CN102426399B

CN102426399B - 高速公路横风预警方法

Info

Publication number: CN102426399B
Application number: CN 201110256373
Authority: CN
Inventors: 段雅楠; 袁成松; 包云轩; 杨沈斌; 艾瑜霏
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-09-01
Also published as: CN102426399A

Abstract

本发明提供一种高速公路横风预警方法。高速公路上安装气象监测设备密度最大、数量最多、功能最全的首条高速公路。监测站可采集能见度、路面温度、空气温度、湿度、气压、风向、风速、雨量等气象要素。本方法可利用沪宁高速公路交通气象监测站（AWM）观测资料，并根据业务需要，生成指定时段内26个气象站平均风速、最大风速、风向频数、频率玫瑰图。再依据观测站所在高速公路走向，计算站点横风范围，生成横风预警图。26个站可单站显示，也可多站显示；可显示指定时段平均风状况，也可以动态显示时段内风变化（***流程如图9所示）。作为大风预报预警等气象决策服务提供参考指标。

Description

高速公路横风预警方法

技术领域

本发明涉及一种高速公路横风预警方法，属气象领域。

背景技术

当前我国的交通运输业正处于高速发展阶段，随着交通运输量的猛增和车辆行驶速度的提升，对交通运输中安全保障提出了更高的要求。交通运输属于对气象环境高度敏感的行业。浓雾、大风等是影响我国交通运输业的主要气象灾害。沪宁高速公路东起上海，西至南京，全路处于经济高度发展的苏南地区，属于亚热带季风湿润区。公路的中东段地形为平原，多河网，西段为丘陵，下垫面和低层空气中水汽丰富，每年自秋分到次年立夏浓雾多发，严重影响道路顺畅和行车安全。风资料处理***可以显示统计时间的风向状况和横风的发展变化，作为高速公路横风、大雾预警预报的参考。

沪宁高速AWMS气象监测***风玫瑰图介绍

风玫瑰图是根据某一地区多年平均统计的各个风向和风速的百分数值，并按一定比例绘制。一般多用八个或十六个罗盘方位表示。将罗盘上360°方位按照每22.5°一格划分为16格，将实时采集的各个风向统计到这16个方向上。玫瑰图上所表示的风向，是指风的来向，即从外面吹向测点的风向。风玫瑰图分为四种：风向频数玫瑰图、风向频率玫瑰图、最大风速玫瑰图、平均风速玫瑰图。风向频数玫瑰图是在一定时间内各种风向（已统计到16个风向）出现的次数。以各风向出现的次数为极坐标半径，对应风向为极角在极坐标描点，然后将各相邻方向的点用直线连接起来，绘成一个形式宛如玫瑰的闭合折线。就是风向频数玫瑰图。同样的方法，分别以频率、最大风速、平均风速为极坐标半径，风向为极角，就是频率、最大风速、平均风速玫瑰图。

风玫瑰图是研究长时间段风速风向分布的有利方法。它通过统计一个地区风向风速的规律，预测未来风向风速的分布趋势，在所有需要考虑风资源分布的社会生产部门发挥重要作用。比如：工业生产中的建筑规划、环保、风力发电等很多领域都能发挥非常重要的作用。

根据最新研究发现，沪宁高速大雾发生发展与特定时段风向、风速关系密切，且具有一定的规律性。对于不同类型的雾，风的作用也不同。对于辐射雾，在近地面层湿度条件较好的情况下，适当的风速是辐射雾生成的一个因素。风速过大使得大气中的乱流加强，乱流混合层厚，导致近地层降温缓慢，水汽大量上传，使低层逆温破坏或在远离地面。某一高度上形成，不利于雾的生产；风速过小则不能把大气底层的水汽输送到空中，形成一定厚度的雾；而适当的风速则既有利于水汽向空中输送，又不至于使垂直交换强烈，从而利于雾的产生。据统计（2006年-2009年沪宁高速公路窦庄站数据），辐射雾发生前2小时风向的分布主要为在东偏北风，也有部分为西风，随着大雾的逼近，偏西风出现的次数增多，辐射雾发生时偏西风和偏东风出现次数接近。辐射雾发生前2小时至大雾发生时风速均为0-3m/s，结束时风速普遍增强，这与辐射雾消散时地面温度升高空气扰动增强有关。平流雾发生前2小时风向主要是东风和西风，出现前1小时风向以偏东风为主，西风次数减少，而发生时风向刚好相反，以西风为主，消散时风向与发生前2小时相似。平流雾需的产生需要一定的风力，风力过小则无法造成平流，风力过大则吹散雾源。统计2006—2009年27次平流雾过程发现，在平流雾出现前2小时风速均为1-3m/s，出现前1小时有19个雾次风速减小，8次风速增大，而平流雾出现时风速与1h前变化不大。这说明，在适当的环流背景及雾源条件下，风速显著变化1h后大雾可能形成，平流雾结束时风力显著加大。分析发现，锋面雾出现前2小时风向以偏东风、偏西风为主；出现前1小时和雾发生时风向变化比较大，出现前1小时变为西风、东偏北和南偏东为主；发生时有50％的锋面雾风向变为西南风；结束时风向又以偏东和西风为主。从锋面雾发生前后的风速看，发生前2小时至发生时锋面雾的风速较平流雾和辐射雾都小，维持在0-2m/s，并且有12次锋面雾从发生前1小时到发生时，风速接近零，这也是锋前空气污染物积聚的原因之而结束时风速迅速增大。

高速公路大雾发生与风向变化有关系，采用风玫瑰图监测风状况变化可以作为大雾预报的参考。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速公路横风预警方法，该方法以高速公路气象风资料为基础，提供准确、可靠、及时的风向监测和横风预警信息，为高速公路气象部门提供准确的预警信息。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种高速公路横风预警方法，该方法包括以下步骤：

1）读取指定的气象观测数据，保存至数组X数组和Y数组；X数组保留数字信息，Y数组保留文本信息；

2）判断用户指定的数据种类，即判断风速类型（判断是2分钟平均风速，10分钟平均风速，还是瞬时风向风速）；

3）在X和Y数组中，提取相应数据，判断数值代表的风向；归类其后的风速数据到该数据对应的风向数组，得到16个一维风速数组；

4）统计每个风速数组长度，得到风向频数，将16个风向频数保存为一维数组；

5）根据公式：某风向频率=某风风向频数/所有风向频数累计和，得出风向频率，16个风向频率保存为一维数组；

6）遍历每一个风向的风速数组，使用max函数寻找其中的最大风速，16个最大风速保存为一维数组；

7）统计每一个风向的平均风速，即：平均风速=风速累计和/风向频数，16个平均风速保存为一维数组；

8）以各风向出现的次数为极坐标半径，对应风向为极角在极坐标描点，然后将各相邻方向的点用直线连接起来，绘成一个形式宛如玫瑰的闭合折线，得风向频数玫瑰图；同样的方法，分别以频率、最大风速、平均风速为极坐标半径，风向为极角，得到频率、最大风速、平均风速玫瑰图；

9）以预警图方式预警，预警区域以指定颜色标识；设定横风预警风速值V，实际风速以v表示，若v>V，大于的部分加载到风玫瑰图的横风预警范围中，用设定的预警颜色c表示。

其中，横风范围定义为：与公路走向垂直线为轴，左右各45°，即与公路走向垂直的90°范围，公路左右两侧相同，合计共180°；横风范围在风玫瑰图上，即以极角范围表示；横风范围的半径值是预警风速值。以横风预警确定的角度范围和半径范围所围成的区域与风速玫瑰图叠加显示，即为横风预警图。

其中，所述横风预警风速值定义多个级别。

其中，所述横风预警风速值定义5个级别，分别为V₁V₂V₃V₄V_5.且V₁< V₂<V₃<V₄<V₅，设定的预警颜色为c1，c2，c3，c4，c5；具体为：风速在V₁和V₂ 之间的部分，显示为c1颜色，风速在V₂和V₃之间的部分，显示为c2颜色，以此类推，大于V₅而小于风玫瑰图中最大风速的部分，显示为c5颜色。

其中，所述风玫瑰图中的16个风向的角度为0°～360°，每隔22.5°标注一个风向。

本发明具有如下优点：

本发明高速公路横风预警方法，该方法利用高速交通气象风资料，对大风预警预报，提供准确、可靠、及时的风向监测、横风预警、预报等信息，为交通指挥部门提供参考依据。

由于对象相对于过程具有独特的稳定性，使得***的可移植性提高。本***针对性处理AWM风向风速观测资料。***可根据业务需要，生成指定时段内26个气象站平均风速、最大风速、风向频数、频率玫瑰图。再依据观测站所在高速公路走向，计算横风范围，绘制横风预警图。由于高速公路大雾的发生，与风速、相对湿度等气象要素关系密切。气象专家可参考风玫瑰图，结合相对湿度的实时观测数据，得出一定的高速公路大雾预报结论。同时，***可以动态显示时段风向风速变化，。

有利于及时发现具有某些重要特征的气象天气过程信息，为大风预警预报、防范决策提供佐证，作为辅助信息，本***通过提供准确、可靠、及时的风向监测、横风预警、预报信息，为交通指挥部门提供决策依据，为社会大众提供交通气象服务信息。对减少交通事故、降低交通护费用、合理布局交通干线、减少突发灾害影响、提高交通质量、运营企业的经济效益和综合社会效益发挥一定作用。为高速公路气象保障与决策管理奠定预测预报数据基础。

本发明可处理沪宁高速AWMS***得到的每分钟观测数据，绘制风玫瑰图。该图有选定时段内的风频、风速信息，同时显示横风预警信息。这些信息补充和完善高速公路风状况的监测，直观体现风向风速变化，利于制作大风、横风预报预警。大风对高等级公路上行驶车辆的影响主要表现为增加行车阻力、风沙或吹雪使能见度变差、侧向风吹翻车辆等。例如高速行驶的车辆侧面受到横风作用，若风力较强时，特别在“风口”路段，会使车辆偏离行车路线而诱发交通事故，对高箱、双箱汽车的危害尤甚。沙区的多风多沙也是影响交通安全的因素，主要体现在风蚀路基、沙埋、流砂堆积、移动沙丘上路、沙尘弥漫（沙尘暴）等。强风吹倒吹坏路边设施落到路上，也能造成交通事故。风对交通设施的影响，尤其对高、大、细、长等柔性结构更为显著。高速公路强风、横风监测、预报、预警在保障车辆行驶安全，保护公路设施方面起着重要作用。

附图说明

图1为原始数据截图。

图2为X数组部分数据截图。

图3为Y数组部分数据截图。

图4为横风预警范围示意图。

图5为公路倾角示意图一。

图6为公路倾角示意图二。

图7为预警范围确定示意图。

图8为预警图显示效果。

图9 ***框架图。

图10平均风速玫瑰图、预警图。

图11最大风速玫瑰图、预警图。

图12风向频数玫瑰图。

图13风向频率玫瑰图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的过程作进一步的描述：

1.数据获取

以下使用的是沪宁高速AWM的观测资料。该气象观测数据为Excel格式，文件名采用“站号+时间”的形式。这里，读入某个站点，或同时读入26个站以及读入哪一年的数据文件，由用户指定。站点选择，***以下拉列表形式给出，用户选择某一个站点，触发保存模块；时间有两种方式确定：1.从当前***时间前推包括10分钟、30分钟、1小时、1.5小时、2小时、3小时或6小时。2.从下拉列表依次确定统计起止时间。时间区间精确到“分”。例如：起始时间“2009年1月1日 0:00:00”，终止时间“2009年1月1日 0:30:00”。以上操作，***保存用户选择到数组变量。例如：站号为01，时间为2009年，文件名为：“101-2009.xls”，原始数据截图如图1所示。***I/O，调用xlsread函数，读入观测数据，保存在指定数组。指定X和Y数组，X数组保留数字信息（如图2所示），Y数据保留文本信息（如图3所示）。

2.数据统计：

2.1确定统计数据类型

读取数据时间区间和类型由用户选择。数据类型分为：2分钟平均风向风速，10分钟平均风向风速，瞬时风向风速。确定其中一种为读入数据。确定数据操作采用单选按钮用户控件完成，用户点击某种风向数据类型的单选按钮即可。

***储存起始和终止时间为字符串，在Y数组匹配两个字符串。匹配结束，得到起始和终止时间在Y数组的行数，再映射到X数组，即可确定统计数据的时间区间。***获得数据类型，即获取X数组列向量位置。由此，完全确定统计数据的行列坐标。

2.2 处理风向

***执行统计程序：归类每个风向的风速到该风向对应的一维数组。这里风向按国际观测惯例：以北风为0°，东风为90°，顺时针旋转。16个风向对应16个角度。数据文件记录的风向精确到1°，这里就需要处理记录风向到统计风向。例如：N=0°，NNE=22.5°，记录风向为11°。11°偏向0°，这里处理为北风。其它情况以此类推。

2.3归类风速

根据上面的方法，***循环遍历16次，每次识别一个风向。找到匹配的风向后，提取右侧的风速数据，保存到对应的风向数组。

2.4 统计风速

统计每个风速数组长度，即可得到风向频数。16个风向频数保存为一维数组。根据公式：某风向频率=某风风向频数/所有风向频数累计和，得出风向频率。16个风向频率保存为一维数组。遍历每一个风向的风速数组，使用max函数寻找其中的最大风速。16个最大风速保存为一维数组。统计每一个风向的平均风速，即：平均风速=风速累计和/风向频数。16个平均风速保存为一维数组。

3.绘图设置

3.1 绘图种类选择

绘图种类包括4种，风向频数玫瑰图、风向频率玫瑰图、最大风速玫瑰图、平均风速玫瑰图。风向频数玫瑰图是在一定时间内各种风向（已统计到16个风向）出现的次数。以各风向出现的次数为极坐标半径，对应风向为极角在极坐标描点，然后将各相领方向的点用直线连接起来，绘成一个形式宛如玫瑰的闭合折线。就是风向频数玫瑰图。同样的方法，分别以频数、最大风速、平均风速为极坐标半径，风向为极角，就是频数、最大风速、平均风速玫瑰图。用户选择其中一种绘图种类，采用单选按钮用户控件方式选择。

3.2 绘图样式选择

包括风玫瑰图线形、线条颜色、数据点标识符、玫瑰图填充颜色。可以根据需要在***范围内设定。用户选择采用下拉列表形式选择绘图样式。在控件右侧有显示窗口，可以观查显示效果，调整用户设置。玫瑰图填充样式设置为20%透明度显示，方便与图像底板的参考坐标数值作比对，也方便与横风预警图同时显示，利于工作人员直观清晰地判图和参考。

3.3 绘图

绘图触发机制为左键单击绘图区域，用户如此操作开始调用绘图函数。***将上一部保存的绘图种类、绘图样式作为参数传递给绘图函数。用户选择不同的绘图种类，程序流程就转向不同的玫瑰图绘制模块。在不同的风速玫瑰图绘制模块，极坐标极角为固定值，即16个风向的角度。16个风向的角度为0°～360°，每隔22.5°标注一个风向。极坐标半径选取值与绘图种类保持一致。绘制风向频数玫瑰图，半径为频数；绘制风向频率玫瑰图，半径为频率；绘制最大风速玫瑰图，半径为最大风速；绘制平均风速玫瑰图，半径为平均风速。

横风预警图生成：

横风范围，在这里定义为：与公路走向垂直线为轴，左右各45°，即垂直公路走向

90°。如图4所示，阴影区域所示为横风范围。

1. 定义预警风速值和颜色

如果当前玫瑰图为风速玫瑰图（平均风速玫瑰图、最大风速玫瑰图），用户可定义预警风速值，同时最多可以定义5个。这里设为V₁V₂V₃V₄V_5.且V₁< V₂<V₃<V₄<V_5 .，设定的预警颜色为c1，c2，c3，c4，c5，这里若V>V₁,大于的部分横风范围用设定的预警颜色c1表示。若V>V₂,大于的部分横风范围用设定的预警颜色c2表示。其它情况以此类推。用户的定义，用变量保存到设置。方便后续程序调用。

2. 取定公路走向

公路走向一般为固定值，这里的走向是指环境气象监测站所在的局地路段切线的方向。如果站点有变动，可以在***重新设置走向。走向的角度以公路与X轴不超过

180°的交角表示，即倾斜角。***设定值，以弧度表示，例如：90°为 π/2=1.57。

图5、图6为两种公路倾角示意图。

3. 计算绘图数据

确定风速玫瑰图的最大风速和频数玫瑰图的最大频数。用max函数遍历所有极坐标半径，确定半径最大值。半径即为16个风向的风速或频数。如果最大风速小于V₁，则不显示预警区域。若最大风速或频数大于V₁，小于V₂，则一级预警区域为大于V_1 1小于V的区域。其它情况以此类推。

依据公路倾角，***计算公路横风角度范围。角度范围的边界线与横风预警风速或频数的半径所在圆周交点作为预警区域四个边界点。

4. 绘图

根据四个边界点，和预警边界值，确定预警填充区域。绘图填充采用60%透明度，使其可以叠加在风玫瑰图上，便于区分和显示。图7为预警区域叠加在风玫瑰图上所需要的四条边界线和边界点，其它横风预警范围于此类似，只是边界点和边界线不同。图形可保存为多种格式，包括ai、bmp、eps、emf、jpg、pcx、pbm、pdf、pgm、png、ppm、pkm等。最终叠加后的预警效果如图8所示。

显示设置包括：单站显示、26个站显示、静态显示选定时段平均风状况、动态显示选定时段风变化。26个站显示是指单要素多站点同时显示，由于屏幕大小有限，分多窗口显示。静态显示是指选定时段平均风状况，即一张数据平均图。动态显示，是指显示风向随时间的动态变化。显示要素包括平均风速玫瑰图（如图10所示），最大风速玫瑰图（如图11所示），风向频数玫瑰图（如图12所示），风向频率玫瑰图（如图13所示）。

如果选择26个站显示，只能静态显示统计时段内平均风状况。如果选择单站显示，可以选择静态显示选定时段平均风状况、动态显示选定时段风变化两种方式。如果选择动态方式，画要设定相邻两张动的暂停时间。还需要设定指定时段内动画数量。例如，统计时间是2小时，若设定2张出图，则第一张图显示统计时段前1小时的平均风状况，第二张图显示后1小时平均风况。若设定4张出图，则第一张图显示统计时段前半小时的平均风状况，显示统计时段半小时到1小时的平均风状况，其它时间设置以此类推。

由此，生成的静态横风预警图，或动态变化图，可以提供准确可靠的风向监测与横风预警预报信息，气象预报业务人员制作高速公路大雾、横风预报时，可以参考这些信息。

Claims

1.一种高速公路横风预警方法，该方法包括以下步骤：

1）读取指定的气象观测数据，保存至X数组和Y数组；X数组保留数字信息，Y数组保留文本信息；

2）判断用户指定的数据种类，即判断风速类型；

9）以预警图方式预警，预警区域以指定颜色标识；设定横风预警风速值V，实际风速以v表示，若v>V，大于的部分加载到风玫瑰图的横风预警范围中，用设定的预警颜色c表示；

其中横风范围定义为：与公路走向垂直线为轴，左右各45°，即与公路走向垂直的90°范围，公路左右两侧相同，合计共180°；横风范围在风玫瑰图上，即以极角范围表示；横风范围的半径值是预警风速值；以横风预警确定的角度范围和半径范围所围成的区域与风速玫瑰图叠加显示，即为横风预警图。

2.根据权利要求1所述的高速公路横风预警方法，其中，所述横风预警风速值定义多个级别。

3.根据权利要求2所述的高速公路横风预警方法，其中，所述横风预警风速值定义5个级别，分别为V₁V₂V₃V₄V_5.且V₁< V₂<V₃<V₄<V₅，设定的预警颜色为c1，c2，c3，c4，c5；具体为：风速在V₁和V₂ 之间的部分，显示为c1颜色，风速在V₂和V₃之间的部分，显示为c2颜色，以此类推，大于V₅而小于风玫瑰图中最大风速的部分，显示为c5颜色。

4.根据权利要求1所述的高速公路横风预警方法，其中，所述风玫瑰图中的16个风向的角度为0°～360°，每隔22.5°标注一个风向。