北京地区高速公路封路环境气象指数预报

【基金项目】该文为中国气象局公益性行业（气象）科研专项：道路交通气象灾害的致灾过程及应急减灾对策研究（编号：GYHY201306043）。

随着我国交通事业的迅速发展，高速公路建设的迅猛发展为道路交通事故增加了新的特点。据我国公安部交通管理局统计，我国高速公路每百公里事故发生率为普通公路的四倍多，且在高速公路发生的事故中，轻微的交通事故所占的比例微乎其微，直接损失在1万元以上的事故占了事故总数的近70～80%。在我国，高速公路的交通流量基本与国外相似，甚至低于国外，然而事故发生率却远远高于国外。国内高速公路交通事故的严重性不能不引起我们的高度重视和思考。有资料表明，不利天气对高速公路行车安全影响严重，其造成的人身伤亡及物质损失给我国国民经济和人民生活带了巨大的危害。因此，研究不利天气与高速公路交通事故的关系意义重大。气象灾害对交通的影响表现在很多方面，如丁德平等研究的关于G2京津塘高速公路万辆车流的交通事故灾害与气象综合指数的关系，万辆车流的交通事故灾害随气象综合指数的加大而增多。近年来，各种气象灾害对交通运输质量和安全的影响受到全社会的广泛关注，尤其是因雾、雪等引起的低能见度天气对交通的影响更大，如吴彬贵、解以扬等研究的京津塘高速公路秋冬季低能见度及应对措施。大气能见度的优劣与气象条件密切相关，如赵习方、徐晓峰等研究的北京地区低能见度区域分布初探。因此，探讨和掌握影响高速公路气象因素的实时变化，对于保障在不良天气条件安全交通运营具有重要的意义。

气象与高速公路的封路资料

整理北京地区高速公路沿路布设的18个自动道面气象监测站的气温、相对湿度、风向、风速、降水量、最小能见度等逐时气象记录和北京交通管理局提供的高速公路封路时次资料，气象记录和高速公路封路资料时间长度均为2年（2007年7月1日～2009年6月30日），各种气象资料完整样本731个；高速公路封路资料见表1，北京区域高速公路环境示意图，见图1。

雾雪冰天气影响高速公路封路的气象条件分析

相关研究表明，北京地区高速公路大气能见度与相对湿度呈明显负相关。当出现浓雾、大雪及冰（论文中的冰泛指降雪导致路面结冰）天气，近地面层的水平能见度常减小到1000m以下。可见，研究高速公路沿线能见度的时空变化，是高速公路管理部门提高交通运营效率的重要参考信息之一。由此，按北京地区雾雪冰天气影响封路环境的时次，统计出18个自动道面气象站逐时气象要素资料（气温、相对湿度、风向、风速、降水量、最小能见度），分析北京地区小于1000m的能见度与气象要素个关系，为预报短时能见度的变化奠定技术基础（在日常的天气预报业务中，能见度没有较成熟的业务系统；但是气温、相对湿度、降水量等常规气象要素则纳入已经业务化流程的）。

表1 雾雪冰天气影响封路的统计次数一览表

图1 北京区域高速公路环境示意图

表1中数据得知，大雾天气封路占总封路次数的94%，降雪天气封路占总封路次数的4.5%，路面结冰占总封路次数的1.5%；封路日数占2年总日数的26.8%，可见，雾雪冰天气对于高速公路的交通运营是何等的重要。但是，影响正常交通运营的天气正是雾雪冰天气导致能见度变差的主要因素。在此，统计高速公路封路环境时次的18个道面监测站小于1000m的能见度和对应的气温、相对湿度、降水量等记录，分析气温、相对湿度、降水量、风向、风速与小于1000m的能见度关系后发现，大雾和降雪天气条件下，相对湿度与能见度呈非线性负相关；路面结冰条件下，气温与能见度呈抛物线相关。在3种封路环境天气条件下，其它气象要素与能见度的相关不显著。

大雾天气条件的相对湿度与能见度的关系

大雾天气导致封路环境时次样本721个小时，由于四季的下垫面环境各异，分3个时段分别分析相对湿度与能见度的关系，即：春夏两季44个样本，秋季316个样本，冬季361个样本，各季节能见度与相对湿度的非线性相关均通过了r =0.01和F =0.01的统计学检验（详见表2与见图2）。

图2 四季多监测站不同时次的能见度与相对湿度相关点散图

图2表明，北京在春夏季节出现大雾的时次较少（春夏合并分析），能见度与相对湿度的相关程度较好（见图2A），大雾封路环境时次多出现在相对湿度80～98%的范围，最小能见度为66kn；秋季出现大雾的时次很多，相对湿度与能见度呈左抛物线相关（见图2B），能见度随相对湿度的增加而减小，大雾封路环境时次多出现在相对湿度70～100%之间，最小能见度为48km；冬季出现大雾的时次最多，相对湿度与能见度的相关程度近似秋季（见图2C），大雾封路环境时次多出现在相对湿度50～100%幅度内，最小能见度为17km，小于50kn的能见度出现39时次。综合四季各监测站不同时次的能见度与相对湿度分析得知，能见度与相对湿度相关显著。空气越潮湿，越容易出现大雾天气；因为相对湿度是反映空气潮湿程度的一个物理量，也是生成大雾天气的关键因素，只是各季度两者相关程度不同而已。

降雪天气条件的相对湿度与能见度的关系

环境空气中具备充足的水汽含量是降雪天气的必要条件之一；当出现降雪天气时，一旦空气中的相对湿度≥90%，势必影响高速公路环境的水平能见度减小。通过分析降雪天气条件下相对湿度与能见度的关系（37个样本），相对湿度与能见度呈线性负相关，且通过了r =0.01和F =0.01的统计学检验（详表2与图3A）。从图3B直观可见，能见度随相对湿度增大而减小，相对湿度度曲线呈负相关趋势反映了降雪量与雪花密度较大也是影响能见度减小的主要因素。为此，降雪天气是高速公路封路环境管理的警示信号。

图3 降雪天气条件下相对湿度与能见度相关曲线图

降雪结冰天气条件的温湿度与能见度的关系

降雪（含积雪）、冻雨、雾凇等天气均可导致高速公路道面出现结冰现象。按照封路环境的记载，提供的降雪（含积雪）道面结冰样本94个时次，分析相对湿度和气温与能见度的关系（见表2和图4）。从图4A可见，相对湿度与能见度的相关较差（不满足r =0.01和F =0.01的统计学检验），可能是降雪与积雪导致道面结冰现象混合统计分析原因。但是，气温与能见度呈完整的抛物线非线性相关（见图4B）。当气温小于零下4℃，能见度随气温的下降而减小，其中气温最低的3个时次出现在八达岭高速公路潭峪沟监测站（2009年2月19日6～8时），降雪量大、能见度很小、且路面结冰；气温与能见度呈抛物线相关的右侧，气温大于1～0℃的4个道面结冰样本，亦是因为降雪量大影响能见度减小，气温较高是因为该次降雪出现在2009年11月25日6～9时。综上，图4B的抛物线相关分析结果有一定的随机性，降雪结冰封路环境样本增多时，有可能会改变气温与能见度的相关分布及相关程度。

图4 降雪结冰天气条件的相对湿度和气温与能见度相关点散图

表2 能见度小于1000米的时次样本数和统计参数一览表

（相关系数取绝对值）

雾雪冰天气的高速公路封路环境气象指数的标准

高速公路上汽车行驶速度快、运动量大、冲击力强，特别是在雾雪冰天气条件下，安全距离不够、速度过快时，事故发生率增高，并且很容易由一起事故引发另一起或一连串的事故。所以，雾雪冰天气对高速公路的行车安全、正常运行起着举足轻重的作用，雾雪冰天气是导致高速公路交通事故、道路阻塞、运营损失的主要原因之一。综上，统计雾雪冰天气导致小于1000m的水平能见度的概率密度分布，见图5，由图5推算出4个能见度等级划分标准和各等级出现的概率，见表3。即水平能见度≥200m为1级，采取一般性的管制措施，启动降雪和结冰天气蓝色封路环境预警；水平能见度150～199m为2级，采取管制措施，启动降雪和结冰天气黄色封路环境预警，大雾天气可以分路段启动黄色封路环境预警；水平能见度100～149m为3级，启动降雪和结冰天气橙色封路环境预警，大雾天气大部分路段启动橙色封路环境预警；水平能见度在

图5 小于1000米能见度的概率分布图

表3 雾雪冰天气的高速公路封路环境气象指数标准一览表

通过雾雪冰天气条件下的小于1000米的能见度与气象要素分析，得出影响高速公路封路环境的原因主要是能见度减小所致。应用经验概率密度分级方法，统计出不同水平能见度出现的概率，将高速公路封路环境气象指数划分为4个等级，即雾雪冰天气条件下的高速公路封路环境气象指数。应用精细化数值预报产品，读出高速公路沿线网格点的降雪、相对湿度和气温等气象要素逐时数值预报值，代入图2～图4中能见度关系式中，根据表3即可计算雾雪冰天气条件下的高速公路封路环境气象指数。将为首都高速公路的安全运营提供了一定的科学管理措施。

【作者简介】张庆林，男，1956年生人，助理工程师，主要从事气象服务工作。

【通信作者】张德山，男，1951年生人，正研级高工，主要从事气象服务与应用气象