南充市高速公路夏季高温爆胎预警研究

何强　王增武　卢德全　周耀鑫　周子钦

摘 要：本文根据2019年6—9月进行的地温与气温对比观测数据，首先分析了气温和路面温度平均日变化特征，然后分析路面最高温度与气温进行相关性，并建立了根据气温进行路面最高温度预测的线性方程，之后结合南充市6—9月的实测气温，制定高速公路夏季高温爆胎预警等级标准，最后选取高速公路爆胎事故对夏季高温爆胎预警等级标准进行验证。验证结果表明，夏季高温爆胎阈值预警方法可靠，具有参考意义。

关键词：高温爆胎阈值;预警预报;南充市;高速公路

中图分类号：U492.8文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）13-0084-06

Study on Early Warning of High Temperature Tire Burst

in Nanchong Expressway in Summer

HE Qiang1 WANG Zengwu1 LU Dequan2 ZHOU Yaoxin1 ZHOU Ziqin2

（1.College of Resources and Environment， Chengdu University of Information Technology，Chengdu Sichuan 610225;2.Nanchong Meteorological Bureau，Nanchong Sichuan 637000）

Abstract： Based on the comparative observation data of ground temperature and air temperature from June to September 2019， this paper first analyzed the daily variation characteristics of air temperature and road surface temperature， then analyzed the correlation between the highest temperature of road surface and air temperature， and established a linear formula for predicting the highest temperature of road surface according to air temperature. Then， combined with the measured air temperature from June to September in Nanchong City， the high temperature tire burst prediction of expressway in summer was made. Finally， the early warning standard of high temperature tire burst in summer was verified by selecting the highway tire burst accident. The results show that the method is reliable and has reference significance.

Keywords： high temperature tire burst threshold;prediction;nanchong city;expressway

1 研究背景

近年來，我国经济飞速发展，交通基建行业也随之发展。南充市作为四川省下辖地级市，无论是路网的覆盖范围、公路里程数，还是路网密度等方面，都有了重大突破。截至2019年底，南充市境内高速公路已通车10条、正在建设中5条;国省干道已通车6条、正在建设中4条;南充市公路网总里程已达2.27万km，其中高速公路网已通车总里程共计543 km，路网密度182.1 km/100 km2，南充市主要高速公路分布如图1所示。随着南充市高速公路建设的发展，高速公路发生交通事故的数量也呈现上升趋势。有关研究表明，30%～40%的高速公路交通事故是由高温爆胎引起的，其中夏季高温爆胎事故占全年的75%以上[1-2]，因此，高速公路夏季高温爆胎的预警对交通安全具有重要意义。

研究高速公路夏季高温爆胎阈值和预警，首先应对高速公路路面温度进行分析。近年来，朱承瑛等[3]、袁成松等[4]、田华等[5]、吴晟等[6]、曲晓黎等[7]、梁乃兴等[8]都对高速公路路面温度进行了研究，并且对路面温度温和气温建立了函数关系;马淑红等[9]、马筛艳等[10]、隋东等[11]都对公路爆胎的路面温度阈值进行了相关研究，并根据气象观测及预报数据进行了预警。

本文将南充市内高速公路作为研究对象，以2019年6—9月的气温和高速公路路面温度实测数据为基础，结合高速公路爆胎事故数据，对南充市高速公路夏季高温爆胎阈值和预警进行研究，以进一步提升南充市交通气象服务质量。

2 数据来源及处理

根据2019年6—9月南充市高坪区域站S4009气温观测小时数据，同期进行的高坪区域站附近兰海高速公路路面温度小时观测数据，按晴、多云等不同的天气状况进行分类筛选，并选取晴天观测数据作为研究夏季高温爆胎的基础数据;高速公路爆胎事故数据选自四川交警五分局提供的南充市境内由夏季高温引起爆胎的事故数据。

3 气温和路面温度平均日变化特征分析

对气温和路面温度按小时进行平均，分别分析气温及路面温度的时间变化特征，图2至图5是南充市6—9月气温和高速公路路面温度的日变化特征。从图上可以看出，6—9月路面平均温度均大于平均气温。晚上19：00至次日07：00，路面温度略高于气温，且两者随时间的变化幅度基本相同;早上08：00至下午15：00，气温和路面温度都呈现上升趋势，但路面温度的上升速度更快;下午15：00至傍晚18：00，路面温度开始陡降，气温缓慢下降，并明显滞后于路面温度的下降时间。

从月份上对比来看，7月和8月中午路面温度与气温相差大，路面温度变化幅度更大。6月平均路面温度最大值为47.5 ℃，出现在15：00，气温最大值为30.3 ℃，出现在17：00;7月平均路面温度最大值为47.5 ℃，出现在15：00，气温最大值为31.9 ℃，出现在16：00;8月平均路面温度最大值为56.5 ℃，出现在15：00，气温最大值为35 ℃，出现在16：00;9月平均路面温度最大值为41.5 ℃，出现在14：00，气温最大值为27.5 ℃，出现在15：00。6月08：00—15：00的平均路面温度温差为19.9 ℃，平均升幅为2.84 ℃/h，上升最快的时间段为09：00—10：00，升幅为5.2 ℃/h;7月08：00—15：00的平均路面温度温差为22.8 ℃，平均升幅为3.26 ℃/h，上升最快的时间段为09：00—10：00，升幅为6.1 ℃/h;8月08：00—14：00的平均路面温度温差为25 ℃，平均升幅为4.17 ℃/h，上升最快的时间段为08：00—09：00，升幅为8.1 ℃/h;9月8：00—14：00的平均路面温度温差为17.5 ℃，平均升幅为2.92 ℃/h，上升最快的时间段为08：00—09：00，升幅为3.85 ℃/h。

从上述气温和路面温度的变化特征可以看出，6—9月早上08：00之后，太阳辐射逐渐增强，气温和路面温度均开始升高，但路面温度的上升速度更快，路面最高温度时间早于气温，其直接原因是高速公路沥青路面吸收太阳短波辐射;下午15：00之后，太阳辐射减弱，沥青路面放出的长波辐射能量大于吸收短波辐射能量，路面温度明显下降;入夜后，沥青路面会发出长波辐射并放出热量，但释放的热量不足以使路面温度与气温平衡，所以晚上路面温度也大于气温。进入8月份后，太阳直射北回归线附近，导致8月份的气温和路面温度比其他几个月高。

对每日各时次最高路面温度进行分析，图6至9为6—9月日路面最高温度各时次概率分布。从图上可以看出，6月份路面最高温度出现在15：00的概率最大，为31%;7月路面最高温度出现在14：00的概率最大，为27%;8月路面最高温度出现在14：00的概率最大，为59%;9月路面最高温度出现在13：00的概率最大，为39%。由此可见，出现日最高路面温度的时间段基本分布在13：00—15：00，说明该时间段汽车在高速公路爆胎的风险最大。

4 日最高路面温度预测方程研究

为了更好地探究路面温度与气温的关系，本文利用日最高路面温度和各时次的气温做相关性分析。6—9月的日最高路面温度与气温相关性分析结果如表1至表4所示。分析结果表明，在13：00—16：00，气温和日最高路面温度都有良好的相关性。在0.005的显著性水平下，6月份在15：00的相关系数最高，为0.864;7月份在15：00的相关系数最高，为0.831;8月份在14：00的相关系数最高，为0.868;9月份在14：00相关系数最高，为0.853。因此，分别用15：00、15：00、14：00、14：00的气温来建立6月、7月、8月和9月的最高路面温度预测方程。

选取与日最高路面温度相关系数最高的时次对最高路面温度做线性模拟，结果如表5所示，模拟结果均已通过0.005的显著性水平检验，结果具有统计学意义。

根据模拟结果，可以建立以下预测方程。

6月日最高路面温度预测：

7月日最高路面温度预测：

8月日最高路面温度预测：

9月日最高路面温度预测：

其中：[Tmax]为最高路面温度;[T14]为14：00气温;[T15]为15：00气温。

5 夏季高温爆胎阈值方法研究

李杰等[12]和王曉军等[13]经过大量实验数据的研究分析和模型计算得到轮胎最高温度与行驶速度和地表温度的线性方程：

式中，[Tmax-斜交]为斜交轮胎最高温度;[Tmax-子午线]为子午线轮胎最高温度;[V]为汽车行驶速度;[T0]为路面温度。

目前，斜交轮胎在汽车备胎、摩托车、农用车辆使用较多，并不是高速公路上主流车辆使用的轮胎类型，所以本文对高温爆胎阈值研究以子午线轮胎类型为主。

田小毅等[2]的研究指出，当轮胎内部温度在100 ℃内时，为正常温度，一旦轮胎温度超过140 ℃，将达到轮胎的硫化点，进而引发爆胎危险。因此，本文将轮胎内部温度引入爆胎危险进行阈值划分：100～109 ℃不易发生爆胎;110～119 ℃有爆胎风险;120～129 ℃较易发生爆胎;130～139 ℃易发生爆胎;大于等于140 ℃极易爆胎。以高速公路上平均车速100 km/h为标准，结合公式（6）计算可得，当路面温度小于24 ℃时不易爆胎;当路面温度为25～39 ℃时较易爆胎;当路面温度为40～63 ℃时易爆胎;当路面温度大于40～63 ℃时极易爆胎。路面温度阈值如表6所示。

在实际的高温爆胎预警预报业务应用中，如果按照月份进行预警，预警模型较为复杂。为了简化高温爆胎预警的流程，提高实际运用中对爆胎预警的效率，本文对南充市夏季各时次温度与日最高路面温度相关性进行分析，发现在14：00时，气温与当日最高路面温度相关系数最高，为0.853。将日最高路面温度与14：00气温做线性模拟，模拟结果如表7所示。

根据模拟结果，可建立如下夏季最高路面温度预测方程：

其中：[Tmax]为最高路面温度;[T14]为14：00气温。

根据爆胎路面温度阈值，结合夏季最高路面温度预测方程可得南充市高速公路夏季高温爆胎预警等级标准，如表8所示。

6 夏季高温爆胎阈值方法的检验

据不完全统计，2019年6—9月南充市高速公路发生14起爆胎事故。经过统计14起事故发生时的对应气象站的气温数据，根据南充市高速公路夏季高温爆胎预警等级标准进行预测，具体结果如表9所示。14起爆胎均成功预警，说明夏季高温爆胎阈值方法可靠，具有参考意义。

7 结论

①南充市夏季各时次路面温度大于对应时次的气温;早上08：00到下午15：00，气温和路面温度都呈现上升趋势且路面温度上升速度更快;下午15：00到傍晚18：00，路面温度开始陡降，气温缓慢下降并明显滞后于路面温度。

②南充市夏季的日最高路面温度绝大多数分布在13：00—15：00，是发生高速公路爆胎事故高风险时段。

③各时次气温和日最高路面温度相关性最好的时间段为13：00—16：00。

参考文献：

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[2]田小毅，张振东，鲍婧，等.沪宁高速公路高温爆胎阈值和爆胎风险指数的研究[J].灾害学，2017（4）：114-119.

[3]朱承瑛，谢志清，严明良，等.高速公路路面温度极值预报模型研究[J].气象科学，2009（5）：645-650.

[4]袁成松，严明良，王秋云，等.沪宁高速公路高温预警指标及预报模型的研究[J].气象科学，2012（2）：210-218.

[5]田华，吴昊，赵琳娜，等.沪宁高速公路路面温度变化特征及统计模型[J].应用气象学报，2009（6）：737-744.

[6]吴晟，吴兑，邓雪娇，等.南岭山地高速公路路面溫度变化特征分析[J].气象科技，2006（6）：783-787.

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[8]梁乃兴，俞靖洋，于伟，等.基于实测数据的沥青路面温度场年变化回归分析[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2019（11）：63-68.

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[10]马筛艳，马金仁，孙卫武，等.银川市路面温度预报与爆胎指数预报方法研究[J].干旱气象，2013（4）：188-193.

[11]隋东，梁红，安昕，等.沈阳爆胎气象条件指数预报方法研究[J].干旱气象，2017（5）：893-898.

[12]李杰，王庆年，赵子亮，等.高速滚动汽车轮胎稳态温度场分布的数值研究[J].汽车工程，2003（3）：256-259.

[13]王晓军.子午线轮胎温度场有限元分析与测试[D].合肥：中国科学技术大学，2004.

收稿日期：2020-04-07

基金项目：高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室科技发展基金项目（SCQXKJZD2019004）;风云三号（02 批）气象卫星地面应用系统工程西南区域道路交通卫星遥感监测服务应用软件研制（ZQC-J19193）。

作者简介：何强（1994—），男，硕士在读，研究方向：3S集成与气象应用、道路气象服务。