河北省高速公路交通事故与气象条件定量关系研究

曲晓黎，刘华悦，齐宇超，付桂琴，张 娣，王 洁

(1.河北省气象服务中心，河北 石家庄 050021; 2.河北省气象与生态环境重点实验室，河北 石家庄 050021)

引 言

气象条件对公路交通运输效率和运输安全有着重要影响[1]。河北省因其特殊的地理位置，环绕京津、贯穿南北，路网密集，车流量大，高速公路日单项车流量最多可达近4万辆，至2018年底，全省高速公路通车里程突破7000 km。河北省东部及中南部平原地区属于雾灾高风险区，西部北部山区属于路面结冰高风险区[2]，因此高速公路通行安全及运营管理对气象条件尤为敏感。

李卫民等[3]基于野外综合观测提出的雾和低能见度的预报预测方法及制定的交通管理预案为解决我国高速公路雾害奠定了重要基础。近年来，基于统计学方法针对路面结冰、路面高温等交通高影响天气的客观预报预警指标及模型的研究[4-6]较为多见。随着自然灾害风险理论的发展，其在交通气象研究中的应用也日渐广泛，如公路交通气象灾害风险区划、风险评估以及风险等级预报模型的研究，与天气有关的交通事故风险的长期趋势分析[7-14]等。随着气象和交管部门间信息共享程度的不断加深，针对气象条件对交通通行及交通事故的研究也随之开展，如高速公路通行受阻、采取交通管制事件或日交通活动数、交通事故的发生与气象条件的关系研究[15-18]；再如针对不同区域高速公路研发交通气象安全指数等[19-24]。然而这些研究都以定性分析为主。本文试图在对2015年12月至2018年11月河北省高速公路交通事故分布特征进行分析的基础上给出一些关键气象要素对高速公路交通事故发生起数的量化影响指标。

1 资料与方法

1.1 资 料

高速公路交通事故资料来自于交管部门2015年12月至2018年11月的警情数据。该资料包括事故发生时间，事故发生时所在高速、前行方向、所在桩号位置，事故详细描述等，共筛选出有效样本39 829条，样本覆盖河北省内28条主要高速公路。气象资料选取交通事故发生地临近国家气象站或经质控后的交通气象监测站的观测资料。

1.2 方 法

高速公路发生交通事故的数量相对于高速公路车流量及全省车辆保有量来说是小概率事件，因此利用泊松分布，基于曲线拟合，采用R语言及EmpowerStats统计分析软件实现高速公路交通事故发生相对危险度的计算以及交通事故发生起数对气象要素的响应分析[25-29]。由于事故日发生起数及部分气象要素可能为非正态分布，在相关分析时，采用Spearman秩相关方法。利用曲线拟合分析各气象要素与交通事故发生起数的具体变化趋势并给出定量影响结果。

以高速公路交通事故日发生起数作为因变量，以相关气象要素为自变量，挖掘高速公路交通事故日发生起数与气象要素的关联关系。两者的对数关系[30]如下：

ln [E(Y)]=βX+α

式中：E(Y)为交通事故日发生起数的期望值；X为气象要素；β为系数；α为截距。

相对危险度(relative risk，RR)表示气象要素每发生单位变化，对应交通事故发生起数的相对改变量。因此，RR=exp(β·△X)。当RR>1(β>0)时，随着X每增加一个单位，Y的发生风险也相对增加，增加率为(RR-1)×100%；同理，RR<1(β<0)时，随着X每增加一个单位，Y的发生风险相对减小，减小率为(1-RR)×100%。

2 高速公路交通事故特征

2.1 空间分布

河北省高速公路交通事故呈东部、中部平原区域多发的空间分布特征，这一方面与路网密集程度和车流量有关；另一方面也与恶劣天气的发生频次密不可分，如河北省东南部平原路段年均因雾管制的日数高达56 d，而北部、西部山区及沿海在20 d以下[15]。位于河北省东北部呈东西走向的京哈高速以及位于河北省中部同样呈东西走向的黄石高速交通事故发生起数明显高于其他高速公路，近3 a这两条高速公路交通事故发生起数分别占样本总数的17.8%和10.6%。另外，在行政区划上石家庄地区、唐山地区高速公路交通事故发生起数明显高于其他地区，而邯郸地区、承德地区相对较少。值得关注的是，石家庄地区的藁城区、唐山地区的丰南区境内是近3 a 高速公路交通事故发生最多的区(县)，藁城区境内近3 a高速公路交通事故年发生起数均超过700起，其中2016年最多为736起，是高速交警管控的重点路段。究其原因，藁城和丰南路段都是雾灾极高风险(4级)路段[2]，而这两个路段年均大雾日数是全省所有高速路段平均值的2.6倍和2.0倍，年均浓雾日数分别较全省所有高速路段平均值高出70%和63%。

2.2 月际变化

图1为2015年12月至2018年11月河北省高速公路交通事故发生起数月际变化。可以看出，高速公路交通事故季节分布呈夏秋季节多，冬春季节少的特征，10月和8月最多，全省各高速公路交通事故月累计发生起数可达5000～6000 起；其次是9月、7月和4月，全省月累计发生起数为3000～4000 起；3月和12月，全省月累计发生起数在2000起以下。河北省高速公路夏季较冬季发生交通事故风险大的原因：一方面是夏季河北省高速公路车流量明显多于冬季(图2)。另一方面，冬季冰雪路面影响时，交管部门均会采取封闭管制措施，待路面不影响通行时才会放行；冬季因雾造成的封闭管制次数也明显高于夏季，如2015年河北省高速公路冬季因雾封闭次数是夏季的11.58倍；驾驶员在冬季驾驶车辆警惕性也较高。夏季的强降雨对行车安全的威胁以及路面高温对行车安全的威胁[31]均很大，而这两种天气条件下交管部门很少采取封闭管制措施，尤其高温下驾驶员警惕性低且易疲劳，导致交通事故的风险更高。

图1 2015年12月至2018年11月河北省高速公路交通事故发生起数月际变化Fig.1 The monthly variation of frequency of highway traffic accidents in Hebei Province from December 2015 to November 2018

图2 2018年京哈高速公路唐山段某站口逐月及逐小时车流量变化Fig.2 The hourly and monthly variation of traffic-flow at entrance and exit of a station of Tangshan section of Jing-Ha highway in 2018

2.3 日变化

图3为石家庄、唐山境内高速公路四个季节交通事故发生起数日变化。可以看出，河北省高速公路交通事故白天(08:00—20:00，北京时，下同)发

生起数明显多于夜间(20:00至次日08:00)，白天发生起数占总起数的77.3%，且在06:00以后陡升，18:00以后陡降。逐日变化曲线呈现“双峰”型，一个高峰时段在09:00—11:00，另一个高峰时段在14:00—17:00，这两时段全省各高速公路交通事故数量分别占总起数的21.0%和27.8%。这与张金满等[22]的分析结论恰恰相反。经交管部门反馈，近5 a，针对河北省高速公路通行的夜间管控力度越来越大，加之长途货运车辆有所减少，导致夜间车流量尤其是大型货运车量明显下降，夜间事故量也随之下降。09:00—11:00和14:00—17:00两个双峰时段则符合司乘人员作息规律，与2018年京哈高速唐山段某站口逐小时车流量变化也十分相符(图2)。

3 高速公路交通事故与气象因子的定量关系

考虑到全省高速公路交通事故资料过于离散，因此选择交通事故样本数量最多的石家庄地区为代表，分析高速公路交通事故发生日起数与气象要素的关系。表1列出2015年12月至2018年11月石

图3 石家庄、唐山境内高速公路春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)交通事故发生起数日变化Fig.3 Diurnal variation of frequency of traffic accidents on Shijiazhuang and Tangshan highways in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d)

表1 2015年12月至2018年11月石家庄地区高速公路交通事故分布

家庄地区高速公路交通事故分布。可以看出，石家庄地区事故日平均发生起数为9.5起，最高81.0起。

选取近3 a石家庄地区逐日最低气温、最高气温、平均气温、日最低能见度(仅抽取日最低能见度小于1000 m的样本)、最小相对湿度、最大小时降水量等气象因子，用Spearman秩相关方法分析它们分别与高速公路交通事故发生起数的相关关系(表2)。可以看出，日最低气温、日最高气温、日平均气温、日最大小时降水量、日最小相对湿度与事故日发生起数呈显著正相关关系，其中与日最低气温相关系数最大，日最低能见度与事故日发生起数为显著的负相关关系。

表2 2015年12月至2018年11月石家庄地区交通事故日发生起数与各气象要素的Spearman秩相关系数Tab.2 The Spearman’s rank correlation coefficients between the daily frequency of traffic accident and meteorological elements in Shijiazhuang area from December 2015 to November 2018

注：*和**分别表示通过0.05和0.01的显著性检验，下同

图4为2015年12月至2018年11月石家庄地区高速公路交通事故日发生起数与各气象要素的响应曲线。可以看出，石家庄地区高速公路交通事故日发生起数对气温的响应存在明显的阈值效应，如日平均气温<20 ℃时，随着气温上升，事故日发生起数整体为增加趋势；日平均气温>20 ℃时，随着气温上升，事故日发生起数整体为下降趋势。石家庄地区高速公路交通事故高发月份为8月和10月，经统计，石家庄地区8月和10月30 a(1981—2010年)月平均气温的均值为19.7 ℃，石家庄地区年平均气温呈上升趋势，平均增温率为0.355 ℃·(10 a)-1[32-33]，因此，石家庄地区8月和10月月平均气温的平均值约为19.9 ℃，这与高速公路交通事故对平均气温的响应阈值相符。日最低气温和日最高气温的阈值分别为15 ℃和25 ℃，也与当地过去30 a 8月和10月日最低气温的平均值14.7 ℃和日最高气温的平均值25.1 ℃相符。日最小相对湿度在超过80%时，事故风险呈上升趋势，这是因为当相对湿度超过80%时，多与雾、强降雨等天气现象对应，由其造成的交通事故也随之增多。日最低能见度小于1000 m时，随着能见度的升高，事故日发生起数呈波动下降趋势。交通事故日发生起数随最大小时降水量整体呈波动上升趋势。

表3列出石家庄地区各气象要素对应高速公路交通事故发生的相对危险度。可以看出，日最低气温、日最高气温、日平均气温低于阈值时，每上升1 ℃，事故发生的相对危险度分别增加3.06%，3.05%，3.23%；高于阈值时，每上升1 ℃，事故发生的相对危险度分别减少2.56%，3.94%，3.75%。日最小相对湿度超过80%时，每上升1%，事故发生的相对危险度增加3.77%。日最大小时降水量每增加10 mm，事故发生危险度增加18.8%。当日最低能见度小于1000 m时，最低能见度每增加100 m，事故发生相对危险度为0.9586，即随着能见度每增加100 m，高速事故风险减小4.14%，并通过显著性检验。

图4 2015年12月至2018年11月石家庄地区高速公路交通事故日发生起数对各气象要素的响应曲线(a)日最高气温，(b)日最低气温，(c)日平均气温，(d)日最小相对湿度，(e)日最大小时降水量，(f)日最低能见度Fig.4 The curves of response of the frequency of daily highway traffic accidents to daily meteorological elements in Shijiazhuang area from December 2015 to November 2018(a) daily maximum temperature, (b) daily minimum temperature, (c) daily average temperature,(d) daily minimum relative humidity, (e) daily maximum hourly precipitation, (f) daily minimum visibility

表3 石家庄地区各气象要素对应高速公路交通事故发生的相对危险度Tab.3 The corresponding relative risk of highway traffic accidents to meteorological elements in Shijiazhuang area

图5为2015年12月至2018年11月石家庄地区不同气温区间对应的高速公路交通事故发生起数。可以看出，石家庄地区高速公路交通事故发生时对应的气温存在峰值效应，高于峰值后交通事故随气温的升高而减少。

4 结论与讨论

(1)河北高速公路交通事故夏秋季多于冬春季、白天明显多于夜间。8月、10月，09:00—11:00、14:00—17:00分别是月际变化和日变化的高峰时段；东北部的京哈高速及中部的黄石高速是事故高发路段，石家庄藁城区和唐山丰南区为高速公路交通事故发生最多区(县)。

(2)石家庄地区高速公路交通事故日发生起数对日最高气温、日最低气温和日平均气温的响应都存在明显的阈值效应。日平均气温、日最低气温和最高气温的阈值分别为20 ℃、15 ℃和25 ℃，日最小相对湿度阈值为80%。日平均气温阈值与石家庄地区高速公路交通事故高发的两个月多年平均气温相符。

(3)日最低气温、日最高气温、日平均气温低于阈值时，每上升1 ℃，事故发生的相对危险度分别增加3.06%，3.05%，3.23%；高于阈值时，每上升1 ℃，事故发生的相对危险度分别减少2.56%，3.94%，3.75%。日最小相对湿度超过80%时，每上升1%，事故发生的相对危险度增加3.77%。日最大小时降水量每增加10 mm，事故发生危险度增加18.8%。当日最低能见度小于1000 m时，最低能见度每增加10 m，事故发生相对危险度减小4.14%。