吉鳳茶高速公路氣象要素特征分析

鄭福維，肖 健，卿湘濤，謝宇楓，張丹丹

(1.湘西州氣象局，湖南 吉首 416000； 2.衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421000；3.湖南省高速公路警察局 湘西支隊，湖南 吉首 416000)

?

吉鳳茶高速公路氣象要素特征分析

鄭福維1，肖 健2，卿湘濤1，謝宇楓3，張丹丹1

(1.湘西州氣象局，湖南 吉首 416000； 2.衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421000；3.湖南省高速公路警察局 湘西支隊，湖南 吉首 416000)

高速公路小氣侯與交通事故發生量有一定關聯性。利用吉首-鳳凰、吉首-茶洞(簡稱吉鳳茶)兩條高速公路的4個自動氣象站18個月實測資料，高速公路警察2012年4月—2015年6月目測天氣信息資料，以及1960—2012年吉首、花垣、鳳凰三縣(市)的年霧日數資料，采用數理統計和Morlet小波方法分析了吉鳳茶高速公路小氣候和交通事故的相關關系。研究表明：影響吉鳳茶高速公路安全的主要氣象因素是大霧和結冰。大霧天氣能見度很低，容易發生車輛追尾和撞擊交通事故；結冰天氣道路濕滑，容易發生翻車、漂移、追尾等交通事故。兩條高速公路所處區域霧日數變化規律為：花垣有準32 a的大周期和準3 a的小周期，吉首有準2、4 a小周期，鳳凰有準4 a的小周期。

交通工程；氣象；大霧；結冰；交通安全；交通事故

0 引 言

隨著全球氣候變暖，極地冰川大量融化，厄爾尼諾現象出現頻率增大、強度加強，暴雨洪澇、高溫干旱等極端天氣事件日益增多。建立完善的道路氣象信息監測系統，采取有效的交通應對措施能有效降低氣象災害對高速公路的損害程度。芬蘭、美國和日本等國都建有比較完備的系統，能夠及時監測路面天氣現象，通過數據處理分析得出未來天氣對道路運行可能產生的影響，并提出應對措施[1-2]。歐洲的丹麥、瑞典、瑞士等國在20世紀80年代就已經建立了手動實時預報系統[3]。

國內學者對高速公路氣象也展開了研究。湯筠筠等[4]用熱譜地圖以冰雪霧天氣為對象研究了京沈高速公路氣象監測實驗系統；孟憲群[5]從結構方程模型視角進行了氣象服務研究；孫洪運等[6]基于通行能力、車速、車流量三要素界定了惡劣天氣事件范圍；王景紅等[7]在修建西漢高速時建立了15個五要素自動氣象站，進行保障高速公路建設氣象服務的研究；楊亞新等[8]對霧、雨、雪、風等氣象災害進行監測，建立了判別指標。

湖南鳳凰縣古城是國內外聞名遐邇的生態文化旅游景區，茶洞鎮位于湘渝黔三省交界處，是著名作家沈從文代表作《邊城》的發源地。近年來，隨著湘西旅游業的迅猛發展，每年來湘西的國內外游客數量接近1 000萬人次，導致交通安全事故的發生量也逐漸增多起來。為了做好吉首-鳳凰、吉首-茶洞(簡稱吉鳳茶)兩條高速公路交通旅游氣象保障工作，由中國氣象局和湘西州政府投資建立了4個多要素自動氣象站，用于研究吉鳳茶高速公路所處區域氣候情況。

筆者分析了吉鳳茶高速公路多項氣象要素特征，從多要素角度探究了氣象因素對吉鳳茶兩條高速公路交通安全的影響。

1 氣象資料與觀測儀器

1.1 研究區域概況

吉首-茶洞高速公路于2012年4月1日開通，主線全長65 km；吉首-鳳凰高速公路于2012年9月29日開通，路線全長39 km，形成了湘西兩條旅游大動脈。隨著交通流的增加，吉-鳳、吉-茶這兩條路段車禍總次數呈逐年增多趨勢。根據湖南高速公路警察局湘西支隊提供的數據，吉-鳳、吉-茶兩條路段發生車禍數：2012年147起，2013年231起，2014年440起，2015年1—5月發生了440起。導致高速公路車禍的因素很多，如高速公路上車輛多、車速快，以及超速、超限、超載、打滑、側滑、爆胎、疲勞駕駛等。此外，高速公路的小氣候也是因素之一，筆者就此進行研究分析。

1.2 湘西州高速公路氣象站建設情況

湘西州氣象局依據氣象學原理，通過實地勘察及分析，選擇在吉首矮寨大橋頭、鳳凰、花垣、永順澤家的高速公路服務站4個地點建立自動氣象觀測站，用于監測兩條高速公路的氣象因素。吉首市矮寨特大懸索橋站九要素包括：能見度、溫度、濕度、風向、風速、路溫、雨量、道面狀況、天氣現象。鳳凰、花垣、永順服務站七要素包括：能見度、溫度、濕度、風向、風速、路面溫度、雨量。

監測系統設備由采集器、傳感器、存儲服務器(軟硬件)、顯示器等4部分組成。監測氣象儀器的采集器、傳感器設備是由江蘇省無線電科學研究有限公司研發生產和進口的，傳輸方式采用RS-232無線通信，數據存儲量達2個月的分鐘數據。儀器型號為：數據采集系統WUSH-BH，溫濕度傳感器DHC2，風速傳感器ZQZ-TFS，風向傳感器ZQZ-TFX，雙翻斗雨量傳感器SL3-1，埋入式路面溫度傳感器ZQZ-TW120，路基溫度傳感器ZQZ-TW100，路面狀況傳感器IRS31(芬蘭進口)，能見度傳感器PWD20(芬蘭VAISALA公司)，無線通信模塊H7118。

通過自動氣象站監測取得的豐富而全面的實況信息資料(以下簡稱“湘西氣象局觀測數據”)，對當地天氣預報員驗證預報結論、總結預報經驗、提高天氣預報技能大有幫助。

2 氣象要素和氣象交通相關分析

2.1 吉鳳茶高速公路小氣候

湘西州氣象局于2014年1月—2015年6月，在吉鳳茶高速公路矮寨大橋頭、鳳凰高速服務區、花垣高速服務區、永順澤家高速服務區自動氣象站觀測的風向特征數據見表1。

表1 風向特征Table 1 Wind direction characteristics

2.1.1 最大風速Vmax

通過對自動氣象站觀測風速資料的分析，最大風速Vmax出現在吉首矮寨大橋，2015年5月1日為15.7 m/s。從自動站觀測和對交通警察、村民調查情況來看，2012—2015年3年來高速公路沒有出現過一次瞬時及時長2 min風速超過17.0 m/s的大風災害性天氣。

2.1.2 路基溫度

1) 路基最高溫度：根據觀測的結果來看，吉鳳茶高速公路路基年度最高溫度值最大值為50.1 ℃，最小值為35.1 ℃。

2) 路基最低溫度：根據湘西氣象局觀測數據，路基溫度≤0 ℃出現次數如表2，觀測頻率為每10 min觀測一次。

表2 路基溫度Table 2 Roadbed temperature

2.1.3 霧日時空分布的數理統計和Morlet小波分析

凡是大氣中因懸浮的水汽凝結，能見度低于1 000 m時，氣象學稱這種天氣現象為霧。水平能見度200～500 m的稱為大霧，50～200 m的稱為濃霧，50 m以下的稱為強濃霧。

從湘西氣象局觀測數據(圖1)可看出，兩條高速公路在2014年1月1日—2015年6月30日期間，共出現能見度<1 000 m的霧281次。矮寨大橋出現霧最多，高達100次，鳳凰出現霧最少，僅9次。

圖1 2014-01-01—2015-06-30 4站霧日數Fig. 1 Fog days at four stations from Jan.1，2014 to Jun.30，2015

圖2為取自湘西州氣象局2014年12月—2015年7月在吉鳳茶高速公路矮寨大橋頭觀測的霧天數據。

圖2 2014年12月—2015年7月能見度觀測數據Fig. 2 Observed data of visibility from Dec.2014 to July 2015

從圖2(a)可以看出，2015年2月14日—4月4日吉茶高速矮寨大橋路段50 m以下能見度濃霧出現了5次；由圖2(b)可以看出，2014年12月29日—2015年7月2日50～100 m濃霧出現了86次；大霧時間主要出現在春冬兩季，春季大霧最多。這是因為春季雨水多，濕度大，高速公路灰塵多，形成的凝結核較多，夜間路面熱量散失，溫度下降，加上多高山峽谷特殊地形地貌，兩條高速公路極易形成濃霧。

由于4個自動氣象站觀測的時間較短，不能很好地代表吉鳳茶兩條高速公路濃霧的狀況。為了彌補氣象資料短少的缺憾，筆者采用1960—2012年的吉首、花垣、鳳凰三縣(市)濃霧氣象資料(圖3)進行Morlet小波分析。

圖3(a)顯示，吉首存在2 a和準4 a的周期。圖中，陰影區域為通過顯著性檢驗區域，周期明顯，1960—1966、1986—1991年存在準4 a的周期，1986—1988年存在2 a的周期。

圖3(b)顯示，鳳凰存在準4 a的周期，從通過顯著性檢驗區域來看，1960—1967、1984—1992年存在3 a和準4 a的周期。

圖3(c)顯示，花垣于1964—1966、1985—1992年存在3 a周期，周期通過顯著性檢驗非常明顯。

從圖3可以推斷出吉鳳茶兩條高速公路霧日52 a的變化規律，得到主要結論：吉鳳茶高速公路的霧日變化以準4 a為一個演變周期，花垣有一個32 a的大周期，故而能夠得出吉鳳茶高速公路的霧日氣候特征。從以上的演變周期進行相似法類推，可以模擬出未來年份的霧日氣候概況。

圖3 1960—2012年吉首、鳳凰、花垣霧日小波分析Fig. 3 Wavelet analysis on fog days in Jishou，Fenghuang and Huayuan from 1960 to 2012

2.1.4 天氣現象、濕度、道面狀況

1) 天氣現象。通過綜合統計4套多要素自動氣象觀測站的資料及湘西高速交警支隊鳳凰大隊和乾州大隊提供的目測資料，得到結果：降雨、大雨-暴雨18次，50～100 mm暴雨4次，霧281次，積雪2次，結冰1次，其他如雨夾雪、冰粒、霜、冰雹、雷暴等均有出現。

2) 濕度。早晚高，白天低。

3) 道面狀況。干燥、潮濕、積水，結冰(交警目測)。

2.2 氣象因素與高速公路交通安全關系分析

2.2.1 不同氣象條件下交通事故

表3為湘西高速交警支隊提供的2012—2015年在吉鳳茶高速公路發生較大交通事故統計資料。

表3 2012—2015年事故統計Table 3 Summary of traffic accidents from 2012 to 2015

2.2.2 白晝和夜間

從表3可看出，白天出現事故20次，夜間出現40次，夜間出現事故次數比白天多一倍。由此可得出疲勞駕駛和夜間低能見度是高速公路交通事故發生的高峰期的結論。

2.2.3 氣溫影響

2014年1月—2015年6月，矮寨大橋站氣溫35.8 ℃，鳳凰交通站氣溫36.2 ℃，澤家站氣溫36.7 ℃，花垣交通站氣溫35.7 ℃。兩條高速公路最高氣溫都在35 ℃以上，達到高溫黃色預警級別。瀝青混合物材料的彈性模量和黏性系數都因溫度升高而減小[9]。當路面溫度較高(>50 ℃)時，瀝青路面的永久性變形量急劇增加，50～60 ℃時車轍發展更加明顯而迅速，當路面溫度>72 ℃時，將發生車輪爆胎現象，非常危險，要注意防范。

低溫結冰使高速公路路面變得濕滑，附著力系數下降，車輪容易打滑，方向盤失控，發生翻車、漂移、追尾等交通事故。2015年2月1日，矮寨大橋氣溫最低為-2.7 ℃，路面有結冰。而在前一天，1月31日凌晨06：59，矮寨大橋上發生了一起車毀死3人的重大交通事故，當天最低氣溫為-2.0 ℃，下著0.3 mm的雨夾雪。所以低溫雨雪天氣也是高速公路的一大殺手，要特別提防，及時消除路面結冰是當務之急。

2.2.4 霧日數影響

湘西地區多高山峽谷，經常雨霧繚繞。世界跨高第一的矮寨大橋下是地勢險峻大峽谷，經常出現團霧。由于連續陰雨，天氣一旦放晴，在微風、高濕的情況下，出現濃霧的機率非常高。矮寨大橋的團霧來得快，去得也快。早晨時段容易出現大霧，兩條高速公路自2014年1月—2015年6月18個月內共出現霧日數281次，鳳凰霧日數最少，只有9次。2013年2月5日19：45在包-茂湖南段(花垣縣麻栗場附近)出現大霧，導致死亡1人的重大交通事故。所以，應根據能見度的不同，采取不同的管制措施。

2.2.5 降水影響

矮寨大橋和鳳凰先后出現了18次大雨和暴雨天氣，24 h降水量量級均小于100 mm，沒有發生一次較大交通事故。降水危害有3點：① 大雨、暴雨天氣容易引起道路大量積水，摩擦系數降低，引發側滑、橫滑現象；② 能見度急劇下降，對車速和距離的估計容易發生偏差；③ 如果24 h內出現100～200 mm特大暴雨，就可能引發山體滑坡和崩塌，巨大泥石流從高山上傾泄而下，將給高速公路帶來極大的破壞，沖垮高速公路，毀壞高架橋梁，引起高速公路塌陷。

2.2.6 冰雹影響

2015年4月2日19：00—20：00，矮寨大橋及附近降落了直徑約2 ～ 3 mm的冰雹。冰雹對高速公路的危害可以歸納為：① 砸壞汽車前面的擋風玻璃，容易把車窗扎成麻臉[9]；② 路面濕滑，減小路面摩擦系數，容易引起汽車輪胎的附著力下降，從而增加交通事故發生概率；③ 影響能見度，密集的冰雹容易降低能見度，影響駕駛員的視線，造成恐慌心理。

2.2.7 雷暴影響

湘西州是多雷暴地區，年均雷暴日數53天。雷暴是強對流天氣，對汽車影響不是很大，由于汽車是一個完整的金屬外殼，根據法拉第效應，形成一個等電位體，汽車里反而更安全。打雷時，人不要下車查看，離開車體反而是危險的，在雷擊點附近，行走的人容易形成跨步電壓，引起傷亡事故。

2.3 主要惡劣天氣對車流量影響

2.3.1 暴雨影響

表4為湘西氣象局在吉首市氣象站觀測的降水量數據，以及吉首市高速公路收費站2013—2014年車流量部分統計資料。

表4 降水量和車流量Table 4 Precipitation and vehicle flow

由表4數據可知：2013年7月13—15日均為晴好天氣，對應的2014年7月13—15日為暴雨天氣，同比3日車流量總數減少2 143輛，下降率為11.6%；2013年8月17日，降水量0.6 mm，2014年8月17日，降水量216.8 mm，24 h車流量同比減少534輛，下降率為8%。

2.3.2 濃霧影響

2013年1月29—31日吉首有霧，2月4—6日天氣為短時小雨和輕霧；據吉首市高速公路收費站統計數據，2013年1月29—31日車流量分別為6 455，6 614，6 970輛/日，2月4—6日車流量分別為7 437，7 769，8 184輛/日。從前后幾日相比來看，濃霧影響明顯，車流量總數為20 039，23 390輛，霧散后車流量上升了3 351輛，上升率為14%。

2.3.3 低溫影響

吉首市和花垣縣交界處矮寨交通站2015年2月5—7日氣溫分別為2.7、-0.6、5.6 ℃。據吉首市高速公路收費站統計數據，這3天的車流量分別為13 943、12 381、14 780輛/日。6日為零下低溫，出行司機明顯有顧慮，相比前后兩日分別減少1 562和2 399輛/日，下降率為13%和19%。

3 結 論

1) 影響吉鳳茶兩條高速公路交通的主要氣象因素是大霧和結冰。這兩個因素均造成了重大交通事故，有較多人員傷亡，損失慘重。武陵山脈由東北向西南傾斜貫穿湘西，海拔800～1 200 m，屬中低山地，地形地貌復雜，溝谷眾多，溪河水量豐沛。多輻射霧，平流霧較少，常以團霧形式出現，來去匆匆，準確預報出現時間段較難。湘西高海拔山區在春冬季容易發生雨凇、結冰，對高速公路危害極大。

2) 湘西地區多深山峽谷，有山谷風。山谷風由于狹管效應很容易加大風力，有時瞬間風力就可達6級以上。這種山谷風會使行駛的汽車偏離道路，甚至側翻，很難防范。風向風速觀測時間較短，暫沒有出現大風。從4站最多風向來看，鳳凰以偏北風為主，其余3站以偏東風和鄰近偏東風為主，最多和次多風向均和高速公路走向相一致，對高速公路行駛車輛有利，不易產生側風吹的局面。

3) 大雨-暴雨、冰雹、雷暴這3個氣象因素對吉鳳茶高速公路交通影響較大，至今暫未造成重大交通事故，但隱患比較多。之所以沒有造成較大事故，一是遇到這些惡劣復雜天氣，駕駛員分外小心，提高了警惕，采取正確的駕駛技術；二是由于觀測時間段短。目測和實測才3年時間，強度更大的特大暴雨、大冰雹、強雷暴還沒有出現。由此產生的次生災害，能沖垮或擊落高山上的樹木、巖石，掉落在高速公路上引發意外交通事故的機率是有的。

4) 惡劣氣象因素使吉鳳茶高速公路交通的通行力下降，事故發生率達6%。從3年多的統計數據來看，由于惡劣天氣原因，兩條高速公路的車流量下降8%～19%，重大傷亡事故較多，嚴重影響了湘西高速交通事業的發展。

[1] 美國聯邦氣象協調辦公室.美國交通氣象信息國家需求評估報告[R].黎健，譯.北京：氣象出版社，2008：12-31.

United States Federal Meteorological Office.WeatherInformationforSurfaceTransportationNationalNeedsAssessmentReport[R].LI Jian，translation.Beijing：China Meteorological Press，2008：12-31.

[2] 孟遂珍.國外高速公路的管理與氣象信息[J].氣象科技，2000，28(4)：60-62.

MENG Suizhen.Management and meteorological information of expressway in foreign countries[J].MeteorologicalScienceandTechnology，2000，28(4)：60-62.

[3] 張朝林，張利娜，程叢蘭，等.高速公路氣象預報系統研究現狀與未來趨勢[J].熱帶氣象學報，2007，23(6)：652-658.

ZHANG Chaolin，ZHANG Lina，CHENG Conglan，et al.Advances in road weather forecasting system its future development[J].JournalofTropicalMeteorology，2007，23(6)：652-658.

[4] 湯筠筠，李長城，馬雪峰.基于熱譜地圖的京沈高速公路氣象監測試驗系統[J].公路，2010，55(12)：107-112.

TANG Junjun，LI Changcheng，MA Xuefeng.Jing-Shen expressway weather monitoring test system based on thermal mapping[J].Highway，2010，55(12)：107-112.

[5] 孟憲群.結構方程模型視角下的高速公路氣象服務[J].中國公路，2013(6)：130-133.

MENG Xianqun.Highway meteorological service from the perspective of structural equation model[J].ChinaHighway，2013(6)：130-133.

[6] 孫洪運，楊金順，李林波，等.惡劣天氣事件對道路交通系統影響的研究綜述[J].交通信息與安全，2012，30(6)：26-32.

SUN Hongyun，YANG Jinshun，LI Linbo，et al.Research review of the impacts of adverse weather events on road transport system[J].JournalofTransportationInformationandSafety，2012，30(6)：26-32.

[7] 王景紅，趙世發，王建鵬，等.西漢高速公路氣象保障服務系統[J].陜西氣象，2004(6)：32-35.

WANG Jinghong，ZHAO Shifa，WANG Jianpeng，et al.Meteorological safeguard and service system for Xihan highway[J].JournalofShaanxiMeteorology，2004(6)：32-35.

[8] 楊亞新，范德新.建立高速公路氣象災害實時監測與決策服務系統的設想[J].公路，2003，48(7)：90-93.

YANG Yaxin，FAN Dexin.The idea of establishing the real time monitoring and decision service system for the meteorological disasters of freeway[J].Highway，2003，48(7)：90-93.

[9] 劉興東，楊錫武.溫度對瀝青路面車轍的影響分析[J].公路交通技術，2007(3)：66-69.

LIU Xingdong，YANG Xiwu.Analysis of temperature impact to track on asphalt pavement[J].TechnologyofHighwayandTransport，2007(3)：66-69.

[10] 尤煥苓，丁德平，鄧長菊.強對流天氣對交通的影響及對策[C]∥中國氣象學會.中國氣象學會2005年年會論文集.北京：氣象出版社，2005.

YOU Huanling，DING Deping，DENG Changjun.Influence of strong convective weather on traffic and Countermeasures[C]∥Chinese Meteorological Society.Proceedingsof2005ChineseMeteorologicalSocietyAnnualMeeting. Beijing：China Meteorological Press,2005.

[11] 田華，王亞偉.京津塘高速公路霧氣候特征與氣象條件分析[J].氣象，2008，34(1)：67-71.

TIAN Hua，WANG Yawei.Analysis of climatic characteristics and weather conditions for fog over the Jing-Jin-Tang expressway[J].MeteorologicalMonthly，2008，34(1)：67-71.

[12] 廖雪萍，覃衛堅，唐炳莉，等.廣西近50年暴雨日數變化的小波分析[J].氣象，2007，33(12)：39- 45.

LIAO Xueping，QIN Weijian，TANG Bingli，et al.Wavelet analysis of variation of rainstorm days in Guangxi in recent 50 years[J].MeteorologicalMonthly， 2007，33(12)：39- 45.

(責任編輯：田文玉)

Characteristic Analysis on Meteorological Elements of Ji-Feng-Cha Highway

ZHENG Fuwei1，XIAO Jian2，QING Xiangtao1，XIE Yufeng3，ZHANG Dandan1

(1.Xiangxi Meteorological Bureau，Jishou 416000，Hunan，P.R.China; 2.Hengyang Meteorological Bureau，Hengyang 421000，Hunan，P.R.China; 3.Xiangxi Detachment，Hunan Provincial Highway Police Bureau，Jishou 416000，Hunan，P.R.China)

Small climate on freeway has a certain relationship with the number of traffic accidents on it.By use of the measured data of 4 automatic weather stations of Jishou-Fenghuang，Jishou-Chadong freeway (referred to as Ji-Feng-Cha freeway) in 18 months，the weather information observed by highway policemen from April 2012 to June 2015，and the annual fog days data of Jishou，Huayuan，Fenghuang county (city) from1960 to 2012，the relationship between Ji-Feng-Cha freeway small climate and traffic accidents was analyzed by mathematical statistics and Morlet wavelet method.The results show that the main meteorological factors affecting highway safety are fog and freezing.Foggy weather has low visibility，which is easy to cause vehicle rear-end collision and other collisions.The road is wet and slippery in freezing weather，which is easy to cause traffic accidents，such as rollover，drifting and rear-end collision.The variation rule of the foggy days of zones where Ji-Feng-Cha freeway locates is：Huayuan has a quasi-32-year high cycle and a quasi-3-year small cycle; Jishou has a quasi-2-year small cycle or a quasi- 4-year small cycle; and Fenghuang has a quasi- 4-year small cycle.

traffic engineering; meteorology; dense fog; freeze; traffic safety; traffic accident

2016-02-16；

2017-03-24

中國氣象局項目(〔2013〕315)

鄭福維(1970—)，男，湖南龍山人，高級工程師，主要從事公路交通氣象預測預警研究。E-mail: 519046831@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.06.18

U491.31；P49

A

1674-0696(2017)06-109-06