舟山跨海大橋夏季路表溫度分布特征及統(tǒng)計模型

舟山跨海大橋夏季路表溫度分布特征及統(tǒng)計模型

總結能見度條件對道路運輸有顯著影響。雨水減少了路面的系數(shù)，容易引發(fā)交通事故。嚴作人對于大橋的路表溫度,前人更多關注冬季橋面結冰問題1數(shù)據(jù)和方法1.1資料來源和數(shù)據(jù)來源舟山跨海大橋沿線共布有13個自動氣象站(見圖1表1),自動站所處橋面的下方有陸地也有海面,尤其在冊子島以東,大橋連接了富翅、里釣和舟山本島的岑港,下墊面地形復雜,多海陸過渡地帶,氣象要素的分布特征也相對復雜。大橋沿線自動站自2010年開始采集數(shù)據(jù),監(jiān)測要素包含氣溫、風向風速、能見度、雨量、地表溫度、摩擦系數(shù)、路面狀態(tài)等,時間分辨率為1次·s本文所用資料來自浙江省氣象局網(wǎng)絡中心,資料時段為2010—2016年,主要研究時段為夏季(6—8月)。逐日選取氣溫、路表溫度分鐘資料中的最大值,建立自動站的日最高氣溫和日最高路表溫度序列。以舟山站(站號58477)逐時日照時數(shù)序列代表太陽輻射,探索其對跨海大橋路表溫度的影響。1.2判定條件戶外自動站由于設備故障,易出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤,因此對2010—2016年全年的大橋自動站日最高氣溫序列(tmax以ZX101—ZX113共13個站平均的日最高氣溫13個自動站日最高氣溫和日最高路表溫度的標準化序列:參考WMO規(guī)定,標準化量|A|≥2.0時可判定數(shù)據(jù)為異常值的規(guī)則,為剔除錯誤數(shù)據(jù)的同時保留地理位置導致的要素差異,對判定規(guī)則進行適當調(diào)整,設置條件如下:當同時滿足以下(1)、(2)時,記該數(shù)據(jù)為錯誤值。通過上述條件,判定出日最高氣溫和日最高路表溫度序列錯誤總數(shù)分別達519個和401個,占有效數(shù)據(jù)(有效數(shù)據(jù)=原始數(shù)據(jù)-缺測值)的2.2%和1.9%。例如ZX103站,2010年1—5月的日最高氣溫出現(xiàn)多個恒定值,8月的日最高路表溫度較其余站點偏低達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)多個負值。由此可見,判定條件對于錯誤數(shù)據(jù)有較好的反映能力。經(jīng)過上述空間一致性檢查,錯誤數(shù)據(jù)結果詳見表2。按照錯誤數(shù)據(jù)占比≥3.0%的規(guī)則剔除站點,最終選定ZX102、ZX105—ZX112共9個站點進行跨海大橋夏季氣溫、路表溫度特征分析。2結果分析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個選定站點的氣溫、路表溫度月平均值作為大橋平均狀態(tài),計算6—8月站點相對于平均狀態(tài)的距平值,并以最高氣溫距平(Δtmax由圖3可知,同一站點的夏季特征點分布相對集中,除ZX102和ZX111以外,其余站點6—8月特征點處于同一象限,即氣溫距平、路表溫度距平在夏季持續(xù)為正或為負。這表明,相對于跨海大橋平均狀態(tài)而言,站點氣溫、路表溫度距平不隨時間出現(xiàn)正負跳躍變化,距平的正負應與站點所處地理位置有關。鑒于各站點氣溫、路表溫度在夏季的持續(xù)性特征,計算整個夏季的距平以突出氣溫、路表溫度隨站點位置的變化。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:以冊子島(ZX109)為分界點,冊子島以西站點(ZX102—ZX108)最高氣溫距平由“+”轉(zhuǎn)“-”;冊子島以東至岑港大橋,最高氣溫距平有微弱的轉(zhuǎn)“+”趨勢,尤其在冊子島上(ZX109),距平明顯大于周邊站,但冊子島以東(ZX109—ZX112)的最高氣溫正距平仍比寧波鎮(zhèn)海臨近站點(ZX102)小。上述結果表明,舟山跨海大橋下墊面由陸地向海島過渡中(ZX102→ZX112),夏季最高氣溫總體呈遞減趨勢,遠離陸地時最高氣溫下降,靠近海島時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)]有隨地形過渡呈漸變趨勢,而常出現(xiàn)臨近站點距平反向變化特征,將路表溫度距平與站點所在位置的下墊面類型對比可得到以下規(guī)律:下墊面為海面時(ZX105、ZX106、ZX108、ZX112),最高路表溫度距平為正;下墊面為陸地時(ZX102、ZX107、ZX109),最高路表溫度距平為負。但站點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值。結合站點分布(圖1、表1)可知,ZX110—ZX112位于跨海大橋連接多個島嶼、海陸轉(zhuǎn)換過渡頻繁的路段,地形和局地小氣候可能導致ZX110、ZX111路表溫度不符合上述規(guī)律。忽略海島復雜地形的影響,僅對站點ZX102—ZX109,可以得出結論,海面上的橋面溫度比陸地上的橋面溫度高,即海面上的路段車輛爆胎風險更高。2.2夏季氣溫、路表溫度分布為驗證跨海大橋上氣溫和路表溫度變化規(guī)律,分區(qū)間統(tǒng)計了高溫(tmax≥35℃)頻率和有爆胎風險路表溫度(tsmax≥50℃)頻率分布特征,如圖4所示。圖4a顯示冊子島以西(ZX102—ZX108)35℃以上氣溫占比呈逐漸下降趨勢,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,冊子島及其以東ZX109和ZX111高溫占比高于平均頻率。由此可見,高溫頻率與夏季氣溫距平分布規(guī)律一致,即以冊子島為分界點,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,其余站點均低于平均頻率。忽略海島復雜地形的影響,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”的過渡中,其夏季最高氣溫分布呈現(xiàn)“遞減—弱遞增”的漸變趨勢,即大陸向海面過渡時為遞減,海面向海島過渡時為遞增。最高路表溫度分布則與橋面下方的下墊面類型相關,下墊面為海面的站點路表溫度高,下墊面為陸地的站點路表溫度低。本文不考慮海島復雜地形的影響,根據(jù)最高路表溫度的分布特征將站點分為海面類(ZX105、ZX106、ZX108)和陸地類(ZX102、ZX107、ZX109),并以此分類為基礎,建立路表溫度統(tǒng)計模型。2.3理論模型的建立前人建立路表溫度預測模型,多將氣溫和太陽輻射作為影響路表溫度重要因子考慮太陽輻射對路面溫度影響的累積性,先利用相關系數(shù),確定與最高路表溫度相關最密切的日照時段。計算結果表明,與最高路表溫度相關性最高的日照時次多為12時,從相關系數(shù)的日變化來看,相關高值區(qū)為10—14時(圖略)。比較最高路表溫度與單時次日照、累計日照(10—12時、10—14時)的相關系數(shù)(均通過了顯著性檢驗),如圖5所示。累計日照時數(shù)與最高路表溫度的相關均高于單時次相關,其中10—14時累計日照與最高路表溫度相關性最高。因此,選取10—14時累計日照時數(shù)(s)與日最高氣溫(tmax)為因子,建立海面類、陸地類最高路表溫度(tsmax)的預報模型。利用SPSS進行逐步多元回歸建立統(tǒng)計模型,得到結果如下:海面類最高路表溫度統(tǒng)計模型:陸地類最高路表溫度統(tǒng)計模型:式(5)—式(6)中,tsmax為日最高路表溫度預測值,tmax為日最高氣溫,s為10—14時累計日照時數(shù)。模型的統(tǒng)計量F以及各項系數(shù)、常數(shù)均通過α=0.05的顯著性檢驗,建立的模型和變量均具有統(tǒng)計學意義。陸地類統(tǒng)計模型的復相關系數(shù)R=0.91,調(diào)整的決定系數(shù)R由預測值與實測值的散點分布(圖6)可知,陸地類和海面類模型預測值與實測值較為均勻地分布在y=x參考線兩側(cè),大部分散點位于95%的置信度區(qū)間內(nèi)。進一步對比路表溫度實測值與預測值,發(fā)現(xiàn)兩類預測模型對于≥50℃的路表溫度,預測值總體偏低,陸地類平均偏低2.1℃,海面類平均偏低1.9℃,相對誤差的平均值分別達5.67%和7.29%。由此可見,統(tǒng)計模型整體擬合效果尚可,但具體到每個路表溫度樣本,預測值與實測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,對于樣本量少的取值范圍兩端,統(tǒng)計模型的模擬效果較差。此外,用日照時數(shù)代表太陽輻射只能表征時長,并不能反映輻射強度,可能影響模擬效果,大橋自動站監(jiān)測數(shù)據(jù)的不準確也可能造成偏差。統(tǒng)計模型無法對每個樣本做到精確的模擬,但仍反映了陸地類和海面類站點路表溫度的差異。從統(tǒng)計模型看,兩類模型最高氣溫項的系數(shù)相差不大,但日照項系數(shù)相差明顯,海面類日照項對于路表溫度的貢獻明顯大于陸地類,這也是跨海大橋路表溫度特點的反向印證,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比較,以自然市本文以舟山跨海大橋為研究對象,在對日最高氣溫和日最高路表溫度進行質(zhì)量控制的基礎上發(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,其距平正負不隨時間反轉(zhuǎn);(2)跨海大橋日最高氣溫自西向東呈“遞減—弱遞增”趨勢,以冊子島為分界點,冊子島以西日最高氣溫逐漸降低,冊子島及其以東日最高氣溫有弱升高趨勢,但與寧波鎮(zhèn)海附近站點相比,日最高氣溫仍偏低;(3)對冊子島以西站點而言,下墊面為陸地時,最高路表溫度距平為正,下墊面為海面時,最高路表溫度距平為負,即日最高路表溫度分布隨下墊面類型變化。但當跨海大橋連接眾多小島時,受海島局地氣候或地形的影響,冊子島以東站點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日照時數(shù)為因子,分別建立陸地類和海面類的日最高路表溫度的線性統(tǒng)計模