【摘 要】
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随着国民经济的日益发展,交通气象作为新兴的交叉学科应运而生,交通气象灾害,尤其是路面低温和道路结冰的研究,对于保证交通运输的持续稳定运行、发展国民经济有着十分重要的意义。本文对路面低温,低能见度,道路结冰三种主要交通气象灾害在全国范围的时空分布进行了分析,揭示了三种主要交通气象灾害的时空变化特征。由于低能见度灾害在天气模式中即可预报,而道路结冰的预报是在路面低温预报基础上的延伸。因此,本文围绕路面
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随着国民经济的日益发展,交通气象作为新兴的交叉学科应运而生,交通气象灾害,尤其是路面低温和道路结冰的研究,对于保证交通运输的持续稳定运行、发展国民经济有着十分重要的意义。本文对路面低温,低能见度,道路结冰三种主要交通气象灾害在全国范围的时空分布进行了分析,揭示了三种主要交通气象灾害的时空变化特征。由于低能见度灾害在天气模式中即可预报,而道路结冰的预报是在路面低温预报基础上的延伸。因此,本文围绕路面低温灾害,基于射流理论,探索发展和完善道路环境和温度模型METRo。建立了在汽车尾气中考虑水汽凝结比例的计算模型,结合交通流理论,提出了汽车热效应的计算方案,即考虑汽车车体、尾气及车流引起的热通量的计算方案。在此基础上,发展了一个理论上更为全面的路面低温预报模型METRo-G,并进行了路面低温的预报试验,检验了新发展模式对路面低温的预报效果。主要结论如下:（1）在路面低温,低能见度,道路结冰三种交通气象灾害中,路面低温的影响范围最广,发生频次最高,冬季-5℃到0℃,-10℃到-5℃和-20℃到-10℃三个级别的路面低温交通气象灾害在青藏高原东南部和中国北部的日发生频率均可以达到或接近80%。基于常规气象站观测资料的统计显示,甘肃省是结冰天气现象的高发区域,其出现频率显著高于其它地区。（2）本文在道路环境和温度模型METRo的基础上,提出了一个考虑汽车车体、尾气及车流引起的新的热通量计算方案,并植入到原来的METRo,建立了理论上更为全面的路面低温预报模型METRo-G。克服了METRo只能预报单一方向道路路面温度的缺陷,实现了双向道路路面温度的分别预报。（3）汽车对高速公路的热强迫的日较差较大,热强迫具有明显的日循环特征,冬季汽车车体、尾气及车流热强迫的数值在-75 W·m-2到75 W·m-2之间变化;在14:00到16:00（北京时）具有最小的汽车热强迫;而在06:00到10:00,由汽车引起的热强迫最大。在不同行车方向上,汽车对高速公路热强迫的差异很小。在车行缓慢的区域,汽车对公路具有大的热强迫。反映了汽车车流和行车方向对道路的热状况有显著影响,也具有一定的滞后性。（4）通过引入汽车车体、尾气及车流引起的热通量的计算框架构建的METRo-G和原METRo,都可以较好地预报持续时间较长的道路结冰灾害。在路面和地下温度的预报中,原METRo可以较好地反映气象观测站裸土下垫面观测资料的变化,而发展的METRo-G则过滤了大部分虚假温度波动信号,使得虚假振幅大幅度降低,从而更好地表征了道路沥青下垫面的实际路面温度。汽车车体、尾气及车流引起的热通量主要对道路表面温度变化起抑制作用。（5）在高速公路不同行车方向上,由于车速和车流量的不同,汽车车体、尾气及车流引起的热通量也存在差异,在METRo-G中,在实时交通流量的基础上,建立了该热通量的解析模型,可以对高速公路不同行车方向的路面温度做出区分,得到更精细的预报结果。（6）METRo-G可以预报出高速双向两条不同走向道路的路面温度,而METRo则只能预报出整体道路的温度。在路面温度的预报中,METRo-G预报结果和观测的偏差高于METRo的结果,这与观测点的下垫面属性不同于高速公路路面、周围环境风场影响有关;而在地下10 cm温度的预报中,METRo-G预报结果的模拟偏差则小于METRo的结果。无论是路面温度还是地下温度的预报,METRo-G预报值与观测值之间的相关系数基本都通过95%及以上置信度的显著性检验。（7）本文发展的METRo-G与METRo,二者的预报结果相对于交通气象观测站观测值的预报偏差具有不同的特点。考虑到交通气象观测站建立在裸土下垫面、和公路之间存在一定的距离,且受到车流带动的空气流动的影响,因此,尽管METRo-G的RMSE有时大于METRo,综合考虑与地表以下的土壤温度接近程度,METRo-G的预报结果可能接近实际的路面温度,也即考虑了汽车车体、尾气及车流引起的热通量和沥青下垫面的路面温度预报结果更好。
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