全新尝试：冰冻交通危险度预警评估技术

原创杨静，柳艳香等科技导报

2019.11.11

目前，公路交通阻断数据与气象数据相结合的分析研究还较少，以实际发生道路阻断落入预警区域公路占比的检验方法，是一种全新的尝试。预警模型对公路阻断灾情的预判有一定指示作用，但在预警实际效果中，仍存在一些问题。今后将通过健全预警模型的因子体系，逐渐完善判别因子体系，健全分级标准，从而达到对降雪道路交通事故风险给出快速准确的判别，为抗灾救灾服务。

资料选择与模型构建

资料选择

1）气象实况资料：中国气象局国家气象信息中心整编的国家基本和基准气象站中国南方（共1295 个站）2016 年 1 月 20—29 日逐小时气温和地表温度、24小时累积降水量、逐日天气现象。

2）公路阻断信息：从交通运输部路网中心公路通阻数据库中，提取出 2016 年 1 月 21—25 日间受降雪、积雪及冰冻等三类原因造成的全国公路阻断信息566条，其中影响南方区域共281条。

3）研究区域：南方区域以1981—2010年共30年的1月份平均气温0℃等温线作为南、北方结冰源相态主要界线选取（图 1），西部等温线曲折较大处界线参考800 mm等降水线。

图1 研究资料站点分布及结冰源相态南北方主要分界线

模型构建

影响交通“冰冻过程”选取及模型评估指标确定。针对影响公路交通的冰冻过程包括两个阶段：1）雨雪冰冻形成期，即有造成交通运行风险的降雪或降雨；2）冰冻持续期，即雨雪过后，已改变了交通路面物理性质，并有一定持续期，这两个阶段共同构成一次冰冻过程。

本研究以影响公路交通为判断标准界定南方冰冻过程，以出现“路面结冰”为控制条件，且将冰冻过程分成3种情况判定。

1）“雪降至严寒路面”情况：日降水量≥0.1mm，且日平均气温≤0℃（冰冻形成期）；且日最低地表温度≤0℃，直到日最低地表温度＞0℃时截止（冰冻持续期），该过程定为1次冰冻过程。

2）“大雪以上量级降至温暖路面，但未来经历降温过程”情况：日降水量≥5 mm，且日平均气温≤0℃；虽当日最低地表温度＞0℃，但未来24 h后日最低地表温度≤0℃，直到日最低地表温度＞0℃时截止，定为1次冰冻过程。

3）“雨或雨夹雪降至严寒路面”情况：日降水量≤4 mm，且日平均气温＞0℃；但日最低地表温度≤0℃，直到日最低地表温度＞0℃时截止，定为1次冰冻过程。

在判定出南方区域站点的多个冰冻过程后，计算出每一个冰冻过程的日平均降水量、日平均气温、降水持续天数、冰冻持续天数等4个因子指标量，综合评估一次冰冻过程对交通运行的影响程度。

基于灰色关联方法的冰冻交通危险度预警模型。灰色关联分析法是一种多因素统计分析的客观方法，根据所给出的参考序列，通过计算参考序列与比较序列的关联度大小，判断其接近程度，来评定该比较序列的强弱、大小和次序。

将每一次冰冻过程的日平均降水量、日平均气温、降水持续天数、冰冻持续天数等4个预警指标量作为比较序列，将所有冰冻过程中4个指标量标准化后的最大值即最优样本值做为参考序列，通过计算灰色关联度值，反映每次冰冻过程相对与最大冰冻过程的接近程度，从而表征每次冰冻过程之间的强弱。本研究采用了线性内插法将4个指标量进行了标准化处理。

表1 南方冰冻交通危险度等级及灰色关联度对应表

举例论证：危险度预警实例分析

空间分布特征。将危险度预警 4 个指标量和日最低地表温度（冰冻过程重要判别条件）进行时空分析，发现本次冰冻过程的日平均降水量＞5 mm的大值区主要集中在3个区域：安徽南部—江苏南部—浙江大部—江西东北部—福建西北部，重庆西南部，以及贵州西北部和云南东北部等地（图2（a））。尤其是浙江中西部、重庆南部、贵州西北部和云南东北部的局部区域日平均降水量在 10～20 mm，达到暴雪量级，成为浙江、云南、贵州和重庆等省份或直辖市严重的公路阻断的主要原因。整个南方区域过程降水基本都为1～2 d，浙江中北部降雪持续2 d（图2（b）），重庆东南部、贵州西部局地降雪持续3～4 d，江淮、江南及西南地区东部等地出现 1～10 cm 积雪，浙江杭州及临安积雪深度 22 cm，贵州习水 24cm，严重的道路雪阻势必对公路交通产生严重影响。冰冻过程的日平均气温分布呈现两个比较明显的低值区（图 2（c）），分别在武汉—南昌—福州一线以东的区域，以及贵州中西部、云南东部。这些区域的过程日平均气温几乎都在0℃以下，尤其是浙江中部、安徽南部、江苏北部的过程日平均气温在-4～-2℃，而且冰冻持续时间都在3～4 d（图2（d））；

图2 2016年1月“超级寒潮”南方冰冻过程4个预警指标量空间分布

同时，浙江中北部、贵州西南部—云南东北部等地处于日平均最低地表温度（图3（a））和过程最小日最低地表温度（图 3（b））分布的低值区，这就为道路结冰的形成提供了温度条件。同时，广东岭南地区、福建南部、湖南南部、广西东北部冰冻持续时间为1 d（图2（d）），这是因为1月24日雪线历史罕见地南压至广州及珠三角一带，后续气温迅速回升所致。

图3 2016年1月“超级寒潮”南方冰冻过程日最低地表温度空间分布

时间分布特征。图 4 为本次“超级寒潮”南方地区每日公路阻断频次和阻断里程百分比与气象要素日平均的时间变化图。阻断时间变化特征上看，1 月 21—25日，公路阻断频次和阻断里程在 1 月 22 日出现猛增，阻断频次和阻断里程占5d总阻断频次和总阻断里程的53%和69.8%。而将南方区域24小时降水量、气温和最低地表温度进行逐日平均，得出日平均最低地表温度从22日开始低于0℃，日平均气温也逐渐呈现下降趋势，而日平均降水量在22日同样出现峰值，与公路阻断时间的趋势相吻合。分析阻断信息发现，22 日阻断频次和里程比例最高的省份出现在浙江、安徽、河南和江西，这与图 2（a）中日平均降水量大于5 mm的分布区域非常吻合，这些区域降水日数都为 1~2 d（图 2（b）），充分说明这次冰冻过程对公路阻断的影响更多是强降雪造成的降雪积雪型道路阻断，到降雪停止后，由于高速公路比一般等级公路在天气应急处置方面存在优势，浙江、安徽等高速公路比较快地恢复了道路通行。值得关注的是，阻断频次在24日持续下降后，25 日出现小的增幅。分析阻断信息数据发现，1月25日47条阻断信息主要反映在四川、重庆、贵州、云南和广东，而且以云南的阻断里程数比例最高，且云南省上报的阻断原因中 87.5%为“道路结冰”。从图 2（c）和（d）看到，云南地区尤其是云南东南部的文山、玉溪和东北部的昭通等高海拔地区的 G80 线（广昆高速）、G60 线（沪昆高速）、S325线（冷文线）、S102线（昆富线）等高速及省道，冰冻持续天数只有1～2 d，但冰冻过程的日平均气温却达到0℃以下，日平均降水量也在2~5 mm。

图4 2016年1月21—25日“超级寒潮”南方公路阻断频次、阻断里程与气象要素日均值关系

预警等级与公路阻断的关系。如图5所示，冰冻交通危险度5级—极高危险区主要分布在浙江北部和中部、江西东北部、安徽南部和江苏南部，以及福建北部、贵州西部和重庆南部的局部地区。危险度4级—高危险区主要分布在江苏大部、安徽西部、河南南部、湖北大部、重庆西南部和东南部、贵州西南部、云南东北部和东南部的局部地区。危险度3级—较高危险区主要分布在河南中南部、湖南大部和江西南部，重庆、贵州、云南、广东、广西、福建均有分布。

图5 2016年1月“超级寒潮”南方冰冻交通危险度等级分布及公路阻断路段

图 5 黑色线条为本次寒潮因冰冻雨雪而产生的公路阻断路段及里程分布。2016年1月21—25日，因降雪、积雪及冰冻造成南方范围内公路封闭及通行阻断信息共281条，占全国因冰雪造成阻断数量（566条）的49.6%。公路阻断影响范围涉及浙江、河南、云南、贵州、重庆、安徽、四川、江西、江苏、湖北、广东、福建及湖南等13个省（区、市），共涉及24 条国家高速、6 条国道和 56 条省级道路。据统计，从公路阻断影响范围及里程数上，以浙江和河南最为严重，其次为云南、贵州和重庆。

结论

1）通过对南方地区影响公路交通的冰冻过程确定，利用灰色关联方法，构建了基于过程日平均降水量、日平均气温、降水持续天数、冰冻持续天数等4因子指标量的冰冻交通危险度预警模型。

2）模型危险度预警结果显示，“超级寒潮”冰冻交通极高危险度区（5 级）主要分布在浙江北部和中部、江西东北部、安徽南部和江苏南部，以及福建北部、贵州西部和重庆南部的局部地区。部分区域日平均降水量在10～20 mm（达到暴雪量级），日平均气温及日最低地表温度在低值区，冰冻过程持续时间长，成为浙江、云南、贵州和重庆等省份或直辖市严重公路阻断的主要原因。同时，整个南方地区气象要素均值变化与公路阻断频次和里程在时间变化上趋势相吻合。

3）通过对“超级寒潮”南方冰冻交通危险度预警的实况检验与公路阻断灾情的对比，得出预警最高等级（5级）区内极高交通风险路段与5级区实际发生公路阻断路段呈现非常好的吻合关系；随着预警等级的升高，更大比例的公路阻断发生在预警区域内。体现出预警模型不仅对实际公路阻断灾情有较好的关联性，而且能较好反映出模型中不同等级道路对冰冻灾害响应的区别，对公路阻断灾情的预判起到一定指示作用，为下一步基于公路承灾体暴露性及脆弱性的冰冻交通综合风险的预警评估做好基础。

参考文献（略）

本文作者：杨静，柳艳香，郜婧婧，李宛育，郝淑会，李蔼恂，潘进军

作者简介：杨静，中国气象局公共气象服务中心，高级工程师，研究方向为专业气象服务；郜婧婧（通信作者），中国气象局公共气象服务中心，工程师，研究方向为专业气象。

注：本文发表于《科技导报》2019年第20期，原标题为《南方冰冻交通危险度预警评估技术》，有删节。

（责任编辑傅雪）

完

2019年

第37卷

第20期

长按二维码关注我们吧~

微信号：科技导报

电话：010-62194182

投稿：lina@cast.org.cn

继续滑动看下一个