舟山跨海大橋夏季路表溫度分布特征及統(tǒng)計(jì)模型

舟山跨海大橋夏季路表溫度分布特征及統(tǒng)計(jì)模型

總結(jié)能見(jiàn)度條件對(duì)道路運(yùn)輸有顯著影響。雨水減少了路面的系數(shù)，容易引發(fā)交通事故。嚴(yán)作人對(duì)于大橋的路表溫度,前人更多關(guān)注冬季橋面結(jié)冰問(wèn)題1數(shù)據(jù)和方法1.1資料來(lái)源和數(shù)據(jù)來(lái)源舟山跨海大橋沿線共布有13個(gè)自動(dòng)氣象站(見(jiàn)圖1表1),自動(dòng)站所處橋面的下方有陸地也有海面,尤其在冊(cè)子島以東,大橋連接了富翅、里釣和舟山本島的岑港,下墊面地形復(fù)雜,多海陸過(guò)渡地帶,氣象要素的分布特征也相對(duì)復(fù)雜。大橋沿線自動(dòng)站自2010年開(kāi)始采集數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)要素包含氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、能見(jiàn)度、雨量、地表溫度、摩擦系數(shù)、路面狀態(tài)等,時(shí)間分辨率為1次·s本文所用資料來(lái)自浙江省氣象局網(wǎng)絡(luò)中心,資料時(shí)段為2010—2016年,主要研究時(shí)段為夏季(6—8月)。逐日選取氣溫、路表溫度分鐘資料中的最大值,建立自動(dòng)站的日最高氣溫和日最高路表溫度序列。以舟山站(站號(hào)58477)逐時(shí)日照時(shí)數(shù)序列代表太陽(yáng)輻射,探索其對(duì)跨海大橋路表溫度的影響。1.2判定條件戶外自動(dòng)站由于設(shè)備故障,易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤,因此對(duì)2010—2016年全年的大橋自動(dòng)站日最高氣溫序列(tmax以ZX101—ZX113共13個(gè)站平均的日最高氣溫13個(gè)自動(dòng)站日最高氣溫和日最高路表溫度的標(biāo)準(zhǔn)化序列:參考WMO規(guī)定,標(biāo)準(zhǔn)化量|A|≥2.0時(shí)可判定數(shù)據(jù)為異常值的規(guī)則,為剔除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的同時(shí)保留地理位置導(dǎo)致的要素差異,對(duì)判定規(guī)則進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,設(shè)置條件如下:當(dāng)同時(shí)滿足以下(1)、(2)時(shí),記該數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤值。通過(guò)上述條件,判定出日最高氣溫和日最高路表溫度序列錯(cuò)誤總數(shù)分別達(dá)519個(gè)和401個(gè),占有效數(shù)據(jù)(有效數(shù)據(jù)=原始數(shù)據(jù)-缺測(cè)值)的2.2%和1.9%。例如ZX103站,2010年1—5月的日最高氣溫出現(xiàn)多個(gè)恒定值,8月的日最高路表溫度較其余站點(diǎn)偏低達(dá)20℃;ZX104站,2012年5—10月的日最高氣溫和日最高路表溫度出現(xiàn)多個(gè)負(fù)值。由此可見(jiàn),判定條件對(duì)于錯(cuò)誤數(shù)據(jù)有較好的反映能力。經(jīng)過(guò)上述空間一致性檢查,錯(cuò)誤數(shù)據(jù)結(jié)果詳見(jiàn)表2。按照錯(cuò)誤數(shù)據(jù)占比≥3.0%的規(guī)則剔除站點(diǎn),最終選定ZX102、ZX105—ZX112共9個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行跨海大橋夏季氣溫、路表溫度特征分析。2結(jié)果分析2.1夏季氣溫、路表溫度分布為突出地理位置引起的氣溫、路表溫度差異,以9個(gè)選定站點(diǎn)的氣溫、路表溫度月平均值作為大橋平均狀態(tài),計(jì)算6—8月站點(diǎn)相對(duì)于平均狀態(tài)的距平值,并以最高氣溫距平(Δtmax由圖3可知,同一站點(diǎn)的夏季特征點(diǎn)分布相對(duì)集中,除ZX102和ZX111以外,其余站點(diǎn)6—8月特征點(diǎn)處于同一象限,即氣溫距平、路表溫度距平在夏季持續(xù)為正或?yàn)樨?fù)。這表明,相對(duì)于跨海大橋平均狀態(tài)而言,站點(diǎn)氣溫、路表溫度距平不隨時(shí)間出現(xiàn)正負(fù)跳躍變化,距平的正負(fù)應(yīng)與站點(diǎn)所處地理位置有關(guān)。鑒于各站點(diǎn)氣溫、路表溫度在夏季的持續(xù)性特征,計(jì)算整個(gè)夏季的距平以突出氣溫、路表溫度隨站點(diǎn)位置的變化。如圖3所示,由西向東(ZX102→ZX112),最高氣溫距平呈“遞減—弱遞增”趨勢(shì):以冊(cè)子島(ZX109)為分界點(diǎn),冊(cè)子島以西站點(diǎn)(ZX102—ZX108)最高氣溫距平由“+”轉(zhuǎn)“-”;冊(cè)子島以東至岑港大橋,最高氣溫距平有微弱的轉(zhuǎn)“+”趨勢(shì),尤其在冊(cè)子島上(ZX109),距平明顯大于周邊站,但冊(cè)子島以東(ZX109—ZX112)的最高氣溫正距平仍比寧波鎮(zhèn)海臨近站點(diǎn)(ZX102)小。上述結(jié)果表明,舟山跨海大橋下墊面由陸地向海島過(guò)渡中(ZX102→ZX112),夏季最高氣溫總體呈遞減趨勢(shì),遠(yuǎn)離陸地時(shí)最高氣溫下降,靠近海島時(shí)最高氣溫有略微上升。與氣溫距平不同,最高路表溫度距平?jīng)]有隨地形過(guò)渡呈漸變趨勢(shì),而常出現(xiàn)臨近站點(diǎn)距平反向變化特征,將路表溫度距平與站點(diǎn)所在位置的下墊面類(lèi)型對(duì)比可得到以下規(guī)律:下墊面為海面時(shí)(ZX105、ZX106、ZX108、ZX112),最高路表溫度距平為正;下墊面為陸地時(shí)(ZX102、ZX107、ZX109),最高路表溫度距平為負(fù)。但站點(diǎn)ZX110和ZX111不符合上述規(guī)律,其下墊面為海面,但路表溫度距平為負(fù)值。結(jié)合站點(diǎn)分布(圖1、表1)可知,ZX110—ZX112位于跨海大橋連接多個(gè)島嶼、海陸轉(zhuǎn)換過(guò)渡頻繁的路段,地形和局地小氣候可能導(dǎo)致ZX110、ZX111路表溫度不符合上述規(guī)律。忽略海島復(fù)雜地形的影響,僅對(duì)站點(diǎn)ZX102—ZX109,可以得出結(jié)論,海面上的橋面溫度比陸地上的橋面溫度高,即海面上的路段車(chē)輛爆胎風(fēng)險(xiǎn)更高。2.2夏季氣溫、路表溫度分布為驗(yàn)證跨海大橋上氣溫和路表溫度變化規(guī)律,分區(qū)間統(tǒng)計(jì)了高溫(tmax≥35℃)頻率和有爆胎風(fēng)險(xiǎn)路表溫度(tsmax≥50℃)頻率分布特征,如圖4所示。圖4a顯示冊(cè)子島以西(ZX102—ZX108)35℃以上氣溫占比呈逐漸下降趨勢(shì),其中ZX106—ZX108站氣溫35℃以上發(fā)生頻率明顯低于跨海大橋的平均頻率,冊(cè)子島及其以東ZX109和ZX111高溫占比高于平均頻率。由此可見(jiàn),高溫頻率與夏季氣溫距平分布規(guī)律一致,即以冊(cè)子島為分界點(diǎn),自西向東先遞減,后弱遞增。圖4b中路表溫度頻率分布與夏季距平規(guī)律也基本一致,除受海島地形影響的ZX110、ZX111外,位于海面上方的站點(diǎn)ZX105、ZX106、ZX108、ZX112路表溫度≥50℃的出現(xiàn)頻率高于跨海大橋平均頻率,其余站點(diǎn)均低于平均頻率。忽略海島復(fù)雜地形的影響,可以看出,下墊面為海面的路段,路表溫度≥50℃的頻率均高于平均頻率;下墊面為陸地的路段,路表溫度≥50℃的發(fā)生頻率均低于平均頻率。綜上所述,舟山跨海大橋下墊面自西向東“大陸—海面—海島”的過(guò)渡中,其夏季最高氣溫分布呈現(xiàn)“遞減—弱遞增”的漸變趨勢(shì),即大陸向海面過(guò)渡時(shí)為遞減,海面向海島過(guò)渡時(shí)為遞增。最高路表溫度分布則與橋面下方的下墊面類(lèi)型相關(guān),下墊面為海面的站點(diǎn)路表溫度高,下墊面為陸地的站點(diǎn)路表溫度低。本文不考慮海島復(fù)雜地形的影響,根據(jù)最高路表溫度的分布特征將站點(diǎn)分為海面類(lèi)(ZX105、ZX106、ZX108)和陸地類(lèi)(ZX102、ZX107、ZX109),并以此分類(lèi)為基礎(chǔ),建立路表溫度統(tǒng)計(jì)模型。2.3理論模型的建立前人建立路表溫度預(yù)測(cè)模型,多將氣溫和太陽(yáng)輻射作為影響路表溫度重要因子考慮太陽(yáng)輻射對(duì)路面溫度影響的累積性,先利用相關(guān)系數(shù),確定與最高路表溫度相關(guān)最密切的日照時(shí)段。計(jì)算結(jié)果表明,與最高路表溫度相關(guān)性最高的日照時(shí)次多為12時(shí),從相關(guān)系數(shù)的日變化來(lái)看,相關(guān)高值區(qū)為10—14時(shí)(圖略)。比較最高路表溫度與單時(shí)次日照、累計(jì)日照(10—12時(shí)、10—14時(shí))的相關(guān)系數(shù)(均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)),如圖5所示。累計(jì)日照時(shí)數(shù)與最高路表溫度的相關(guān)均高于單時(shí)次相關(guān),其中10—14時(shí)累計(jì)日照與最高路表溫度相關(guān)性最高。因此,選取10—14時(shí)累計(jì)日照時(shí)數(shù)(s)與日最高氣溫(tmax)為因子,建立海面類(lèi)、陸地類(lèi)最高路表溫度(tsmax)的預(yù)報(bào)模型。利用SPSS進(jìn)行逐步多元回歸建立統(tǒng)計(jì)模型,得到結(jié)果如下:海面類(lèi)最高路表溫度統(tǒng)計(jì)模型:陸地類(lèi)最高路表溫度統(tǒng)計(jì)模型:式(5)—式(6)中,tsmax為日最高路表溫度預(yù)測(cè)值,tmax為日最高氣溫,s為10—14時(shí)累計(jì)日照時(shí)數(shù)。模型的統(tǒng)計(jì)量F以及各項(xiàng)系數(shù)、常數(shù)均通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn),建立的模型和變量均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。陸地類(lèi)統(tǒng)計(jì)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.91,調(diào)整的決定系數(shù)R由預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的散點(diǎn)分布(圖6)可知,陸地類(lèi)和海面類(lèi)模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值較為均勻地分布在y=x參考線兩側(cè),大部分散點(diǎn)位于95%的置信度區(qū)間內(nèi)。進(jìn)一步對(duì)比路表溫度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值,發(fā)現(xiàn)兩類(lèi)預(yù)測(cè)模型對(duì)于≥50℃的路表溫度,預(yù)測(cè)值總體偏低,陸地類(lèi)平均偏低2.1℃,海面類(lèi)平均偏低1.9℃,相對(duì)誤差的平均值分別達(dá)5.67%和7.29%。由此可見(jiàn),統(tǒng)計(jì)模型整體擬合效果尚可,但具體到每個(gè)路表溫度樣本,預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間仍可能存在較大偏差,這可能與多元回歸模型的樣本分布有關(guān),對(duì)于樣本量少的取值范圍兩端,統(tǒng)計(jì)模型的模擬效果較差。此外,用日照時(shí)數(shù)代表太陽(yáng)輻射只能表征時(shí)長(zhǎng),并不能反映輻射強(qiáng)度,可能影響模擬效果,大橋自動(dòng)站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確也可能造成偏差。統(tǒng)計(jì)模型無(wú)法對(duì)每個(gè)樣本做到精確的模擬,但仍反映了陸地類(lèi)和海面類(lèi)站點(diǎn)路表溫度的差異。從統(tǒng)計(jì)模型看,兩類(lèi)模型最高氣溫項(xiàng)的系數(shù)相差不大,但日照項(xiàng)系數(shù)相差明顯,海面類(lèi)日照項(xiàng)對(duì)于路表溫度的貢獻(xiàn)明顯大于陸地類(lèi),這也是跨海大橋路表溫度特點(diǎn)的反向印證,但下墊面造成路表溫度差異的原因仍不明確。3版本地理單站5個(gè)月的日氣溫有下降或下降,但年際氣溫偏低,但與寧波東北部分類(lèi)比較,以自然市本文以舟山跨海大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,在對(duì)日最高氣溫和日最高路表溫度進(jìn)行質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn):(1)舟山跨海大橋最高氣溫和最高路表溫度有夏季持續(xù)性特征,即日最高氣溫和日最高路表溫度在夏季持續(xù)偏高或偏低,其距平正負(fù)不隨時(shí)間反轉(zhuǎn);(2)跨海大橋日最高氣溫自西向東呈“遞減—弱遞增”趨勢(shì),以冊(cè)子島為分界點(diǎn),冊(cè)子島以西日最高氣溫逐漸降低,冊(cè)子島及其以東日最高氣溫有弱升高趨勢(shì),但與寧波鎮(zhèn)海附近站點(diǎn)相比,日最高氣溫仍偏低;(3)對(duì)冊(cè)子島以西站點(diǎn)而言,下墊面為陸地時(shí),最高路表溫度距平為正,下墊面為海面時(shí),最高路表溫度距平為負(fù),即日最高路表溫度分布隨下墊面類(lèi)型變化。但當(dāng)跨海大橋連接眾多小島時(shí),受海島局地氣候或地形的影響,冊(cè)子島以東站點(diǎn)日最高路表溫度分布不滿足上述規(guī)律。(4)以日最高氣溫和累計(jì)日照時(shí)數(shù)為因子,分別建立陸地類(lèi)和海面類(lèi)的日最高路表溫度的線性統(tǒng)計(jì)模