天津高速公路交通氣象災害及預報預警技術研究與分析

孫玫玲，任麗媛，王宏蕊，郭 玲

(天津市氣象服務中心 天津 300201)

0 引 言

高速公路作為一種現代化的公路運輸通道，在當今社會正發(fā)揮著越來越重要的作用，其建設對促進國民經濟的發(fā)展、國土資源的開發(fā)、生產力的合理布局、區(qū)域間的合作、交通出行的便利和消費、生活水平的提高等都具有重大影響。

天津作為我國北方最大的港口城市，也是亞歐大陸橋的東端起點，與華北、西北等內陸地區(qū)距離最短的特殊地理位置，決定了天津市承擔著作為北方內陸省份出海口的重要職責，連接四面八方的高速公路已成為外埠進市的交通要道。截止 2016年底，天津市高速公路通車里程達 1208km，路網密度達10.69km/百 km2，位居全國第二。根據《天津市省級干線公路網規(guī)劃》(2012—2030年)，預計到2030年，天津市高速公路里程將達到 1660km，形成“9橫6縱5條聯絡線”的高速公路網。

隨著現代高速交通的快速發(fā)展，交通安全保障也面臨新的挑戰(zhàn)。高速公路交通事故的發(fā)生由各種主、客觀的因素造成，而不良天氣條件是引發(fā)交通事故發(fā)生的重要因素之一[1-2]。據統計資料顯示，全國高速公路事故中，發(fā)生在雨天、雪天、霧天的事故約占事故總數的 39%。天津地處華北平原東部，北依燕山，東臨渤海，四季分明，主要為大陸性氣候，但受渤海影響，沿海地區(qū)有時也顯現海洋性氣候特征，海陸風現象比較明顯。天津地區(qū)影響高速公路交通的主要氣象災害有霧、強降水、積雪、結冰、大風、高溫等以及由它們造成的次生災害(如橫風、路面積水和打滑、強降水時的低能見度、爆胎等)或伴生的地質災害(如山體坍塌、滑坡、泥石流等)。

不利氣象條件對交通安全的影響是無法阻止的，但了解和掌握氣象規(guī)律可以為交通運輸的更好發(fā)展提供科學決策依據。因此，建立長期、穩(wěn)定、可靠的高速公路交通氣象信息采集、預測分析與發(fā)布機制，并以此為基礎，建立統一協調、反應靈敏、運轉高效的惡劣天氣應對機制，對于最大限度地減少氣象災害對高速交通的不利影響，降低高速公路的自然災害受損程度，確保其更好地為經濟發(fā)展和群眾出行服務，具有重要的意義[3]。

1 影響天津高速公路交通的主要氣象災害

由于各地區(qū)的氣候有很大差異，交通事故發(fā)生的氣象影響因子也有所不同。影響天津高速公路交通的氣象災害主要包括霧、強降水、積雪、大風、高溫等。天津近五年交通事故資料顯示，平均 22%的交通事故是在災害性天氣情況下發(fā)生的，在5類高影響天氣中，霧天發(fā)生交通事故的次數最多，占事故數的69%，其次是雨天發(fā)生交通事故的次數，占事故數的21%，雪天發(fā)生交通事故的次數占事故數的 9%，其他占1%。

1.1 低能見度

低能見度是引發(fā)交通事故、影響交通運營效益的主要災害性天氣。據統計，霧天發(fā)生交通事故的概率比平常要高出幾倍，甚至幾十倍，因濃霧、團霧造成多車連續(xù)追尾事故屢有發(fā)生，損失嚴重。由于“團霧”區(qū)域性強、突發(fā)性強、預測預報難，車輛難以提前得到通知和警示，令人防不勝防[4]。天津地區(qū)平均年霧日為 13～31d，南部多于北部，霧日的季節(jié)性特征明顯，秋末冬初及嚴冬(11～轉年1月)霧日最多，其次是夏季(7月)，春末(5月)最少。霧的日持續(xù)時間變化也較為明顯，特別是秋冬季，一般在午夜或清晨生成，持續(xù)時間以12月和1月最長，平均為6.5h。因此要特別注意防范秋冬季節(jié)靜穩(wěn)天氣引起的低能見度對高速公路行車安全的影響。

1.2 強降水

天津全市年平均降水總量為550～600mm，年平均降水日數為 64～73d，日降水量在 50mm 及以上的暴雨主要出現在 7～8月，東部沿海和北部山區(qū)發(fā)生暴雨的頻次較多。強降水對交通安全影響重大，一是降水導致道路濕滑，使路面的摩擦力變小，從而增加制動距離；二是降水過度集中易出現道路積水，行駛車輛看不清路面狀況，車輪夾卷的泥水，引起能見距離突然變差；三是強降水導致能見度急劇下降，行駛車輛的玻璃上形成雨點和水簾、雨刮器來回轉動等因素都對駕駛員視線形成障礙，易引發(fā)交通事故；四是暴雨易引發(fā)山體坍塌、滑坡、泥石流等次生災害，嚴重威脅行車安全。

1.3 積雪

積雪和低溫導致的道路結冰很容易引發(fā)交通受阻或交通事故，直接影響交通安全。據統計，冰雪引起的交通事故數量較正常情況下高出 3～4倍[5]，冰雪條件對道路交通系統最突出的影響在于路面摩擦系數減小，汽車制動和操縱穩(wěn)定性變差。

1.4 高溫

天津歷年極端最高氣溫主要出現在夏季的 6～7月，據統計，天津東南部的高溫日數多于西北部，薊州和沿海地區(qū)夏季高溫日數較少。高溫導致輪胎氣壓過高，一方面引起摩擦系數降低，影響行車速度，另一方面可能引起爆胎，導致事故發(fā)生；同時當路面溫度達到一定值時，受到重型車輛碾壓發(fā)生形變，降溫后變形的路基變硬，又會引發(fā)高速行駛的車輛出現交通事故。

1.5 大風

天津大風的年平均日數為 7～48d，大風的季節(jié)特征明顯，一般 4月大風日數最多，8月最少。一方面高速行駛的汽車受到橫風作用時，很容易誘發(fā)車禍；二是大風沙塵引起的能見度劇降、障礙物墜落等也會影響行駛車輛的安全。

2 天津高速公路交通氣象服務概況

天津市高速公路交通氣象服務自2013年正式進入業(yè)務化運行，主要面向高速管理部門與運營部門，包括天津高速支隊、天津市公安交通管理局指揮中心、路網管理指揮中心、天津高速公司等，提供一系列及時有效的專業(yè)氣象服務，尤其在出現霧、強降水(雪)、路面高溫、路面結冰、大風等災害性天氣時，及時發(fā)布交通氣象服務信息。目前主要開展高速公路交通氣象監(jiān)測業(yè)務、預報預警業(yè)務、氣象災害風險業(yè)務、氣象保障服務等。天津地區(qū)共布設 16套自動交通氣象站，實時監(jiān)測能見度、路面溫度、路面狀況以及溫度、濕度、風向、風速、降水量等常規(guī)氣象要素；高速公路交通氣象預報業(yè)務主要以中短期預報為主，輔以短時臨近預報和預警服務；在高速公路氣象災害風險普查工作的基礎上開展基于氣象災害隱患點的氣象災害風險業(yè)務；重大活動和重要節(jié)假日期間針對可能發(fā)生的災害性天氣為相關部門提供氣象服務專報，及時提醒防范不利氣象條件對道路交通安全可能產生的影響。

3 天津高速公路交通氣象服務存在的主要問題

①在中國氣象局和天津市政府支持下，氣象部門已建設313個氣象觀測氣象站和16個交通氣象站，但建在高速公路沿線上的監(jiān)測站點少之又少，僅分布在4條高速公路上，且高速公路建設部門在道路建設時，雖然配備了氣象監(jiān)測設備，但未考慮天津氣候特點，氣象監(jiān)測設施布設疏密不均，并且設備無法得到定期檢定，使氣象數據的觀測準確性達不到要求，從而導致高速公路惡劣天氣的監(jiān)測能力嚴重不足。

②由于預報人員對于高速道路沿途已經發(fā)生和正在發(fā)生的災害性天氣狀況了解不夠，難以對天氣演變趨勢做出準確判斷；預報方法研究滯后，預報的精細化程度不夠，也難以為交通安全管理部門、道路管理部門以及公眾提供滿意的交通氣象預報和預警保障服務。

③氣象、交管各部門間信息交換不充分，針對惡劣天氣、衍生自然災害的交通緊急事件快速應急處置能力不足，部門之間缺乏協力合作，管理手段單一。

4 開展天津市高速公路交通氣象監(jiān)測預報預警服務的可行途徑

針對天津地區(qū)高速公路安全管理的需求和當地天氣氣候特點，通過部門合作，建設天津高速公路交通氣象災害監(jiān)測預報預警服務系統，實現以高速公路沿線災害性天氣實時監(jiān)測為基礎、高速公路專項預報和預警指標體系為核心、高速公路信息發(fā)布網絡為手段的智能化高速公路氣象服務模式。通過研究，客觀、準確、科學地設計天津高速公路氣象預報預警服務系統，面向高速管理和運營部門、社會公眾、沿線司乘人員提供及時準確的交通氣象服務信息，降低高速公路交通事故的發(fā)生率，保障交通安全。

4.1 建設天津地區(qū)高速公路交通氣象觀測站網

根據近 30年的氣象資料統計，考慮災害性天氣的尺度特征，計劃在氣象災害易發(fā)且缺少氣象監(jiān)測設備的路段，補充布設交通自動氣象監(jiān)測站 32個，測站間距 20～30km，實現對溫度、濕度、風向、風速、降水、能見度、路面溫度、路面狀況 8類氣象要素的監(jiān)測。在重點交通事故隱患點布設 20套能見度監(jiān)測設備，與前期高速公路現有的 16個交通監(jiān)測站形成全方位、全尺度的高速公路氣象監(jiān)測網。建立高速公路氣象信息監(jiān)測與展示系統，包括高速公路氣象信息采集傳輸平臺、信息處理平臺、信息監(jiān)控及實況產品共享顯示平臺等，提供基于 GIS的公路沿線實時監(jiān)測氣象信息顯示、地圖放大縮小漫游、系統報警、各種氣象要素曲線圖顯示和報表制作、歷史資料檢索查詢、圖表文件保存及打印等功能。

4.2 開展天津高速公路交通氣象服務研究

建立交通、氣象、地理等行業(yè)大數據的共享機制，開展天津高速公路交通氣象服務研究，研發(fā)專業(yè)化、定制化的交通氣象服務產品。建立高速公路氣象災害預報預警指標體系，以高速公路沿線的交通氣象實時監(jiān)測信息為基礎，開展高速公路的災害性天氣預警、短時臨近預報，實現常規(guī)天氣預報向道路交通專業(yè)預報的轉化。

開展針對影響高速公路的災害性天氣的精細化預報服務工作，建立高速公路指揮調度、道路行車等不同環(huán)節(jié)、不同級別災害性天氣的預報預警指標體系，制作針對高速公路管理和運營、決策、公眾服務等不同種類的服務產品。結合路況特點，研究大霧、強降水、道路結冰、大風、高溫等各種氣象災害對高速交通的影響，研發(fā)路面結冰持續(xù)時間、路面溫度、低能見度指數、爆胎指數、行車等級等專項預報產品。開展高速公路重點災害的智能監(jiān)測、預警預報和服務關鍵技術研發(fā)，融合道路智能氣象監(jiān)測數據、智能網格預報數據以及道路監(jiān)控、交通管理、地圖導航等數據，建立基于影響的交通氣象服務模型、指標，形成基于大數據分析的惡劣天氣影響路段識別、受氣象影響交通事故風險預測的業(yè)務服務能力，實現實時天氣風險通知及輔助交警應急處置決策的目標。

4.3 建立完善的高速交通氣象服務業(yè)務流程與應急聯動機制

①規(guī)范天津高速交通氣象服務業(yè)務流程。高速公路交通氣象災害監(jiān)測預報預警服務流程包括確立服務用戶，開展需求調研，制定服務方案，收集實時數據，開展預報預警，完善服務指標，制作分發(fā)產品，開展業(yè)務考核和效益評估等。

②建立天津高速公路氣象災害與防御信息數據庫，開展交通氣象效益評估。建立交通氣象災害案例數據庫，對由于氣象因素引發(fā)的交通事故、損失傷亡情況進行統計；對由于氣象原因造成的高速公路封閉及其產生的運營損失進行匯總。根據交通氣象災害和相應氣象要素之間的相關性分析，研究大霧、強降水、道路結冰、大風、高溫等氣象災害對交通的影響程度，明確不同天氣狀態(tài)下氣象部門對政府、交通管理部門、公眾以及沿途司乘人員的服務重點和措施建議，并按照災害性天氣種類和級別建立防御措施信息庫。定期進行統計對比，得出氣象災害監(jiān)測預警服務對高速公路安全運營產生的真實效益。

③加強部門之間的項目合作，聯合開展交通氣象服務效益評估和相關減災對策研究，建立部門協作機制，加強溝通，定期召開聯席會議，優(yōu)化完善惡劣天氣下的部門聯動機制，研究制定交通氣象服務的工作意見和措施，共同提升天津高速交通氣象服務水平。

4.4 建立天津高速公路交通氣象監(jiān)測預報預警服務業(yè)務平臺

依托天津市現代化氣象業(yè)務系統，開發(fā)基于WEBGIS的集實況監(jiān)測、預報產品與預警信息制作發(fā)布于一體的交通氣象業(yè)務系統，促進研發(fā)成果轉化。如圖1所示，系統包含交通氣象信息實時監(jiān)測采集處理、交通氣象服務產品制作和發(fā)布、交通氣象效益和風險評估等子系統。實現實況超閾值自動報警提醒功能，及時發(fā)布分時段、分路段的交通氣象預報預警服務產品，并具備文字、圖表、圖形、圖像等多種顯示形式。建設多樣化的高速公路氣象信息終端發(fā)布網絡，實現一鍵式發(fā)布。依托高速公路沿線電子情報板、電臺、電視、手機短信、手機客戶端、網站等多種渠道，對各類高速公路氣象實況信息、氣象災害預警信息及氣象安全提示進行同步推送，為決策部門和公眾出行提供科學有效的支撐依據。

圖1 天津高速公路交通氣象監(jiān)測預報預警服務業(yè)務平臺結構圖Fig.1 Platform structure of Tianjin expressway traffic meteorological monitoring, forecasting and early warning service

5 結 語

天津市承擔著北方內陸省份出?？诘闹匾氊?，連接四面八方的高速公路已成為外埠進市的交通要道，而現代公路交通的快速發(fā)展在很大程度上受到氣象因素的影響和制約。今后需加強氣象和高速運營以及交管部門的溝通合作，提高高速公路氣象預報預警服務水平，確保公路交通運輸安全更好地為經濟發(fā)展和群眾出行保駕護航。

①影響天津高速公路交通的氣象災害主要有霧、強降水、積雪、結冰、大風、高溫等以及由它們造成的次生災害(如橫風、路面積水和打滑、強降水時的低能見度、爆胎等)或伴生的地質災害(如山體坍塌、滑坡、泥石流等)，其中霧天發(fā)生交通事故的次數最多，占事故數的69%。

②不同季節(jié)發(fā)生的主要氣象災害不同，對高速公路交通安全的影響也不同。秋冬季節(jié)易發(fā)生大霧低能見度天氣從而引發(fā)交通事故，夏季暴雨、晴熱天氣容易引發(fā)交通事故，而冬春季節(jié)在低溫、積雪、大風天氣易發(fā)生交通事故。

③目前天津開展的高速公路交通氣象服務主要有高速公路交通氣象監(jiān)測業(yè)務、預報預警業(yè)務、氣象災害風險業(yè)務、氣象保障服務等。存在交通氣象監(jiān)測站點不足，預報預警技術落后，針對惡劣天氣、衍生自然災害的應急處置能力不足等問題。

④建設更高密度的高速公路交通氣象觀測站網，建立集交通氣象實況監(jiān)測、預報產品與預警信息制作發(fā)布于一體的交通氣象業(yè)務系統。研發(fā)針對高速公路管理和運營、決策、公眾等的定制化服務產品，從而實現災害性天氣風險通知和輔助交警應急處置決策的目標。

⑤進一步制定和完善高速公路交通氣象服務業(yè)務流程與應急聯動機制，深化部門合作，強化無縫隙、精準化、智慧型的交通氣象精細化服務，逐步降低氣象條件對交通的不良干擾，減少交通事故的發(fā)生概率，提升高速公路交通氣象服務水平。