 0 万起 交通事故的发生。这些交通事故导致了8 0 万人受伤和7 0 0 0 多人死亡。与天气相关的交 通事故的损失平均每年有4 2 0 亿美元。此外，驾驶员每年由于公路上的雾，降雪，和冰 冻不得不忍受5 0 0 百万小时的延滞。并且，如果一条线路出现问题，常常还会波及其他 公路干线。由此可见，路面极端温度己经对高速公路运输带来了极大的威胁，也给我们 气象服务行业带来了很大的挑战，迫切需要发展高速公路路面温度和结冰预报模式，对 路面温度状况提前预知，来减少它对高速公路行车安全的影响。 研发路面温度和结冰预报模式并做出及时准确的路面温度，湿度，结冰等预报信息， 一方面可为道路养护等政府部门提供道路维护( 如洒盐、扫雪铲冰等) 的科学决策依据， 改善道路的使用性能和耐久性，使得这些道路对使用者及其维护者都更加安全：另一方 面更有利于道路养护等政府部门有更充足的时间进行及时有效的道路维护作业准备与安 排，进而可以降低因高影响天气引发的道路交通维护成本，保障道路畅通，减少交通事 故造成的人民生命财产损失。如及时的防冰策略可以省却大量的除雪剂，减少道路停止 运行的时间，提高道路的使用率。1 9 9 6 年w i k e l i u s t 2 ) 等报告指出，道路气象预报系统开 发方面具有很高的投入产出性价比，直接经济效益约为投入成本的2 倍，而产生的间接 经济效益高达1 0 倍左右。英国气象局 h o m e s 3 j 在1 9 9 4 年的研究报告表明，道路冰况 预报系统的使用，每年可减少约2 7 2 百万美元的经济损失，挽回约2 5 5 0 人的生命。美 国威斯康星州( w i s c o n s 蛐【4 】采用冬季道路气象预报系统，仅在一次冬季暴风雪天气中就 减少7 万多美元的损失，节约道路维护用盐2 5 0 0 吨。 因此，无论从提供生命财产安全保障，还是从减少交通事故经济损失、维护并保障 道路畅通来看，研发道路气象预报系统均具有重要的现实意义和实用价值。 1 2 国内外研究进展 路面温度及路面状况的研究最早起始予二十世纪五十年代，经历了1 ) 统计分析，建 立了与路面温度相关气象因子的回归方程，研究道路温度场分布规律及其与气象因子的 定量关系；2 ) 理论模式，在路面辐射能量平衡原理上建立的路面温度数值预报物理模型， 预报未来时刻的路面温度和道路状况；3 ) 道路气象信息系统( r o a dw e a t h e ri n f o r m a t i o n s y s t e m ，即r w i s ) 包括一系列组成部分用来预报道路交通网的路面温度变化。预报所需 天气数据由公路气象观测站的传感器经互联网传至区域天气预报中心的数值道路天气预 报模式。 1 2 1 路面温度统计分析法研究进展 统计分析方法是基于大量的观察资料，通过建立路面温度与气象影响因子的回归方 程，对路面温度的变化规律进行分析和预测。早在1 9 7 6 年，日本的近藤佳宏和三补裕二【5 1 对两种不同厚度的沥青混凝土路面的温度分布状况作了一年的实测工作，并采用回归分 2 析方法研究路面温度与气温之间的关系。研究表明，路面结构内不同深度处最高或最低温 度与路面温度或气温成线性关系。秋山政敬的研究也得到了相似的结论。路面温度与气温 之间，在雨天时大致呈直线关系，而在晴天及阴天时则呈曲线关系；路面不同深度的最 高温度与路面温度之间，不管层厚大小，皆呈直线关系。 2 0 世纪9 0 年代美国和加拿大在北美各地进行了大规模的实测工作，收集了大量路面 温度实测数据和气象资料，建立了庞大的路面温度和气象资料数据库，不仅为当时的研 究工作提供了充分的数据基础，也为以后的研究提供了有力的数据支持。因此，美国和 加拿大很多研究者都采用统计分析方法来建立沥青路面温度模型。 h u b e l - 6 于1 9 9 4 年对5 个地区的气温和由热平衡方程计算得到的路面温度进行了回归 分析，建立了计算路面最高温度的确定型公式。l t p p 研究计划于1 9 9 4 年启动s m p 项目， 陆续在美国和加拿大的3 9 个地区对路面温度和气候条件进行了大量的观测。1 9 9 8 年， m o h s e n i 和s y m o n s t 7 1 在s m p 数据的基础上，提出t l t p p 的沥青路面低温和高温状况预 估模型，以改进s h r p 的模型。 2 0 0 3 年，d i e f e n d e r f e 一9 等人以弗吉尼亚州s m a r t 试验路和s m p 项目2 个试验地点的路 面温度实测数据为依据，建立了适用于不同地区的路面日最高和最低温度预估模型。预 估模型有两组，一组以气温和太阳辐射总量为主要输入参数，另一组以气温、纬度和日 序号为主要输入参数。 国内对于路面温度统计方法的研究也是比较多的，早在1 9 8 0 年，景天然、严作人【1 明 等就在同济大学校内路段上对水泥混凝土路面进行了系统的温度状况测定。并根据大量 实测资料建立了路面顶面温度与气温、与气温和太阳辐射热、与地温的回归方程。 黄立葵、贾科1 1 等于2 0 0 5 年对京珠高速公路段上的布点实测数据进行了分析，并使 用7 月下旬的实测数据进行逐步线性回归，以日最高气温、前一天的平均气温、日太阳辐 射峰值和前一天的最低气温为主要参数，得到了计算沥青路面1 2 m m 处温度的预估模式。 2 0 0 6 年，秦健1 2 1 等通过对我国多个地区路面温度实测数据和气象资料进行回归分析， 建立了以气温、太阳辐射强度和路面深度为主要输入参数的沥青路面温度场预估模型， 3 并引入历年月平均气温作为地区修正系数，使模型具有了较为广泛的适应性和较高的预 测精度。 1 2 2 路面温度及结冰预报模式研究进展 道路温度场的理论模型最早是美国学者b a r b 豇于1 9 5 7 年用无限表面的介质温度周期 性变化时热传导方程的解来确定路面最高温度。之后更多的研究者对路面温度进行了广 泛研究，建立了各种理论模型来预报路面温度。 1 9 7 2 年，基于加拿大西部两个实验路段4 种路面结构一个冬季的路面温度实测数据和 气象资料，c h r i s t i s o n 和a n d e n s o n 1 3 1 对低温环境条件下的路面温度状况进行了研究。以一 维热传导方程为基础，建立了利用有限差分方法求解沥青路面温度状况的预估模型。 自从1 9 8 0 年以来，欧洲，北美，日本等国先后发展了各种预报路面积冰的模式。英 国主要发展了3 个模式： 1 9 8 4 年t h o m v s 【1 叼的路面积冰预报模式。 1 9 8 7 年p j r a y c r 1 习为英国气象局建立的路面温度预报模式。 1 9 9 0 年j s h a o 建f l 勺i c e b r e a km o d e l 该模式后来由s h 于1 9 9 6 年【1 叼发展为路面温度 和状态的自动预报模式。之后该模式又进一步完善，可以提前6 小时预报并将误差 控制在1 左右。 1 9 9 1 年t h o r a e s j s h a o t l 刀等对以上三种模式从物理结构，解析方法，输入输出，误差 分析等各个方面进行了比较，对三个模式的优缺点有较为详细的说明和统计。该模式均 是在考虑道路结构和物理属性基础上，结合由区域中尺度短期数值天气预报产品提供的 背景场，驱动在道路辐射能量平衡原理上建立的路面温度数值预报物理模型( 在路下考虑 了一维的水热垂直输送物理过程) ，做出道路气象观测站的未来路面气象信息预报( 路面温 度、降水等) 及相应的专业服务产品( 湿滑、积雪、积冰等状况) 。 此外，1 9 9 0 s 之后，出现了大量研究关于道路各个方面对的路面温度预报模式影响。 1 9 9 1 年t h o m e s ，s h 【埔1 等研究了作为模式输入的气象要素及道路热力性质对路面温 4 度预报影响。研究发现，气温和云的覆盖量对模式的敏感性最大，而路面热力性质敏感 性较小。 1 9 9 4 年j s h a o 1 卿等研究了多孔疏松沥青路面与普通沥路面条件下的模式验证。多孔路 面在夜间降温更快，白天温度更高。此研究为针对此类路面的预报模式改进提供了参考。 1 9 9 8 年j s h a o 2 0 1 将人工神经网络技术与数值路面积冰预报技术相结合，来提高路面温 度短期( 3 1 2 d x 时) 的自动数值预报的准确率。实验结果表明，可减少预报温度的绝对误 差和均方根误差9 9 - 2 9 ，并提高了积冰预报的准确率。 c h a p m a n 【2 1 忽1 在2 0 0 1 年时把n 1 0 m e s l 9 8 4 年的路面积冰预报模式推进了一步。使用零 维能量平衡方法，模拟特定区域能量的传输。通过循环得到某些地方的预报曲线。c h a p m a n ( 2 0 0 1 ) 的研究工作为以后的研究奠定了基础，并且该模式为波兰、瑞士等多个国家的道路 气象信息系统( r w i s ) 所使用。 丹麦在8 0 年代就已经建立了手动实时预报系统为公路气象部门提供路面维护的指 导。1 9 9 2 年口3 1 开始发展自动公路气象预报系统，进行提前5 小时的路面温度，降水，露点 温度预报。它的原理是基于大气和公路的热量预算方程。在业务化时，这个模式需要大 气模式的输出资料和天气观测资料包括路面资料作为输入部分。辐射通量，感热，潜热 和降水的计算通过某个公路气象站的气温，湿度，云覆盖，风场，和降水的预报得到。 这个模式系统的特殊之处是先进的初始条件的处理包括每个测站表面通量的修正。大气 模式提供的输入场资料来源于丹麦气象局的高分辨率的有限区域模式( h i r l a m ) 。 进入2 1 世纪之后，路面温度预报模式有了更近一步的发展，在模式中加入地形参数数 据库，并应用地理信息系统和全球定位系统，更加全面准确的研究受地形和气象因素影 响的公路网的路面温度的变化。2 0 0 1 年c h a p m a n t 2 1 也1 等用统计的方法，通过回归分析，评 估了5 个地形参数( 高度，地形，天空可视因子，土地使用类型和道路建造) 的相对重要 性。并且又研究了基于观测的地形参数的数值模拟的新的积冰预报方案。该方法可以预 报整个公路网的路面温度但却不使用t h e r m a lm a p s 。并用此模式对更多的地形参数进行了 敏感性分析。 5 2 0 0 5 年q 唧m a n 幽对t h 锄a lm a p p i n g 的准确性进行了研究，主要分析了其中道路交通 对路面温度的影响。 2 0 0 6 年以来，c h a p m a a , t h o m e s 2 5 j 将路面温度预报模式发展为基于g i s 的模式来预报 英国w e s tm i d l a n d s 地区在7 4 的空间变化内的路面温度。该方法包括了与观测技术相结合 的基础空间数据包，来生成一套地形参数数据库，它能驱动道路天气预报模式的空间组 成。使用g i s 模式，既能显示预报的某地路面温度随时间的变化，又能显示该区域道路网 实时温度色谱。该温度可根据当地地形条件对路面温度预报模式结果进行修正，预报出 更适合本地地形的路温值。 国内对于地温方面的研究起步较晚，于近十几年才开始逐步受到重视，并且取得了 一定的成果。刘熙明、喻迎春口6 1 等人( 2 0 0 4 年) 以及朱承瑛口刀等( 2 0 0 9 ) 均应用能量守恒 方法，考虑太阳短波辐射，大气和地面长波辐射、感热和潜热等能量之间的平衡，并考 虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的吸收和散射，建立了较为实用的高速 公路路面温度预报模型。 从实际业务角度上，在公路高密度、长时间序列的观测资料基础上，用地表热量平衡 方程或统计方程，提出应用于高速公路路面温度逐时滚动预报数值模型并具有较高的预 报水平，是今后公路、交通运输与管理、气象等部门所面临的重要课题之一。因此，一 些发达国家先后建立了道路气象信息系统( r o a dw e a t h e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ，r w i s ) 对公 路的气象状况进行实时监测和预报。 1 2 3 道路气象信息系统( r w i s ) 简介 r w i s 的气象监测站主要是建立在路边，测量路面温度，气温，相对湿度，露点温度， 降水，风，能见度。测到的资料传输到自动预警系统，交通管理部门，应急中心，道路 维护部门。目前已经有3 0 多个国家建立了r w i s 。 美国有多个地区铺设和建立r w i s 监测站点。1 9 8 9 生i z l o w a 建立了第一个r w i s 。这个 站包括3 个路面传感器。到了1 9 9 9 年的时候整个州建立t s o 个r w i s 。主要是利用道路气 6 象站的观测资料并结合卫星资料进行道路气象研究。1 9 9 7 年，v k g i n i a 在整个州建有4 0 个 r w i s 监测站。每个监测站主要测量气象资料，路面和路面下的状况。2 0 0 1 年时北佛罗 里达大学的a p p h e dg l o b a ls y s t e m sl a b ( a o s l a b ) 、佛罗里达州立大学以及n a t i o n a l w e a t h e rs e r v i c e 开始发展f l o r i d a 的r w i s 。在f l 耐d a 有9 2 个微波塔，可以用来传输信 息和资料。用户可以通过其公布的网址了解目前和未来的道路气象状况。 丹麦在1 9 9 3 至1 9 9 4 年冬季末建立了一个实时的路滑预报系统，并进行半业务化测试， 1 9 9 5 年进行业务化运行。这个预报系统的资料来源于全国的2 0 0 多个公路气象观测站的监 测资料。气象预报员每隔2 4 , 时进行提前3 4 , 时的短期预报。这些预报结果是基于所有测 站的公路气象资料，然后综合最新的气象信息，如天气图，卫星图象。 瑞士r w i s 总共有6 6 0 个观测站，一般每个站点之间间隔6 k i n ，并且有些站还安装了 冰的监测。这些站点反映了不同类型的气候状况，如桥面的，霜洼，遮盖的路面断，山 地等等。模式的运算方案使用了三种不同的法则：1 ) 数值能量平衡计算，2 ) 使用站点 特殊常量的统计方法计算路面温度，3 ) 使用线性模式计算路面温度。 此外，瑞典、芬兰、英国、波兰以及加拿大等国家也都组建了r w i s ，系统中还融合 了多种观测和预报系统，例如道路气象监测站、卫星资料、g i s 地形资料以及中尺度预报 系统提供气象要素输入等，提供及时有效的天气预警信息给交通部门道路的使用者，及 灾害管理部门，以便保证交通安全。 7 图l l 一个典型的公路气象监测站 f i g 1 1 a 唧i c a l r w l s 删b _ d 吨 i j 。、勰斗一匿。j同倒盟 j尊。曩乏|篓。眺一 1 3 本文的研究内容 从国内外的研究特点可以看出，基于理论的路面温度数值预测模型能够从本质上反 映各种因素对路面温度场的影响机理，且综合考虑了影响路面温度状况的环境因素和材 料结构变量。通过该方法建立的预估模型适应性强，理论上可以适用于任何地区。在气 象资料和材料的热学参数可以准确获得的条件下，模型具有较高的预测精度，但是实际 操作中的这些参数大多是近似估算的，模型的精确度会较理论上有所降低。另外，理论 模型形式复杂，输入参数多且不易获得，求解过程也较为繁琐。而用统计分析方法需要 大量的实测数据，模型不具有地域的普适性，但其却克服了参数多、计算繁琐等缺点。 总的来说，两种方法各有利弊。本文将分别使用统计分析和理论模型两种方法对三种不 同下垫面的温度和结冰情况进行研究，结合两种方法的优点，以期获得更为精确的预测 结果。研究的主要内容可以分为以下两个方面： ( 1 ) 利用2 0 0 9 年1 月1 日3 月3 1 日和2 0 0 9 年1 2 月1 日2 0 1 0 年1 月3 1 日在湖北恩 施、金沙、神农架等地各种常规天气资料、自动站( 气温，相对湿度，风速，风 向，气压) ，加密雨量站，云量，云型，路面传感器观测数据等，分析路面温度 变化及结冰情况与气象因素之间关系，并通过线性回归拟合路面温度，为模式验 证提供理论支持。 ( 2 )应用地表热量平衡方程，考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射、 潜热、感 热传输等能量之问的平衡，并考虑水汽、气溶胶、浮尘以及云等对太阳短波辐射的 吸收和散射，建立了一种较实用的下垫面温度预报模型。 9 第二章三种下垫面温度对比观测及结冰气象条件 分析 2 1 。资料与方法 本文主要采用湖北省气象局在恩施雷达站和咸宁金沙区域大气本底站安装的一套自 动监测三种不同下垫面包括土壤、水泥、沥青的温度传感设备、下垫面表面镶嵌的温度 计、以及记录常规气象要素的自动气象站资料。 观测地点和时间g 恩施雷达站位于湖北省西南部利川市石板岭雷达站山顶( 3 0 。1 7 t n ， 1 0 9 0 1 6 e ) ，海拔1 7 2 2 2 m ，观测起止时间为2 0 0 9 年1 月1 2 日至2 月2 8 日及2 0 0 9 年1 2 月1 日至2 0 1 0 年1 月3 1 日。金沙区域大气本底站位于湖北省东南部崇阳县金沙管理区 韭菜岩山顶( 2 9 0 3 8 t n ，1 1 4 0 1 2 e ) ，海拔7 5 1 4 m ，观测起止时间为2 0 0 9 年1 月1 日至2 月2 8 日。 观测方法及项目：自动气象站逐分钟记录本站气压、气温、相对湿度、风速风向、 降水量、能见度。三种下垫面温度传感器逐小时记录下垫面温度。为保证资料的准确和 仪器的正常使用，并辅以每天4 次人工观测，分别在北京时间0 2 、0 8 、1 4 、2 0 时记录三 种下垫面表面温度计温度值、降水量、天气现象。 三种下垫面温度监测简介：水泥下垫面和沥青下垫面的场地规格均为2 m ( 东西) x l m ( 南北) x 3 0 c m ( 厚) 。传感器位于观测地段的中央，埋入水泥或柏油下垫面一半，与水 泥或柏油下垫面紧贴，另一半露于空中。水泥和沥青下垫面按省级1 级公路等级标号设 定。并在土壤、水泥和沥青下垫面偏西的位置设置安装地面三支温度表，用来人工观测 下垫面温度，以对比验证自动检测数据的准确性。 l o 2 2 三种下垫面温度对比观测 p 、 ： _ 罡 o e 3 t i m e h o u r 圈2 1 恩施冬季三种下垫面温厦与气温的平均日变化 f i g 2 1m e a nd a i l yv a r i a t i o no f t h r e ek i n d so f u n d e r l y i n gs u r f a c ea n da i rt e m p e n t u r ei nw i n t e ro f e n s h i 考虑到恩施资料较为完整，通过对恩施冬季1 月2 月三种下垫面逐时温度求取平均 值，得到三种下垫面温度冬季平均日变化，如图2 1 。由图可见，三种下垫面温度逐时变 化曲线均呈波浪型，日变化趋势基本一致，但在温度范围和极值上有所差异。 一方面，通过下垫面温度日变化可以看出，恩施日出前和日落后，即夜晚时三种下 垫面温度非常接近，并维持在l 低温左右。从8 时三种下垫面温度均开始急剧升高， 并在1 4 至1 5 时左右达到峰值。之后急剧降低，在1 8 时左右变化放缓，进入低温维持阶 段。 另一方面，通过对比土壤、水泥、沥青三种不同下垫面温度可以看出，水泥和土壤 下垫面温度变化幅度小于沥青下垫面温度，且二者变化趋势非常一致，在1 4 点左右达到 峰值9 c 左右。沥青下垫面平均温度在1 4 点左右最高可达1 1 1 2 左右，而夜间三者温差不 大，在o 3 左右，沥青略微较低。表2 1 1 s 给出了不同国家和地区不同研究者分析路面 温度时根据不同路面性质所采用的比热值。可以看出，虽然同种材料比熟取值存在差异， 但普遍认为沥青的比熟容小于水泥，土壤与水泥比热容近似相等。因此，沥青路面温度 日变化幅度较大可能由于其比热容较小，在白天同样的太阳辐射条件下，升温和降温更 为剧烈所致。表2 t 2 8 - 2 9 给出了不同下垫面的平均反照率和长波比辐射率主要两种辐射特 性。可以看出，沥青的反照率最小，且因其颜色最深，相同的太阳辐射条件下，吸收的 太阳辐射最多，因此在白天升温速度最快。由于夜间温度受长波辐射影响较大，而由表 2 2 可知三种下垫面的长波比辐射率相差不大，因此三者夜间温度较为接近。 表2 1 不同道路材料的比热容取值 t a b l e2 1t y p i c a lv a l u e so f h e a tc a p a c i t yo f r o a dm a t e r i a l s 表2 2 不同下垫面的辐射特性 t a b l e2 2 r a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f d i f f e r e n tu n d e r l y i n gs u l f a c c 1 2 2 3 三种下垫面温度与气温关系对比分析及验证 2 3 1 三种下垫面温度与气温平均日变化 据统计，恩施冬季l 、2 月份中6 2 5 的总天数为雨雾天气，故总体平均日变化气温 值变化不大，最大温差在2 以内，如图2 1 。1 8 时至9 时左右气温高于三种下垫面温度 2 左右，而9 时至1 8 时平均温度远低于三种下垫面温度，最多可相差8 c 左右。由此 可见，白天下垫面对气温有正强迫，而夜晚气温对下垫面有正强迫，该现象与t h o m e s & s h a o ( 1 9 9 1 ) 【l s 】分析路面温度与气温的互相关关系时，得出的结论相同，即白天路面温 度高于气温，并驱动气温变化，而夜晚则相反。 2 3 2 三种下垫面温度与气温的相关性分析 2 3 21 三种下垫面温度与气温的相关性及拟合方程 为研究冬季下垫面温度与气温之间的关系，以下垫面温度为纵坐标，气温为横坐标， 寻找二者之间的联系，如图2 2 ，其中直线为散点图的线性拟合，恩施土壤、水泥、沥青 的三种下垫面温度与气温相关系数分别是0 7 9 ，o 8 4 ，o 7 6 ，金沙的分别为o 8 4 ，o 8 9 ， 0 8 2 ，均通过了0 0 0 1 的信度检验，与1 9 7 6 年近藤佳宏和三补裕二【5 】所得出的路表温度 与气温呈线性关系的结论一致。 根据下垫面温度与气温平均日变化关系的结论，白天和夜晚下垫面温度与气温之间 不同的对应关系，将恩施、金沙两地冬季路表温度划分成白天和夜晚两个时间段来讨论。 白天和夜晚主要是根据冬季恩施，金沙当地日出和日落时间来划分的，即：白天为0 8 至1 8 时，夜晚为1 9 至次日0 7 时。拟合图见图2 3 ，相关系数见表2 3 。相关系数比不分 白天和夜晚的拟合情况均有所提高，其中金沙夜晚三种下垫面均达到0 9 以上，最高达 0 9 8 ，拟合效果很好。由此亦可知，气温是影响下垫面温度变化的因素中最为重要的一 1 3 个，与 h o m e s ( 1 9 9 1 ) 的互相关分析中的结论一致。 5 o 51 0 1 5 2 0 2 55o51 0 1 5 2 0 2 5_ 5o51 0 1 5 2 0 2 5 a i rt e m p e r a t u r e ， 图2 2 三种下垫面温度与气温的相关性( a ) 恩施( b ) 金沙 f i g 2 2t h ec o r r e l a t i o no f t h r e ek i n d so f u n d e r l y i n gs u r f a c ea n da i rt e m p e r a t u r e ( a ) e n s b i ( b ) j i n s h a 表2 3 恩施、金沙白天和夜晚三种下垫面温度分别与气温的相关系数r t a b l e2 3t h ef i t t i n gc o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t so f t h r e ek i n d so f u n d e r l y i n g $ u r f a c ca n da i rt e m p e r a t u r ei n d i u r n a la n dn o c t u m a le n s h ia n dj i n s h a pi暑芒口e暑。口星，auico口c=p，芒：-墨。厶e口_oo矗七=口量宕口c3 a i rt e m p e r a t u r ei c 图2 3 不同时间恩施、金沙三种下垫面温度与气温相关性 恩施：( a ) 白天( c ) 夜晚金沙：( b ) 白天( d 夜晚 f i g 2 3t h ec o r r e l a t i o no f u n d e r l y i n gs u r f a c ea n da i rt e m p e r a t u r ei nd i f f e r e n tt i m ei ne n s l l ia n dj i n s h a e n s h i ：( a ) d a y t i m e ( c ) n i g h t t i m ej i n s h a ：( b ) d a y t i m e ( d ) n i g h t t i m e p，乏3_芒t厶e3 totj口呈c口c弓l，芒暑芒墨e兽u届t，一口呈t暑c： pj=墨&量；d_|lt：一ac一t口工： p，：-墨e暑。口星：嚣口暑=o暑3 2 3 2 2 拟合效果验证及误差分析 所得到的拟合曲线( y = a + b x ，y 为拟合的下垫面温度，x 为气温) 系数见表2 4 ，并 用2 0 1 0 年的观测数据对该拟合公式进行了验证。表2 5 给出了二者的相关系数以及拟合 公式与观测值的平均误差。可以看出，该公式只用气温来拟合预测下垫面温度的误差不 大，平均误差在3 以内。通过2 0 1 0 年的观测数据验证来看，该公式拟合效果也较好， 时间上具有普适性，对业务化预报下垫面温度具有参考意义。 对比三种不同的下垫面可以看出，白天沥青相对土壤和水泥的平均预报误差稍大， 相关系数也稍小，可能与沥青下垫面温度白天受太阳辐射等其他因子的影响更为复杂， 只靠气温来拟合预测下垫面温度的效果稍差。 表2 42 0 0 9 2 0 1 0 年恩施冬季三种下垫面温度与气温关系的拟合公式系数 t a b l e 2 4t h ef i t t i n gf o r m u l ac o e f f i c i e n t s 表2 52 0 0 9 和2 0 1 0 年恩施冬季下垫面温度与气温关系的拟合误差分析 t a b l e 2 5f i t t i n gm e a ne r r o r sb e t w e c nu n d e r l y i n gs u r f a c et e m p e r a