貴州高速公路交通氣象監測系統的初步應用研究

唐延婧 宋 丹 柳艷香 裴興云

1. 貴州省氣象服務中心，貴陽 550002

2. 中國氣象局公共服務中心，北京 100010

0 引 言

高速公路上的交通運輸是一對氣象高度敏感的行業，在很大程度上受氣象因素的制約而不能實現其快速、高效、安全的目標。隨著國家經濟與城市化的快速發展，由氣象條件引起的高速公路交通安全問題日益突出。統計表明，高速公路上因惡劣天氣造成的交通事故大約占總事故的1/4左右。交通部門和司乘人員都對出行天氣和路況信息越來越關注，這對交通氣象安全保障工作提出了更高的要求。

建設穩定可靠的高速公路氣象災害監測系統是交通氣象安全保障的有效手段。許多發達國家早在20世紀 80年代就進行了高速公路交通氣象監測系統研究，建立了較為完備的高速公路交通氣象監測系統[1-2]。我國高速公路交通氣象監測系統研究與應用工作起步較晚，近年來率先在國內一些發達地區，如江蘇、安徽、山東、京津塘地區陸續開展。總的來說，國內交通氣象監測資料應用大多處在基礎研究階段，應用效果分析方面研究較少。李迅[3]等對高速公路氣象監測站的應用效果從宏觀上開展了研究分析，但具體到山區復雜氣象條件下的應用效果尚缺乏認識。

地處高原山區的貴州省，立體氣候明顯，道路形態復雜，是全國14個預防重特大道路交通事故的重點省份之一。霧和凝凍是貴州最為典型的高速公路高影響天氣，且有很強的局地性特征，有針對性的高速公路交通氣象監測顯得尤為重要。貴州省的交通氣象監測起步較晚，經過2013-2014年的快速發展，貴州高速公路交通氣象監測系統初步建成并投入使用，本文就其做了簡要介紹，并初步探討交通氣象監測系統在以貴州為代表的多霧多凝凍地區的應用效果，以期對相關業務應用和技術研究提供參考。

1 貴州高速公路交通氣象監測系統簡介

1.1 系統概述

及時、準確的交通氣象監測信息，是交通管理部門、高速公路養護部門、司乘人員的關注焦點。交通氣象災害信息的有效傳達和提前預警，是交通氣象監測系統需要達成的主要目標。貴州高速公路氣象監測系統，旨在提供及時、準確的路況和氣象信息，向交通管理部門及高速公路司乘人員提供決策和出行參考，從而保障高速公路運營安全。初步建成的貴州高速公路氣象監測系統，依托貴州高速公路交通氣象監測網，實現了貴州各類交通相關的氣象監測數據的監測和采集，以GIS形式顯示、查詢，并根據監測要素對交通的影響程度作出實時分級報警，此外還實現了交通氣象預報信息的實時發布。交通氣象信息監控和交通氣象預報是貴州高速公路氣象監測系統最為主要的兩個功能。

1.2 貴州高速公路氣象監測系統的構成

貴州高速公路氣象監測系統由交通氣象監測網、監控管理中心、基于GIS的高速公路交通氣象服務網站構成。

交通氣象監測網實現對天氣變化、路面狀況、空氣環境的實時監控，是貴州高速公路交通氣象監測系統的基礎。貴州省的交通氣象監測網以分布在主要高速公路沿線的52套交通氣象監測站為主（見圖1）。交通氣象監測站的數據監控形式，布設選址，都從貴州高原山區多霧和凝凍災害的特點出發，設定為對能見度、路面狀況等多個交通氣象要素進行連續監測，并在這兩種氣象災害多發路段重點布設。此外，交通氣象監測網還包括了高速公路沿線3公里以內的300多個兩要素自動氣象站和貴州省境內84個縣級以上多要素常規自動氣象觀測站，這些氣象站點監測的氣象信息，為交通氣象監測站提供了背景參考及必要補充。

圖1 貴州省交通氣象監測站分布(2014)Fig.1 Distribution of traffic weather stations of Guizhou (2014)

監控管理中心實現高速公路交通氣象監測站的組網和監控管理功能。貴州的高速公路交通氣象系統，主要通過GPRS/CDMA/3G等無線通信方式與監控管理中心建立聯系：監控管理中心實時采集監控數據，傳輸到聯網數據庫內以便業務應用；同時監控各個交通氣象監測站的運行情況。

基于GIS的高速公路交通氣象服務網，實現了監測數據的實時顯示、查詢、分級報警功能，以及交通氣象信息的發布功能，是貴州高速公路交通氣象監測系統功能實現的載體，是交通氣象服務的業務窗口。網站調取聯網數據庫的交通氣象監測數據，并融合了其他氣象站監測的氣象信息；網站不僅提供某高速路段過去、當前的天氣狀況這些最受關注的信息，還及時提供監控要素的分級報警，以及交通氣象預報，這些產品更有利于交通管理部門和高速公路使用者做出決策和判斷。

1.3 貴州高速公路交通氣象系統的主要功能

貴州高速公路交通氣象信息監控系統投入業務應用中的主要功能為交通氣象信息監控和交通氣象預報。

1.3.1 交通氣象信息監控功能

貴州高速公路交通氣象信息監控系統除具備顯示、查詢監控數據的基本功能外，更重要的是交通氣象信息監控功能。交通氣象監測數據都是量化的數值，非專業人士通常對各數值缺乏直觀的理解，無法做出判斷和決策，從而影響監控數據的應用效果。因此，為直觀表示氣象災害對高速公路運營的實際影響程度，系統對關鍵監測信息進行分級預警研究，制定了適用于多霧多凝凍的高原山區的交通氣象分級預警劃分標準。

分級預警劃分標準采取對監測要素值進行簡單的閾值判斷方法，以保證對連續傳輸數據的快速判斷。分級預警判斷包括了能見度（見表 1）、相對濕度、降雨量、路面溫度、氣溫、瞬時風速這幾項監測要素，直接反應低能見度、暴雨、高溫、大風這幾個氣象災害的危害程度。其中能見度要素的連續監測和分級預警，在貴州這樣的多霧多凝凍高原山區倍受關注。標準的劃分緊扣道路和天氣特點，以能見度分級預警劃分標準（表1）為例。在高速公路上，能見度500 m以上，對高速公路交通通行幾乎沒有影響；能見度小于200 m，交通部門就應對車輛實行限速；貴州的高速公路穿行于山間，地形環境復雜，多橋梁、隧道、彎道等，高速路段能見度小于100 m，就有發生追尾事故的風險。因此，當能見度小于100 m，視為當前路段發生了對交通嚴重影響的低能見度天氣，提示最高級別的“紅色”能見度預警。

表1 能見度分級預警劃分Tab.1 Visibility warning classification

實時傳輸、顯示的交通氣象監測信息，通過分級預警標準判斷，在交通氣象服務系統的網頁以語音、文字、站點閃爍這些更符合用戶體驗的方式，提示相應氣象災害發生的位置、等級。通過分級預警標準，使得交通氣象監控信息從數字轉化為直觀的氣象災害影響程度，提高了監控信息傳達的有效性，為決策和服務提供了有力參考。

1.3.2 交通氣象預報

高速公路交通的高影響天氣在貴州地區主要有霧（低能見度）、凝凍、高溫、降雨、冰雹、大風等，其中霧和凝凍對高速交通的影響最大并有明顯地域特點。了解未來高速公路上會有哪些高影響天氣，以及出現的時間地點，也是交通部門，司乘人員關注點之一。對這些天氣的預報預警，需要精細、客觀的預報方法作為支撐，是交通氣象服務的技術核心和研究難點。

貴州交通氣象預報早在交通氣象監測系統建成之前就已經開始，但各種交通氣象預報產品都以常規大范圍氣象預報的技術和思路為基礎。在系統建成后，交通氣象預報在制作、展示上，都以GIS技術為基礎，增加了影響路段圖示的產品更為直觀。此外，還增加了能見度、風、降水量等氣象要素的預報，以及交通氣象日報、交通氣象預警等產品，較之前更為豐富。預報技術上引入了EC細網格預報產品作為精細、客觀預報方法。此外，將地質災害、低能見度的預報模型集成到預報系統中，形成客觀可行的預報產品，邁出精細、客觀的交通氣象服務的第一步。

從貴州高速公路交通氣象監測系統的主要功能概述可看出，交通氣象監測網采集的監控數據是保障系統功能的基礎，也是提高系統功能的關鍵，交通氣象監測數據的適用性直接決定了系統的應用效果。下面詳細討論貴州高速公路交通氣象監測網的適用性。

2 貴州高速公路交通氣象監測網的適用性

貴州高速公路交通氣象監測網的主要構成——交通氣象監測站。監測站由各類氣象傳感器、數據采集平臺、電源、通訊部件、風桿及支架等部分組成，主要負責實時采集該站環境的能見度、風向、風速、溫度、濕度、雨量等氣象數據，以及路面狀況、路面溫度、路基溫度等路況信息。數據都為數值形式，其中路面狀況的數據最終解析為對應的文字形式，如“潮濕、結冰”等等。觀測頻次都為 1 min，達到了連續監測的要求。

交通氣象監測站的主要功能就是采集數據，其數據的代表性、準確性及應用價值挖掘等是檢驗儀器適用性最直接的指標。在文獻[3]中提出了交通氣象監測站的客觀適用性分析指標體系，本文以此為參考，從以下兩方面對貴州高速公路交通氣象監測網的適用性進行考察。

2.1 交通氣象監測網的布設

貴州交通氣象監測站的站點分布，結合貴州的高原山區的天氣氣候特點進行了分析和選擇。根據2014年進行的貴州省交通行業氣象服務影響調查評估結果，貴州高原山區的高速公路高影響天氣主要為凝凍和低能見度，其中凝凍是貴州特有的高速公路高影響天氣，它對高海拔高速道路形態的影響較為明顯，貴州高海拔地區、橋梁、隧道口都是凝凍監測的布設重點；低能見度天氣在貴州山區存在時空分布不均，多局地性小尺度低能見度天氣有難于撲捉的特點，需要在高速公路沿線進行密集布設，連續監測才能達到監控目的。

從圖1可見，在貴州境內的交通氣象站分布仍非常稀少，遠不能夠達到密集布設的要求。由于建站規模的限制，貴州高速公路沿線的交通氣象站布設，在考慮高影響天氣易發點的同時，還考慮一定的監測范圍，高速公路的使用效率，重點布設氣象災害隱患點，以最大程度發揮交通氣象站的監控效率。最先由氣象部門建設的12套交通氣象站，在布設時主要考慮了貴州凝凍和低能見度多發的地點，而沒有考慮高速公路的適用性，以至重點布設的梅花山地區并非重點行車路段，行經車輛不多，安全保障效果和經濟效益不高。之后與交通部門合作建設了40套交通氣象站，以前期高速公路氣象災害風險普查結果作為選址依據，在易霧和易凝凍路段重點布設，有很大部分交通氣象站布設在橋梁、隧道這些特殊路段上，覆蓋了省內大部分主要高速路段。通過雙方合作，充分考慮災害隱患點的交通站布設更加合理，利于在高速公路運營安全保障工作中發揮更大作用。

2.2 交通氣象監測網的數據質量及應用效果

與重點關注的高影響天氣，如凝凍、低能見度，相關聯的氣象要素主要為路面狀況、路面溫度、降水量、能見度、濕度這幾項。下面就路面狀況、路面溫度、能見度這幾項關鍵監控數據的質量和應用研究展開討論。

2.2.1 路面狀況

路面狀況，顯示路面干燥、潮濕、危險濕、積水、結冰等狀態，是唯一以文字形式顯示的監測要素，也是高速公路路況信息最直觀的體現。因此，路面狀況的數據質量，直接影響交通氣象站的適用性。但是，從貴州高速公路交通氣象監測系統投入使用以來，發現有的交通氣象站監測的路面狀況不準確，如在無降雨的天氣出現“雪”等天氣現象。路面狀況由交通氣象站的路面狀況傳感器來監測和傳輸。傳感器自身要用到路基溫度和水膜厚度等原始數據，間接計算路面狀況，對儀器的靈敏度、準確性要求較高，且通過計算得到的間接值更易出錯。

研究表明，可運用狀態允許值檢查、狀態連續性檢查、內部一致性檢查、氣象要素的空間一致性檢查、數據完整性檢查和人為識別的方法[5]，來檢驗和矯正路面狀況這項監測要素。此外，影響路面狀況的氣象因子主要是降水和氣溫。在實際應用中，對路面狀況通過結合路面溫度、降水等監控數據，可以快速準確的判斷路面狀況的正確與否。如路面狀況顯示“結冰”時，路面溫度>0℃，則可判斷路面狀況數據出錯。

貴州高速公路交通氣象監測系統初步應用表明，準確的路面狀況為高速交通出行安全提供了有效信息，但受數據質量不高的影響，其應用效果還不能達到預期。

2.2.2 路面溫度

宋榕華....................................................................................................................................................................科萊恩大中華區可持續發展及管理事務總監

路面溫度也是對路面狀況的反應，貴州高速公路交通氣象系統投入使用之后，其數據質量可靠，工作人員可直觀判斷路面溫度對行車安全的影響。

路面溫度監測為路面溫度與氣溫之間關系的認識和研究提供了第一手資料。氣象觀測的氣溫為空氣溫度，道路上由于路面質體不同，路面溫度普遍較氣溫偏高。晴天的白天的路面溫度可能與氣溫相差 20多°C（圖 2），冬季陰雨天氣溫與路溫的差別較小，但仍可看出差異。路面溫度與氣溫是不可相互替代的。

圖2 不同天空狀況、不同季節下交通氣象站監測的氣溫與路溫Fig.2 Air and pavement temperatures monitored by the traffic weather stations in different weather conditions and seasons

路面溫度在實際應用中大大提高了高速公路交通氣象系統的功效。在貴州高速公路交通氣象系統投入使用之前，以氣溫冰點來判斷路面結冰與否，會出現路面結冰范圍預報偏大、程度偏重的偏差；以氣象站的氣溫來判斷路面的高溫情況，則往往出現對高速路面高溫范圍、程度估計不足的情況。在貴州高速公路交通氣象監測系統的初步運用中，以路面溫度來做路面結冰的狀態判別和預報，使道路結冰監測和預報更切合實際；夏季晴熱天氣里，路面溫度更能直接反應高速公路上高溫的實際狀況。

2.2.3 能見度

貴州山區多霧、雨霧等低能見度天氣，且受地形環境影響明顯，在秋、冬、春季都是頻繁發生的高速公路高影響天氣，且由于時空分布不均，監測和預報都很困難。交通氣象站的高頻次能見度監測顯得尤為重要。

從1分鐘頻次的交通站監測能見度數據來看，其變化比較快，常有震蕩和突升突降的情況（圖 3）。在數據質量考察中，發現能見度的震蕩和突變可能是由于傳感器受到干擾而出現的，但也可能是能見度迅速變化的真實反應。如何區分這兩種情況，是能見度監測數據應用中的最大困擾。

圖3 2013-5-17—2013-5-18的一次低能見度過程Fig.3 Low visibility processes form 2013-5-17 to 2013-5-18

因此，在交通氣象站能見度監測數據解讀時最好結合天氣背景、相對濕度數據等來區分虛假信號和真實的低能見度天氣。霧引起的低能見度天氣，一般相對濕度在91%以上，雨霧引起的相對濕度在99%以上且有弱降水。而較大范圍的低能見度天氣，周圍交通氣象站、常規氣象站也有可能出現低能見度天氣，衛星云圖上顯示有云（霧）區。但對單點局地的低能見度天氣出現的可能性判別，則需要結合天氣條件和能見度數據的連續變化情況來解讀。文獻[6]指出，“掌握低能見度天氣的背景、演變特征后，做好提前半小時左右的低能見度天氣臨近預警是可行的”。

3 貴州高速公路交通氣象監測系統初步應用中的問題及討論

3.1 交通氣象監測網的應用問題

（1）貴州交通氣象監測站在布設密度上遠遠不夠，一些新建路段甚至沒有交通氣象監測站，未來仍需增加交通氣象監測站建設。

（2）除上文提到的交通氣象監測站傳感器受到干擾影響數據質量的情況外，還存在個別監測站數據接收不正常，或儀器故障導致數據缺測或錯誤的情況。因此，需要跟進交通氣象監測站的維護，以保障交通氣象監測網穩定運行。

（3）從對貴州高速公路交通氣象監測網的適用性討論中，發現數據應用在實況監測，開發初級產品和科研項目三個方面都有涉及，但不同類型的數據應用效果和開發程度不同。如能見度數據的應用在三個方面都有涉及，路面溫度通過分級預警劃分開發了初級產品，而路面狀況數據目前僅應用在實況監控方面。大部分監測數據缺少深度挖掘，沒有針對交通用戶生成專業指導產品，監測數據的價值沒有得到完全體現。通過針對性的深入研究，可挖掘更多數據的應用價值。

3.2 交通氣象信息監控功能存在的問題

（1）提高交通氣象信息監控功能，最先要保障監測數據質量。根據前文分析發展數據質量控制方法，糾正、排除錯誤數據，提高數據質量，能夠提高交通氣象信息監控的功能。

（2）分級預警劃分僅針對單個要素，對如凝凍等需要多個氣象要素來進行綜合考察的氣象災害，分級預警方法就不適用，使得貴州高速公路交通氣象監測系統在凝凍監測上沒有發揮功效。未來根據凝凍天氣特點，設計綜合的分級預警方法是可行的。

3.3 交通氣象預報存在的問題

（1）交通氣象監測資料準確反映高速交通氣象狀況，監測要素、頻次都非常適于用在高速公路高影響天氣的預報及研究。但在系統初步應用中，監測資料在高速公路高影響天氣的預報方面運用并不多，主要因為：貴州高速公路交通氣象監測網建成時間不長，資料積累不夠多；連續監測的海量數據在質量檢測、數據處理上都要求較高；交通氣象監測數據揭示了貴州山區高速公路在氣象環境上與常規氣象站的差異較大，其特征有待總結。

（2）交通氣象預報的關鍵在于與高速公路交通特點的耦合。一方面，高速公路的環境與常規氣象站點的差異很大，在山區地形起伏，植被差異都會對天氣產生影響，使得貴州省的交通氣象預報必須要與精細化的地形地貌、道路形態等復雜因素相結合，而不適用于大范圍的天氣形勢預報方法。另一方面，考慮氣象要素和路面要素的相互作用，如道路車流狀況差異引起的路面溫度變化等等，仍是研究的難點。

未來經過幾年交通氣象觀測資料的積累，結合貴州高速公路地理信息，可更深入的開展高速公路交通氣象的預測預報技術的研究，如預報道面結冰、積水等，以做出適用于貴州山區的交通氣象高影響天氣預報模型。

4 結 論

初步建成的貴州高速公路氣象監測系統，依托貴州高速公路交通氣象監測網，實現了交通氣象監測數據的監測和采集，以GIS形式顯示、查詢、分級預警，以及交通氣象預報實時發布。本文主要討論了貴州高速公路氣象監測系統的功能實現、交通氣象監測數據的質量適用性及初步應用中的問題。

（1）交通氣象信息監控和交通氣象預報是貴州高速公路氣象監測系統最為主要的兩個功能。交通氣象信息監控通過適用貴州高原山區的分級預警劃分，采取對監測要素值進行簡單的閾值判斷方法，通過多種符合用戶體驗的方式提示預警，提高了監控信息有效性。交通氣象預報在形式、內容、適用性上都有提高。預報技術上引入了精細、客觀預報方法，集成了預報模型，邁出精細、客觀的交通氣象服務的第一步。

（2）交通氣象監測站的站點分布，結合貴州多霧多凝凍的天氣氣候特點，重點布設氣象災害隱患點，最大程度發揮交通氣象站的監控效率。

（3）以路面狀況、路面溫度、能見度這幾項為例，討論貴州高速公路交通氣象站監測數據的質量和應用效果：路面狀況數據質量不高，可通過一定方法，結合氣溫、降水的監控數據來進行判斷。路面溫度與氣溫不可相互替代，運用監測的路面溫度可使交通氣象預報更切合實際。能見度監測資料結合天氣背景、相對濕度數據、能見度的連續變化等，可區分虛假信號和真實的低能見度天氣。連續能見度監測使用以來對低能見度天氣發生規律有了不同認識，提高低能見度天氣監測、預警的效率和準確程度，在科研上有重要作用。

（4）交通氣象監控網的應用存在問題為：貴州高速公路交通氣象監測網布設不夠，需增加交通氣象監測站建設；監測站常見數據接收不正常，或儀器故障，需跟進交通氣象監測站的維護；數據缺少深度挖掘應用價值，需進行針對性的深入研究。

（5）交通氣象監控功能存在的問題為：要保障監測數據質量，需發展數據質量控制方法來提高數據質量；分級預警方法不適用多要素綜合考察的如凝凍災害，需設計綜合的分級預警方法。

（6）交通氣象預報方面存在的問題為：監測資料在高速公路高影響天氣的預報方面運用不多；與貴州高原山區高速公路交通特點的耦合不夠。未來經過幾年交通氣象觀測資料的積累，結合貴州高速公路地理信息，可更深入開展高速公路交通氣象的預測預報技術研究。

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