舟山跨海大桥夏季路表温度分布特征及统计模型

舟山跨海大桥夏季路表温度分布特征及统计模型

总结能见度条件对道路运输有显著影响。雨水减少了路面的系数，容易引发交通事故。严作人对于大桥的路表温度,前人更多关注冬季桥面结冰问题1数据和方法1.1资料来源和数据来源舟山跨海大桥沿线共布有13个自动气象站(见图1表1),自动站所处桥面的下方有陆地也有海面,尤其在册子岛以东,大桥连接了富翅、里钓和舟山本岛的岑港,下垫面地形复杂,多海陆过渡地带,气象要素的分布特征也相对复杂。大桥沿线自动站自2010年开始采集数据,监测要素包含气温、风向风速、能见度、雨量、地表温度、摩擦系数、路面状态等,时间分辨率为1次·s本文所用资料来自浙江省气象局网络中心,资料时段为2010—2016年,主要研究时段为夏季(6—8月)。逐日选取气温、路表温度分钟资料中的最大值,建立自动站的日最高气温和日最高路表温度序列。以舟山站(站号58477)逐时日照时数序列代表太阳辐射,探索其对跨海大桥路表温度的影响。1.2判定条件户外自动站由于设备故障,易出现数据错误,因此对2010—2016年全年的大桥自动站日最高气温序列(tmax以ZX101—ZX113共13个站平均的日最高气温13个自动站日最高气温和日最高路表温度的标准化序列:参考WMO规定,标准化量|A|≥2.0时可判定数据为异常值的规则,为剔除错误数据的同时保留地理位置导致的要素差异,对判定规则进行适当调整,设置条件如下:当同时满足以下(1)、(2)时,记该数据为错误值。通过上述条件,判定出日最高气温和日最高路表温度序列错误总数分别达519个和401个,占有效数据(有效数据=原始数据-缺测值)的2.2%和1.9%。例如ZX103站,2010年1—5月的日最高气温出现多个恒定值,8月的日最高路表温度较其余站点偏低达20℃;ZX104站,2012年5—10月的日最高气温和日最高路表温度出现多个负值。由此可见,判定条件对于错误数据有较好的反映能力。经过上述空间一致性检查,错误数据结果详见表2。按照错误数据占比≥3.0%的规则剔除站点,最终选定ZX102、ZX105—ZX112共9个站点进行跨海大桥夏季气温、路表温度特征分析。2结果分析2.1夏季气温、路表温度分布为突出地理位置引起的气温、路表温度差异,以9个选定站点的气温、路表温度月平均值作为大桥平均状态,计算6—8月站点相对于平均状态的距平值,并以最高气温距平(Δtmax由图3可知,同一站点的夏季特征点分布相对集中,除ZX102和ZX111以外,其余站点6—8月特征点处于同一象限,即气温距平、路表温度距平在夏季持续为正或为负。这表明,相对于跨海大桥平均状态而言,站点气温、路表温度距平不随时间出现正负跳跃变化,距平的正负应与站点所处地理位置有关。鉴于各站点气温、路表温度在夏季的持续性特征,计算整个夏季的距平以突出气温、路表温度随站点位置的变化。如图3所示,由西向东(ZX102→ZX112),最高气温距平呈“递减—弱递增”趋势:以册子岛(ZX109)为分界点,册子岛以西站点(ZX102—ZX108)最高气温距平由“+”转“-”;册子岛以东至岑港大桥,最高气温距平有微弱的转“+”趋势,尤其在册子岛上(ZX109),距平明显大于周边站,但册子岛以东(ZX109—ZX112)的最高气温正距平仍比宁波镇海临近站点(ZX102)小。上述结果表明,舟山跨海大桥下垫面由陆地向海岛过渡中(ZX102→ZX112),夏季最高气温总体呈递减趋势,远离陆地时最高气温下降,靠近海岛时最高气温有略微上升。与气温距平不同,最高路表温度距平没有随地形过渡呈渐变趋势,而常出现临近站点距平反向变化特征,将路表温度距平与站点所在位置的下垫面类型对比可得到以下规律:下垫面为海面时(ZX105、ZX106、ZX108、ZX112),最高路表温度距平为正;下垫面为陆地时(ZX102、ZX107、ZX109),最高路表温度距平为负。但站点ZX110和ZX111不符合上述规律,其下垫面为海面,但路表温度距平为负值。结合站点分布(图1、表1)可知,ZX110—ZX112位于跨海大桥连接多个岛屿、海陆转换过渡频繁的路段,地形和局地小气候可能导致ZX110、ZX111路表温度不符合上述规律。忽略海岛复杂地形的影响,仅对站点ZX102—ZX109,可以得出结论,海面上的桥面温度比陆地上的桥面温度高,即海面上的路段车辆爆胎风险更高。2.2夏季气温、路表温度分布为验证跨海大桥上气温和路表温度变化规律,分区间统计了高温(tmax≥35℃)频率和有爆胎风险路表温度(tsmax≥50℃)频率分布特征,如图4所示。图4a显示册子岛以西(ZX102—ZX108)35℃以上气温占比呈逐渐下降趋势,其中ZX106—ZX108站气温35℃以上发生频率明显低于跨海大桥的平均频率,册子岛及其以东ZX109和ZX111高温占比高于平均频率。由此可见,高温频率与夏季气温距平分布规律一致,即以册子岛为分界点,自西向东先递减,后弱递增。图4b中路表温度频率分布与夏季距平规律也基本一致,除受海岛地形影响的ZX110、ZX111外,位于海面上方的站点ZX105、ZX106、ZX108、ZX112路表温度≥50℃的出现频率高于跨海大桥平均频率,其余站点均低于平均频率。忽略海岛复杂地形的影响,可以看出,下垫面为海面的路段,路表温度≥50℃的频率均高于平均频率;下垫面为陆地的路段,路表温度≥50℃的发生频率均低于平均频率。综上所述,舟山跨海大桥下垫面自西向东“大陆—海面—海岛”的过渡中,其夏季最高气温分布呈现“递减—弱递增”的渐变趋势,即大陆向海面过渡时为递减,海面向海岛过渡时为递增。最高路表温度分布则与桥面下方的下垫面类型相关,下垫面为海面的站点路表温度高,下垫面为陆地的站点路表温度低。本文不考虑海岛复杂地形的影响,根据最高路表温度的分布特征将站点分为海面类(ZX105、ZX106、ZX108)和陆地类(ZX102、ZX107、ZX109),并以此分类为基础,建立路表温度统计模型。2.3理论模型的建立前人建立路表温度预测模型,多将气温和太阳辐射作为影响路表温度重要因子考虑太阳辐射对路面温度影响的累积性,先利用相关系数,确定与最高路表温度相关最密切的日照时段。计算结果表明,与最高路表温度相关性最高的日照时次多为12时,从相关系数的日变化来看,相关高值区为10—14时(图略)。比较最高路表温度与单时次日照、累计日照(10—12时、10—14时)的相关系数(均通过了显著性检验),如图5所示。累计日照时数与最高路表温度的相关均高于单时次相关,其中10—14时累计日照与最高路表温度相关性最高。因此,选取10—14时累计日照时数(s)与日最高气温(tmax)为因子,建立海面类、陆地类最高路表温度(tsmax)的预报模型。利用SPSS进行逐步多元回归建立统计模型,得到结果如下:海面类最高路表温度统计模型:陆地类最高路表温度统计模型:式(5)—式(6)中,tsmax为日最高路表温度预测值,tmax为日最高气温,s为10—14时累计日照时数。模型的统计量F以及各项系数、常数均通过α=0.05的显著性检验,建立的模型和变量均具有统计学意义。陆地类统计模型的复相关系数R=0.91,调整的决定系数R由预测值与实测值的散点分布(图6)可知,陆地类和海面类模型预测值与实测值较为均匀地分布在y=x参考线两侧,大部分散点位于95%的置信度区间内。进一步对比路表温度实测值与预测值,发现两类预测模型对于≥50℃的路表温度,预测值总体偏低,陆地类平均偏低2.1℃,海面类平均偏低1.9℃,相对误差的平均值分别达5.67%和7.29%。由此可见,统计模型整体拟合效果尚可,但具体到每个路表温度样本,预测值与实测值之间仍可能存在较大偏差,这可能与多元回归模型的样本分布有关,对于样本量少的取值范围两端,统计模型的模拟效果较差。此外,用日照时数代表太阳辐射只能表征时长,并不能反映辐射强度,可能影响模拟效果,大桥自动站监测数据的不准确也可能造成偏差。统计模型无法对每个样本做到精确的模拟,但仍反映了陆地类和海面类站点路表温度的差异。从统计模型看,两类模型最高气温项的系数相差不大,但日照项系数相差明显,海面类日照项对于路表温度的贡献明显大于陆地类,这也是跨海大桥路表温度特点的反向印证,但下垫面造成路表温度差异的原因仍不明确。3版本地理单站5个月的日气温有下降或下降,但年际气温偏低,但与宁波东北部分类比较,以自然市本文以舟山跨海大桥为研究对象,在对日最高气温和日最高路表温度进行质量控制的基础上发现:(1)舟山跨海大桥最高气温和最高路表温度有夏季持续性特征,即日最高气温和日最高路表温度在夏季持续偏高或偏低,其距平正负不随时间反转;(2)跨海大桥日最高气温自西向东呈“递减—弱递增”趋势,以册子岛为分界点,册子岛以西日最高气温逐渐降低,册子岛及其以东日最高气温有弱升高趋势,但与宁波镇海附近站点相比,日最高气温仍偏低;(3)对册子岛以西站点而言,下垫面为陆地时,最高路表温度距平为正,下垫面为海面时,最高路表温度距平为负,即日最高路表温度分布随下垫面类型变化。但当跨海大桥连接众多小岛时,受海岛局地气候或地形的影响,册子岛以东站点日最高路表温度分布不满足上述规律。(4)以日最高气温和累计日照时数为因子,分别建立陆地类和海面类的日最高路表温度的线性统计模