高速公路团雾分级预警研究

卢振礼，杨成芳，郑宗杰，崔广暑，安 源，顾 飞

(1.日照市气象局，山东 日照 276826；2.山东省气象台，济南 250031；3.交通运输部路网中心，北京 100736)

引 言

2018年中国的高速公路总里程已达14.3万千米，居世界第一。研究表明：随着高速公路的发展，高速公路交通事故出现多发状况。雾是高速公路最为常见的灾害天气类型之一[1-3]，国内外已有众多专家针对高速公路大雾或低能见度进行了较为系统的研究[4-8]。近期主要研究包括：沪宁高速分段进行低能见度浓雾监测、预警和临近预报试验和服务研究[9]，应用高时空分辨率非静力中尺度数值预报模式WRF 3.1剖析大雾过程形成的动力、热力和水汽条件[10]，利用雾的能见度数值范围、时空分布规律、路面状况计算标准化的雾危险指数(NHFI)[11]。高速公路团雾是对高速公路安全影响比较严重的天气现象，它的危害性已经逐渐被人们认识[12]。

2016年我国因雾引起的高速公路交通事故共192起，单起事故死亡率86.5%[13-14]。近几年，滁新高速、大广高速、宁洛高速、大运高速、沪宁高速和邢汾高速等均因高速公路团雾引发重大交通事故，事故大多引发数十辆车相撞，造成严重的人员伤亡。通过对沪宁高速团雾引起的交通事故分析，发现有大约77.8%的交通事故发生在00-08时。高速公路事故高发时段与统计的高速公路团雾分布时间段(主要集中在22时-次日08时)基本吻合，也从侧面说明了高速公路团雾很容易引发交通事故。

截至目前，很多专家已对高速公路团雾进行了研究，主要研究集中在分析团雾天气过程的气象要素变化，通过WRF模式耦合不同陆面方案对团雾过程数值模拟[15]；根据布设于沪宁高速自动天气监测系统(AWMS)实测资料，对团雾资料进行统计分析，探讨团雾天气发生规律和地形、地貌特征[16]；基于突变论，分析驾驶人进入团雾路段瞬间的驾驶行为特征，研究团雾环境下行车致危机理[1]；利用沿海高速公路AWMS监测数据，分析沿海高速公路团雾成因和分布规律等研究[17]。与此同时，还出台了相关法律条例、标准及其规范[18-23]。本文在以上研究的基础上，分析高速公路团雾的基本特征、生成条件、时空分布及危害，对团雾和高速公路团雾的定义加以界定。根据高速公路团雾天气的危害程度，按照理论分析和数据分析相结合的方式，划分出高速公路团雾的预警等级。

1 资料和方法

1.1 资 料

安徽省内高速公路沿线每间隔3 km均安装一部能见度监测仪，基本实现省内高速公路能见度监测设备全网覆盖，可监测高速公路沿线每分钟的水平能见度；江苏省内高速公路采用AWMS和智能摄像头相结合的方式，监测省内路网的逐分钟水平能见度、温度、湿度、气压、降水、风向和风速等气象数据。

本文所用的水平能见度监测数据分别由安徽省公共气象服务中心和江苏省气象服务中心提供，温度、湿度、气压、降水、风向和风速等气象数据由江苏省气象中心提供。沪宁高速公路交通事故原始数据来源于江苏省高速公路运营管理部门，其他高速公路重大交通事故数据来源于各大媒体新闻报道。

1.2 方 法

本文对高速公路团雾数据、交通数据等资料进行计算分析。根据高速公路加密的水平能见度监测数据，局地性团雾覆盖高速公路路面的长度，确定高速公路团雾的水平能见度数值和水平尺度范围。在遵照现行法规、标准、专家意见基础上，结合实况数据统计分析，确定团雾和高速公路团雾定义，在此基础上，分析它们的特征、成因、时空分布及危害程度。

基于团雾和高速公路团雾的定义，对事故多发路段团雾的AWMS气象监测数据资料与相应的高速公路交通事故数据对比分析，建立高速公路团雾与车辆交通安全性关系。分析高速公路不同水平能见度数值范围的潜在危害程度。依据车辆在不同速度、不同能见度条件下的突然紧急制动距离，同车道前后车辆的停车视距和相对安全停车距离，评估车辆在不同低能见度条件下，行驶在团雾区域内外的车辆发生交通事故的危险性大小，按水平能见度数值范围和覆盖路面长度划分高速公路团雾预警等级。

2 团雾和高速公路团雾定义的界定

2.1 团雾的定义

团雾的术语定义在气象服务领域还是相对较新的概念，一些标准、论文有所提及[16,19,24]。近些年，学者对团雾和高速公路团雾的定义相继开展过一些研究[1,9,15,25]，其中的观点分歧较大。对团雾具有局地性、范围小和突发性等特点都有共同认知，较大分歧主要集中在团雾水平尺度，从几十米到100 km的范围都有阐述；水平能见度数值分歧从0-200 m到0-500 m 的范围[16,24,26]。截至目前，学者和专家们还未对高速公路团雾的定义作出过明确的界定，通常只对团雾和高速公路团雾概念进行解释性说明，大多用团雾的概念性说明代替高速公路团雾的术语定义。本文研究发现，团雾和高速公路团雾不仅仅存在地域范围的差异，它们的内涵外延、时空分布、危害程度均存在不同之处。因而，有必要分别给出团雾和高速公路团雾的定义。

在对发生在江苏、安徽省境内的高速公路团雾天气特征、生成条件和分布等统计分析的基础上，曾于2018-2019年先后3次向全国交通、气象和相关院校近200位专家咨询和征求意见，经协商一致后，最终给出团雾定义。该定义旨在把团雾与其他雾相区别，体现出团雾的突发性、尺度小、局地性、地形影响和分布不均等特征。把团雾的术语定义确定为“具有局地性、范围小、突发性和时空分布不均等特点的悬浮在近地层大气中的大量微细水滴、冰晶等可见集合体”。

2.2 高速公路团雾的定义

由于团雾具有不规则形态、分布不均等特性，本文的团雾定义并未给出水平能见度和水平尺度范围。在团雾术语定义的基础上，依据团雾的水平尺度(按高速公路的走向)和水平能见度数值范围，界定高速公路团雾术语定义。统计了G3高速公路(加密站相互间隔3 km)近期加密站的299235组水平能见度数据，根据水平能见度数值进行分拣和计算分析。出现雾的连续相邻站点分别为1、2、3和4个观测站时，出现雾的水平尺度分别按其平均值计算，即分别按3 km、6 km、9 km和12 km计算。计算结果参见表1，再根据计算出的不同覆盖范围的强浓雾出现比率可得公式1。

表1 高速公路团雾影响站点统计

D=3×0.787+6×0.0566+9×0.0998+12×0.0566

D=4.26

(1)

据表1计算出局地性强浓雾的水平尺度为4.26 km。考虑到高速公路团雾天气对交通安全的影响，对其水平尺度4.26 km不做四舍五入，而是直接升为整数5 km，在术语定义中加以界定。只把水平尺度5 km以内的雾定义为高速公路团雾，水平尺度超过5 km的雾归为其他雾。

按照交通部门的事故资料分析，能见度小于200 m的团雾天气发生交通事故概率较高。结合现行的公安部门对高速公路低能见度的管控措施[20]，本文把高速公路上出现能见度小于200 m的团雾，界定为高速公路团雾。综合上述分析，把高速公路团雾的术语定义为“在高速公路上生成或者从周边区域扩散、移动到高速公路上，覆盖高速公路长度小于5 km、能见度小于200 m的团雾”。

3 团雾的生成条件、特征和分布

3.1 团雾的生成条件

选取江苏省沪宁高速公路2008年1月-2014年12月对交通产生较大影响的团雾天气33次，S3高速公路安徽省境内2019年1-12月监测到的团雾天气30次。统计资料均为团雾发生时段的交通站监测气象资料，能见度为团雾发生时段(团雾发生时段长度参看图2)的最小值，相对湿度为与之对应的10 min平均值，风速为对应时间的瞬时风速。对团雾天气资料统计发现，高速公路团雾通常生成于中小尺度环流系统下的山地、河谷和水网密集区。分别对团雾发生时的相对湿度、风力等气象要素统计分析，得到图1统计分析结果。从图1(a)可看出，能见度低于200 m天气发生时，相对湿度大多在90%～94%，占到总发生次数的82%，也就是相对湿度大于94%或小于90%都不利于高速公路团雾生成。从图1(b)可看出，能见度低于200 m的团雾天气大多发生在风速小于2.5 m/s的环流环境。风速大于2.5 m/s时，团雾发生的频次较低，只占到总发生次数的8%。这从侧面说明了风速越小越有利于高速公路团雾生成。以上高速公路团雾生成条件分析结果与大多学者分析结果基本一致[9-10,12,15-17]。

图1 高速公路团雾最低能见度与气象因子关系

3.2 高速公路团雾的特征

高速公路上的团雾一般覆盖路面范围比较小。从表1的统计数字看，大多团雾覆盖路面长度小于6 km，小于6 km团雾次数占到总次数的78.70%(参见表1)。高速公路团雾成团簇状分布，通常团雾外视线很好，其内水平能见度很低(通常小于200 m)。高速公路团雾的水平能见度是个快速变化的过程，高速公路团雾的持续时间相对较短。根据安徽省高速公路易发团雾路段站点统计，团雾平均持续时间一般在6 h以下(见图2)，最短的团雾维持时间仅有0.5 h，最长时长达到12.8 h，维持时间大于10 h的团雾次数占总数的8.3%。以上统计结果与部分学者的统计结果略有差别[16,27]。这可能是所选的统计站点地形、气候条件差异造成的。

图2 各站点高速公路团雾维持时间统计

从微观角度上，在某个时刻某段路上出现的一次团雾天气现象的形式上大体相同，只有水平能见度大小差别。但从宏观角度观察，每次团雾天气现象的整体形态、产生过程会有差别。通过监测分析发现，高速公路团雾的产生方式主要有3种：路面生成型、路面中心浓密型和周边扩散型。路面生成型就是在高速公路路面生成，水平能见度小于200 m，覆盖路面长度小于5 km的团雾，如图3(a)所示。路面中心浓密型是指在高速公路路面生成，中心5 km范围内水平能见度小于200 m，外围水平能见度大于或等于200 m的团雾，如图3(b)所示。周边扩散型是指大范围浓雾区从高速公路周边扩散或移动至高速公路上面，水平能见度小于200 m且覆盖路面长度小于5 km的雾(宏观上它属于其他雾)，如图3(c)所示。

图3 高速公路团雾的生成方式(a)路面生成型，(b)路面中心浓密型，(c)周边扩散型

高速公路团雾与其他雾相比具有以上显著的特征，对高速公路团雾的监测、预警比较困难，交通管理部门实施交通安全管理措施难度大，所引起的交通事故率和事故致死率都较高。

3.3 高速公路团雾时空分布情况

有关学者对大雾的时空分布特征已进行较多研究[28-30]，对高速公路团雾的研究相对较少。高速公路团雾的空间尺度小，生成于特殊地形环境下，在空间分布上表现出不均匀性，有时在相邻的两个监测站的团雾发生频次也存在明显的差异。在全国范围内，高速公路团雾天气的发生率、影响范围存在很大的差异[31]。各省高速公路团雾的分布情况很不均匀，选择年发生10次以上且排名前10的省份，比较高速公路团雾分布情况，具体见图4、图5。

图4 年发生高速公路团雾10次以上的省份

图5 年发生高速公路团雾30次以上的省份

从图中可知，年发生10次及30次以上的省市主要集中在我国西南地区。

从高速公路团雾发生的月份来看，东部省份主要发生在1-3月和10-12月；西南部省份主要发生在1-2月和10-12月；西北部省份主要发生在2-4月和9-11月；东北部省份主要发生在3-5月和9-11月；华北省份主要发生在1-3月和11-12月；中部省份主要发生在2-4月和10-12月。6-8月全国很少出现高速公路团雾路段。从高速公路团雾发生的时段看，主要集中在22时-次日08时，高速公路团雾10次以上的路段数量前10名的省份该时间段的平均发生率为78.3%。

4 高速公路团雾的分级预警

4.1 低能见度对高速公路上车辆的影响

对比有雾天气和无雾天气的行车速度、车头时距、车头间距的差别，结果发现，高速公路团雾对交通的影响，除了可能引起交通事故外，对高速公路的交通流量也会产生较大的影响。国外学者的研究也有同样的结论，水平能见度在40-100 m时对交通流的影响程度较为明显，车头时距低于2 s的车辆会增加[32]。

高速公路上按一定限速行驶车辆，其行车安全主要取决于车辆间的行车距离，这个距离能让驾驶员有充足的时间应对高速公路上的突发状况，也就是车辆安全距离。车辆安全距离是指满足安全停车需要的同车道车辆间保持的最小距离。当驾驶员发现同车道前方车辆的制动信号灯开始点亮后开始制动，制动过程一般需要3个时段：制动反应时间、车辆制动协调时间和车辆持续制动时间。车辆不发生碰撞，还要求在两者间保持一个安全刹车间隔d(d的安全值为3～5 m)。只有车辆制动过程所需总时间得到充分满足，车辆才是相对安全的。

4.2 高速公路团雾危害性分析和预警级别划分

4.2.1 高速公路团雾危害性

因高速公路团雾很难监测、预警和有效防范，经常造成高速公路交通事故。对比分析江苏省高速公路团雾水平能见度和交通事故数据发现，两者存在负的相关性，水平能见度越低事故率越高，交通事故率随能见度升高呈现递减趋势，参看图6。

图6 水平能见度与事故发生率的梯度变化

从图6可以看出，交通事故主要集中在能见度区域是15～100 m，在这一水平能见度范围内，发生交通事故的危险性较大。分析高速公路团雾天气对交通安全的影响和危害程度，可为高速公路团雾预警等级划分提供数据支撑。

4.2.2 停车视距和停车安全距离

分析团雾天气对高速公路交通安全的影响程度，有必要对高速公路团雾天气条件下，车辆发生事故的可能性大小进行评估。按照上文高速公路团雾定义，对能见度低于200 m团雾天气的风险性进行分析。当能见度<200 m、100 m和50 m时，用车辆发生事故的可能性大小，来划分高速公路团雾预警等级。据统计，团雾天气所引发的高速公路交通事故主要是车辆追尾事故，发生事故的主要原因是团雾区域外部按正常限速行驶的车辆无法与已经进入团雾区域按低能见度条件行驶的车辆保持安全的行车车距，后车的停车视距大于与同车道的前车实际行车车距，遇到前车紧急制动时，发生事故。团雾天气条件下，是否发生车辆追尾事故，主要取决于同车道前后车辆的速度、停车视距、行车车距和停车安全距离。

在高速公路团雾天气条件下，通常把停车视距作为行车安全的参考因素。停车视距是指车辆行驶时，当视线高为1.2 m、障碍物高0.1 m时，驾驶员发现前方障碍物后采取紧急制动，在障碍物前停住所需要的最短距离。通常停车视距包括反应距离、制动距离和安全距离[7]，参见公式(2)：

S=Sa+Sb+Sc

(2)

停车视距公式为

Sc为安全距离(数值范围为3～5 m)，k为制动系数,f为路面附着系数,v为车辆速度,t为反应时间。据此公式，可以计算高速公路上车辆对应的停车视距数值。基于停车视距公式计算出的停车视距和货车停车视距见表2、表3。[22]。

表2 高速公路、一级公路停车视距和货车停车视距

表3 货车停车视距

高速公路和一级公路的设计时速一般为120 km/h、100 km/h、80 km/h、60 km/h，同等条件下，货车的停车视距数值都大于停车视距数值。由于高速公路上行驶的车辆种类众多，每种型号的车辆停车视距各不相同，为了总体评估行车的安全性，选取停车视距最大的车型——货车为代表车型，对车辆行车安全性进行评估计算。考虑高速公路的坡度影响时，从表3所列的“货车停车视距”中选取相应的最大值，也就是同车道的后车行驶在下坡方向、纵坡坡度为5%，而同车道的前车行驶在下坡方向、纵坡坡度为0%的情况。

高速公路停车视距并不是水平能见度距离，而是驾驶员能够辨识前方车道上高度10 cm障碍物时制动所需要的最短距离。水平能见度是视力正常的人，在当时天气条件下，能够从天空背景中看到和辨认目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离；在夜间，是指中等强度的发光体能被看到和识别的最大距离，能见度的参照物通常会大于停车视距的参照物，因而在低能见度条件下，驾驶员能辨别前方车道上高度10 cm障碍物的能力会更加不足。

停车安全距离也是发生车辆追尾事故、连环追尾事故可能性的参考数值，停车安全距离通常为3～5 m，本文选用最大安全值5 m进行计算。

4.2.3 行车速度和行车车距

在高速公路上行驶的小型载客汽车最高车速不得超过每小时120 km，其他机动车不得超过每小时100 km，摩托车不得超过每小时80 km[22]。以货车为例，在高速公路上的最高时速按100 km/h计算。当出现高速公路上团雾天气时，已经进入团雾区域内的车辆，通常会限定速度行驶。即水平能见度低于200 m、100 m和50 m时，车辆分别按60 km/h、40 km/h和20 km/h的车速行驶。货车停车视距在下坡路段，应随坡大小进行修正，其值如表3所示。

在高速公路团雾发生时，同车道前后车的行车车距，由于受到团雾引起的低能见度影响，同车道前后车的行车车距随着能见度的数值变化而变化。当能见度低于200 m、100 m和50 m时，同车道前后车的最大行车车距分别为200 m、100 m和50 m，按照其最大行车车距分别进行计算[7,19-20]。

4.2.4 基于停车视距的风险评估

当出现高速公路团雾时，按照相应的水平能见度数值范围、同车道的前后车的最大行车车距、行车速度、停车安全距离，评估高速公路团雾路段行驶的车辆安全性。结合这几个参数，可根据高速公路团雾区域水平能见度数值，分别进行风险性评估。

当水平能见度<200 m时，假设在高速公路团雾区域外的后方车辆按规定的最高限速100 km/h的速度行驶，行驶在下坡方向、纵坡坡度为5%，同时团雾区域内的前方车辆按规定的最高限速60 km/h的速度行驶，行驶在下坡方向、纵坡坡度为0%。突遇紧急状况，两车同时紧急制动。后方停车视距为200 m，前车的停车视距为85 m，停车安全距离按5 m计算。两辆车的安全车距为120 m。

当120 m≤能见度<200 m时，如果同车道的前后车辆能够按规定保持120～200 m的车间距，此时两车实际需要的安全车距为120 m，如果按规定行车车距行驶，同车道前后车辆相对安全；当100 m≤能见度<120 m时，即使同车道的前后车辆能够按规定车速行驶，由于受到低能见度影响，两车最大可保持的行车间距小于120 m，而此时两车实际需要的安全车距为120 m，因此此时同车道前后车辆相对不安全。加之驾驶人面对突然出现的团雾低能见度，有可能产生较大视觉障碍和心理影响，易引发高速公路交通事故。

当水平能见度<100 m时，假设在高速公路团雾区域外的后方车辆按规定的最高限速100 km/h的速度行驶，行驶在下坡方向、纵坡坡度为5%，同时团雾区域内的前方车辆按规定的最高限速40 km/h的速度行驶，行驶在下坡方向、纵坡坡度为0%。突遇紧急状况，两车同时紧急制动。后方停车视距为200 m，前车的停车视距为50 m，停车安全距离按5 m计算。两辆车的安全车距为155 m。

所以，当能见度<100 m时，即使同车道的前后车辆能够按规定车速行驶，由于受到低能见度影响，两车最大可保持的行车间距<100 m。而此时两车实际需要的安全车距为155 m，大于最大可保持的行车车距，增大了同车道追尾的风险。

当水平能见度<50 m时，假设在高速公路团雾区域外的后方车辆按规定的最高限速100 km/h的速度行驶，行驶在下坡方向、纵坡坡度为5%，同时团雾区域内的前方车辆按规定的最高限速20 km/h的速度行驶，行驶在下坡方向、纵坡坡度为0%。突遇紧急状况，两车同时紧急制动。后方停车视距为200 m，前车的停车视距为20 m，停车安全距离按5 m计算。两辆车的安全车距为185 m。

所以，当能见度<50 m时，即使同车道的前后车辆能够按规定车速行驶，由于受到低能见度影响，两车只能保持的行车间距小于50 m。如果同车道的前后车辆保持50 m的行车间距，当后车发现雾区内的前车时，需要的安全车距为185 m，该数值远大于50 m行车车距，此时极容易引发高速公路交通事故。

4.2.5 预警级别划分

基于团雾和高速公路团雾的术语定义，分析了高速公路团雾特征、分布和危害性。在分析高速公路团雾水平能见度与高速公路交通事故相关性基础上，对最大行车车距、安全车距、行车速度和停车安全距离的关系进行分析，结合停车视距理论和计算公式，对可能造成的交通事故的危险性进行评估。依据以上分析和评估结果，按照水平能见度、水平尺度的数值范围，把高速公路团雾预警等级划分为3个级别，具体划分指标参见表4。由于高速公路团雾未来演变趋势具有不确定性，在较短的时间内，团雾的覆盖范围和水平能见度均可能出现较大的变化，为更加准确及时提供团雾预警服务，应根据覆盖范围和水平能见度变化趋势，间隔0.5～6.0 h对高速公路团雾预警等级作出相应预警等级升、降级服务。

表4 高速公路团雾预警等级

5 总结与讨论

当高速公路某路段发生团雾时，对行驶到该路段的车辆安全是否产生影响，需要对该路段交通事故的可能性进行分析。当车辆所在路段出现团雾时，如果D

我国高速公路团雾呈现逐年增多态势。为进一步提升高速公路运营效率，减少交通事故，建议相关部门密切合作，利用高速公路现有和即将建成的智能摄像头设备，借鉴江苏、安徽等省的经验，开发24 h全天候能见度监测、预警系统。建议在我国高速公路团雾天气多发区域内，每0.5 km安装1部摄像头监测设备，或者每1 km安装1部能见度监测设备,建成以智能摄像头监测为主，气象能见度仪为辅的高速公路团雾天气监测、预报预警平台。高速公路交通运营、安全管理部门和气象服务部门按照各自职责，及时监测高速公路团雾天气，多渠道快速发出预警信息，可提高通行效率，保障高速公路交通安全。