吉林省高速路面温度的时空变化特征

张宇彤 李云峰 石 晨 金顺梅

（1.吉林省气象服务中心，吉林长春 130062；2.吉林省气象信息网络中心，吉林长春 130062；3.吉林省气象科学研究所，吉林长春 130062；4.长白山气象与气候变化吉林省重点实验室，吉林长春 130062）

1 引言

随着我国经济飞速发展，高速公路已四通八达、密布成网。我国所建高速公路以柏油（沥青）路面结构为主。沥青是一种典型的温敏材料，由其构成的路面在自然环境中会受到多种环境因素的综合影响，如外界气温、太阳辐射、降水等因素，其中气温对路面的影响最为明显[1-3]。高速路面温度的高低直接或间接影响行车安全。夏季高速路面温度较高时易引发车轮爆胎，给高速行驶的汽车带来交通隐患；冬季高速路面温度较低时，遇上降水过程则易造成道路湿滑、道路结冰、道路积雪等现象，降低路面摩擦系数，车辆容易发生打滑或空转，从而增加交通事故发生率[4]。

高速路面温度是对公路交通影响重大的气象因素之一，研究内容丰富，实际应用广泛[5]。国内外学者的研究方法，大致可以归纳为两类：一是理论分析法，即根据热平衡原理采用数值分析方法建立高速路面温度的预测模型；二是统计分析法，即通过分析大量的观测数据，建立高速路面温度同相关气象要素之间的定量关系。田华等[6]应用逐步回归方法建立了梅村和仙人山最高和最低高速路面温度统计模型，得出最低高速路面温度模型模拟结果与实况的变化趋势接近，误差绝对值不超过2℃，具有很好的实际应用价值。武辉芹等[7]利用邯长、京秦高速公路涉县、玉田南北两个监测站和所在气象站观测资料，统计分析两站高速路面温度与气温的日变化特征及高速路面最高温度与气象因子的关系，基于多元回归分析方法建立逐月高速路面温度预报方程，并进行精度检验。刘熙明等[8]应用能量守恒方法，考虑太阳短波辐射、大气和地面的长波辐射（辐散）以及潜热、感热传输等能量之间的平衡，建立高速路面温度预报方法，发现夏季日照时间超过5h，该预报方法具有较好的实际应用价值。冯蕾等[9]使用INCA多源资料融合分析和短临外推预报系统的预报结果作为气象强迫场，建立高速路面温度理论预报模型METRo，开展江苏省高速公路夏季路面高温预报试验。

吉林省从2004年起开展露天环境温度、柏油路面温度及草面（雪面）温度等特种观测项目的观测工作[10]，利用该资料分析高速路面温度的变化特征，得出气温对高速路面温度的订正值，从而开发高速路面温度的预报产品，这项工作对交通气象服务意义重大。

2 资料和方法

2.1 资料

选取白城、长春、四平、通化、延吉共5个观测站代表吉林省西部、中部和东部地区，利用2015—2019年的逐小时特种观测资料，和与其相对应的气温、总云量、风速、天气现象资料，分析吉林省高速路面温度在不同时间尺度和区域上的日变化特征。

2.2 方法

本文采用相关分析法进行相关统计分析。相关系数的计算公式：

用检验来验证两个气候变量之间的线性相关是否显著，给定显著性水平α=0.05。当t＞tα时，说明相关性是显著的。

3 高速路面温度的时间变化特征

3.1 高速路面温度总体特征

表1给出了吉林省5个代表站的平均高速路面温度和气温。高速路面温度和气温均具有明显的日变化特征，变化趋势大体一致，但变化幅度差别明显。总体来看，高速路面温度偏高于气温，年平均高速路面温度比年平均气温高6.3℃。高速路面温度和气温均在08—11时快速升温，14—17时明显降温，由于高速路面长波辐射的夜间主导作用，高速路面温度下降较气温更快。05时和20时的高速路面温度与气温的偏差仅在1℃以内，08时和17时的高速路面温度比气温高3～6℃，而11时和14时的高速路面温度与气温的偏差最大，达到12～14℃，这与太阳辐射增强，路面直接升温有关。

表1 年平均高速路面温度和气温的对比 ℃

如表2所示，各季节不同时刻高速路面温度和气温具有显著的正相关性，相关系数均达到60%以上。从季节来看，春、秋季二者的相关性强于冬、夏季；在一天当中，夜间的相关性强于白天，春、秋季夜间高速路面温度和气温的相关系数可达90%以上。因此，在高速路面观测资料缺少的情况下，可以订正同时刻的气温值来获得相对应的高速路面温度值。

表2 各季节不同时刻高速路面温度与气温的相关系数

3.2 高速路面温度的季节变化特征

对特种资料逐月分析发现，不同季节高速路面温度的日变化特征存在差异。本文以1月、4月、7月、10月分别代表冬季、春季、夏季、秋季。各季节高速路面温度的平均日变化幅度均明显大于气温（图1）。每日11—14时高速路面温度和气温的偏差值最大，日落之后偏差值逐渐缩小，夜间的偏差值最小。春、夏季各时次的高速路面温度不低于对应时次的气温值。11—14时高速路面温度与气温的偏差值夏季最大，可达20℃以上；春、秋季在15～20℃；冬季最小，在10℃以内。冬季日落后气温值反超高速路面温度，但二者相差很小。

图1 1月（a）、4月（b）、7月（c）、10月（d）高速路面温度和气温的日变化

3.3 不同天空状况下高速路面温度的日变化特征

高速路面温度除了受气温变化影响之外，与天空状况也密切相关。将天空状况分为晴天、雨天（该时刻有降水）、多云天（总云量在7成以上），探讨不同天空状况下高速路面温度的变化特征。

不同天空状况下，高速路面温度与气温的日变化趋势大体一致，但高速路面温度的变化幅度更大。晴天状况下各季节高速路面温度和气温的日变化最明显；多云状况下二者日变化均减弱；在雨天时，气温和高速路面温度都均没有明显的日变化。图2给出了晴天、多云天和降水天各季节不同时刻高速路面温度与气温的偏差值。在晴天，日出后08时，高速路面温度和气温的偏差夏季为12.7℃，春季为8.9℃，秋季为4.9℃，冬季为2.0℃；午后14时，夏季高速路面温度和气温的偏差达到25.5℃，春季为19.7℃，秋季12.6℃，冬季为5.0℃；夜间20时和凌晨05时，四季高速路面温度和气温的偏差最小，除夏季外，均在2℃以内。在多云天，日出后08时，高速路面温度和气温的偏差夏季为8℃，春季为5.4℃，秋季为3.4℃，冬季为1.5℃；午后14时，高速路面温度和气温的偏差夏季为15.8℃，春季为11.7℃，秋季为6.5℃，冬季为3.6℃；20时，四季高速路面温度和气温的偏差均在3℃以内。在降水天，高速路面温度和气温的偏差值较低，各季节均不超过6℃。

图2 晴天（a）、多云天（b）、降水天（c）各季节不同时刻高速路面温度与气温的偏差值

4 不同区域高速路面温度的日变化特征

由于特种观测站点有限，以白城站代表吉林省西部地区，长春站、四平站代表吉林省中部地区，通化站、延吉站代表吉林省东部地区。分析不同区域高速路面温度的日变化情况，晴天时，东部地区14时的高速路面温度在四季均高于中部和西部地区；西部地区14时高速路面温度在冬、春季较中部地区偏高1～2℃，夏、秋季较中部地区略低；晴天各地区四季高速路面温度在其他时刻相差不大。在多云天中，东部地区冬季14时高速路面温度较中部和西部地区高2～5℃；秋季14时高速路面温度较中部和西部地区高3℃左右；春、夏季高速路面温度14时四季相差不大；西部地区在冬季夜间的高速路面温度偏低于中部和东部地区。当存在降水时，各地区高速路面温度的日变化减弱，但西部地区春季中午前后高速路面升温明显，14时高速路面温度值高出中部和东部地区6℃左右，这主要与西部地区春季降水少，太阳辐射强有关。不同区域高速路面温度的日变化差异，与气候条件、地形环境共同作用有关，因此，在实际高速路面温度预报服务中，应进行分区讨论。

5 结语

采用特种观测资料，分析高速路面温度和气温的日变化特征，利用高速路面温度和气温的高度相关性，分季节计算气温和高速路面温度的偏差值，并分不同天空状况、不同地理区域进行讨论。

（1）吉林省高速路面温度和气温均具有明显的日变化特征，变化趋势大体一致，每日中午前后高速路面温度和气温的偏差值最大，日落之后偏差值逐渐缩小，夜间的偏差值最低。年平均高速路面温度偏高于年平均气温。由于高速路面直接受到太阳辐射影响，高速路面温度的日变化幅度大于气温。

（2）各季节高速路面温度的日变化幅度明显大于气温，春、夏季各时次的高速路面温度不低于于对应时次的气温值。夏季高速路面温度与气温的偏差值最大，冬季最小。晴天各季节高速路面温度和气温的日变化最明显；多云状况下二者日变化均减弱；雨天气温和高速路面温度都没有明显的日变化。

（3）晴天东部地区14时的高速路面温度在四季均高于中部和西部地区；多云天东部地区冬季14时高速路面温度较中部和西部地区偏高2～5℃；秋季14时较中部和西部地区偏高3℃左右；西部地区冬季夜间的高速路面温度偏低于中部和东部地区。雨天各地区高速路面温度的日变化减弱，但西部地区春季中午前后高速路面升温明显，14时高速路面温度值高出中部和东部地区6℃左右。

（4）各季节不同时刻高速路面温度和气温具有显著的正相关性，相关系数均达到60%以上。在高速路面观测资料缺少的情况下，可以订正同时刻的气温值来获得相对应的高速路面温度值。高速路面温度受时间尺度、天空状况和地理区域的影响，利用气温订正高速路面温度时要分季节、分天空状况和地理区域讨论。