道路设施是完全暴露在自然环境中的基础设施。因此，道路交通的运行状况除了受其本身的各种因素的影响外，还要受到气象环境的影响。然而，非正常的气象环境不仅会影响道路路面的正常性能，还会对驾驶人的驾车行为产生一定的影响。这些影响综合起来就会影响整个交通流的正常运行，从而导致交通拥堵甚至引发交通事故。在这里我们主要讨论恶劣天气对交通运输系统的影响。

1.恶劣天气的含义

在交通运输工程学领域，对于恶劣天气主要关注雨、雪、雾、风等天气状况对交通运输的影响。研究任务是通过观察分析这些非正常天气条件对于交通运输系统的影响，从而获得在恶劣天气条件下交通运输系统运行的变化规律，并提出恶劣天气条件下交通运输系统的管理与控制方法。

法国的El Faouzi等[24]从交通运行的角度出发，认为恶劣天气是指特定时空下对交通最佳运行不利的大气气象条件，既包括普通的频发的雨、雪、雾等天气，又包括极端罕见的暴风雪、飓风等。美国在交通运输领域内所研究的“天气事件”，特指一些不会对驾驶人造成截然不同行为的不利或恶劣天气；这些不良天气(降雨、降雪等)通常会为驾驶人提供一个相对较长的时间来应对，驾驶人可以在一定程度内控制车辆，但是由于物理因素(能见度、身体舒适度等)和路面摩擦系数的降低，驾驶人对于车辆的控制度要弱于正常天气时的控制度[25]。而像龙卷风、洪水、台风、飓风等极端的“天气事件”，通常被当作一类交通偶发事件来对待，主要研究该情形下的交通快速疏散和紧急救援等问题。在我国，同济大学柳本民[26]提出了灾害性天气概念，是指可能对高速公路网的交通运行安全构成威胁，引发交通事故，降低运行效率，严重时可导致高速公路网交通系统瘫痪的天气。同济大学季运文等[27]进一步厘清灾害性天气与天气灾害二者的因果关系与区别。根据城市轨道交通天气灾害的成因特点，他把天气灾害分为雨灾、风灾、雪灾、雾灾、雷暴灾害、温度变化等六类，每一类又对应几种灾害性天气，并列举了灾害性天气的直接灾害后果和间接灾害后果。

根据我国气象行业标准《公路交通高影响天气预警等级》(QX/T 414—2018)[28]，高影响天气是指对公路交通安全和通行能力产生不利影响的灾害性天气，包括台风、暴雨、暴雪、冰冻、大雾、沙尘暴、大风、高温等。此外，联合国气候变化政府间专家委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第3次评估报告指出，极端天气事件是指某一地点或地区从统计分布的观点看，不常或极少发生的天气事件，如用累积分布函数表示，一般指那些发生的概率等于或小于第10(或大于第90)百分位数的天气事件[27]。

本书所讨论的恶劣天气是指对道路交通系统正常运行造成威胁，降低路网运行效率，引发路网交通拥挤，甚至导致路网交通瘫痪的几类气象环境。它包括雾、雨、(冰)雪、大风、极端气温等五类，与El Faouzi提出的恶劣天气事件定义十分接近，所以它不仅包括了灾害性天气、气象灾害，还包含可能造成交通拥挤的常见普通强度的雨、雪、雾等不良天气[24]。

2.恶劣天气对交通系统的影响

如前所述，恶劣天气下城市路网交通拥挤风险是指在恶劣天气干扰下城市道路交通运输系统运行出现大范围、长时间的路网层面的交通拥挤或交通瘫痪等现象的可能性及后果，其风险因素是道路交通系统的人、车、路、环境和管理，风险事件是各种类型各等级的恶劣天气所造成的大范围、长时间的路网交通拥挤。因此，有必要分析恶劣天气对交通系统的影响。

1)对系统构成要素的影响

交通系统构成要素是交通系统最基本的单元。通过分析受到恶劣天气影响的系统要素有哪些，各系统要素遭遇恶劣天气时的响应过程，以及各要素交通特性变化，可以找到恶劣天气与交通系统要素之间较稳定的因果联系。人、车、路是最核心的三个构成要素，由于恶劣天气对它们的作用程度和方式有较大差别，所以逐一分析恶劣天气对每一个构成要素的干扰过程是必要的，也有利于识别和量化恶劣天气下交通拥挤发生的深层次风险要素。

人们从20世纪90年代起就开始研究不同气象灾害或恶劣天气对道路交通系统各构成要素的影响。气象学团体从气候变化出发，重点研究了以道路网为部分或全部承载体的气象灾害评估，而交通运输学科领域在研究交通安全、应急疏散等问题时，仅分析了各构成要素受天气的影响[29-32]，对于恶劣天气下日常交通的运行管理与控制问题却没有给予重视。人们虽然对恶劣天气交通拥堵的成因进行了归纳[3336]，但没有深入研究恶劣天气下交通拥堵的机理。因此，需要以交通畅通运行为出发点，整合前人的研究结果和结论，通过归纳与演绎得到恶劣天气下干扰交通系统构成要素的一般规律和特征，为分析交通拥堵形成机理和风险识别提供理论支持。

2)对交通供需水平的影响

针对交通供需子系统的影响分析是对构成要素影响分析的进一步深化，具有动态含义。交通系统要素的不同组合及彼此相互作用的结果就是产生了交通需求和交通供给，二者在与外界环境不断交互中呈现出“平衡—不平衡—平衡”状态的动态变化。交通需求子系统的功能水平主要由交通量体现，而交通供给子系统的功能水平主要由自由流车速和通行能力体现。

这里以降雨为例，综述国内外针对雨天条件下交通量、自由流车速和道路通行能力受天气影响的研究结果。K.Keay和I.Simmonds[37]记录了墨尔本城市主干道的交通量与降雨及其他天气变量数据，得出了不同季节潮湿天气下的交通量减少值，最大降幅为3.43%。Seungkirl Baek和Bumjin Kim 等[16]认为，雨天时交通量会减少，平均出行距离也会减少，当降雨量超过30 mm，高速公路交通量急剧下降。Zhirui Ye等[38]总结了近年来恶劣天气对连续流交通运行和交通安全方面的影响，发现小雨条件下道路通行能力下降5%～10%，大雨条件下道路通行能力下降10%～17%。P.D.Prevedouros和K.Chang等[39]的研究也表明在降雨条件下快速路的通行能力平均减少8.3%。Manish Agarwal等[40]对美国双子城^[1]的快速路车速、车头时距、通行能力受雨雪天气的影响进行了分析，发现大雨降低道路通行能力10%～17%；大雪降低道路通行能力19%～27%。E.Chung等[41]分析了降雨条件下日本东京高速公路车速与通行能力的变化，发现小雨和大雨情况下通行能力分别降低4%～7%和14%；雨天使自由流车速降低4.5%～8.2%。H.M.Alhassan和J.Ben-Edigbe[42]调查了不同降雨强度下马来西亚城际道路的通行能力，发现在小于2.5 mm/h，2.5～10 mm/h和10～50 mm/h三种级别降雨强度下通行能力分别降低8.14%，50.30%和31.09%。

杨中良等[43]分析了雨雪天气对上海快速路交通流的影响，提出了基于交通流模型拟合的快速路通行能力计算模型，并得到了不同气象等级下的通行能力折减系数，结果表明雨天环境下通行能力降幅在6%～15%。肖琳[44]利用大到暴雨天气和正常天气下北京快速路微波检测数据分析了降雨天气对非工作日交通出行的影响。统计结果表明：在大雨天气下，绝大多数检测器的通过流量均呈现出下降趋势，下降幅度在1%～35%。西三环平均下降幅度为6%，北三环平均下降幅度为11%。利用相同数据，肖琳还以一处典型交织路段为例，计算了不同等级降雨条件下自由流车速和通行能力的下降情况：暴雨、大雨和中雨条件下的自由流车速相对于正常天气分别下降了29.7%，7.7%和1.5%；暴雨条件下车道通行能力降低了10.1%～25.8%，内侧车道和中间两条车道受影响程度差别不大，但都明显大于外侧车道受到的影响；中雨条件下车道通行能力下降0.7%～5.6%[44]。总结上述研究结果，汇总为表2-5所列。

表2-5　不同等级降雨情况下交通供需水平指标下降比例

(续表)

目前，关于雾使道路通行能力降低的研究相对较少，有些人员研究了在光线亮度、路面干燥度和是否工作日等不同交通运行环境条件下的道路通行能力变化情况。其中，W.Brilon和M.Ponzlet[45]使用德国的数据对比分析了晚上和白天的道路通行能力，发现前者比后者少13%～47%。

3)对交通流特性的影响

自20世纪50年代开始，特别是八九十年代，国内外学者使用实测或仿真数据开展了恶劣天气下交通流特性的研究，得到了许多有用的成果及结论。然而，这些研究所针对的恶劣天气类型和道路交通特征都具有显著的地区性特点，不能简单地照搬套用。

(1)降雨天气下间断流交通特性(www.daowen.com)

在有关主干路的运行车速和行程时间方面，Andrew D.Stern等[46]研究了主干路出行时间受道路、气象条件(如降水类型和强度、持续风力、能见距离和路面条件等)的影响，降水会使高峰时段出行时间平均增加11%，平峰时段增加13%。Wang Lixiao等[47]利用2004年5月至6月日本Nagoya市中心的浮动车数据分析了降雨对主干路上行程车速的影响，发现降雨强度越大，平均出行车速越低；大雨情况下会使平均行车速度降低6.03 km/h，而且影响程度还与道路等级、车道数、正常天气下车速等因素有关；平均行程时间在小雨天气下增加了10%，在大雨天气下增加了18%。Mei Lam Tam 和William H.K.Lam 等[48]利用2006年香港自动车辆识别(AVI)数据研究了穿越隧道的交通流的行程时间和行程车速，并建立了车速减少百分比对降水强度的二次多项式模型，当降水强度为26 mm/h时，车速下降比最大，为12%；当降水强度在0～26 mm/h之间时，车速递减上升；当降水强度大于26 mm/h时，车速递增下降。I.Tsapakis和T.Cheng等[49]利用2009年10月1日—2009年12月10日的气象与交通数据，分析了在不同等级降雨(表2-6)、降雪和气温条件下大伦敦地区城市道路上运行车速和总出行时间的变化，并与其他运行车速研究结果进行了比较。

表2-6　不同等级降雨条件下运行车速的下降情况［49］

曾伟良等[51]结合浮动车GPS数据和气象站降雨量检测数据，分析了降雨对广州市城市道路车辆行驶速度的影响。结果表明：降雨天和非降雨天的车辆行驶速度的差异比较显著；持续性降雨造成交通行驶速度的较大波动，快速路和主干路的交通流车速下降比较明显；降雨量和速度变化量之间的相关性不明显[50]。

在主干道自由流车速、交叉口饱和流率、启动损失时间等方面，美国的研究人员详细分析了犹他(Utah)州[51]和佛蒙特(Vermont)州[52]在不同恶劣天气下主干路上自由流车速和交叉口饱和流率的变化，结果如表2-7所列。

表2-7　不同道路天气条件下主干道自由流车速与交叉口饱和流率的变化情况

注：N/A 表示无可用数据。

国外关于降雨条件下信号控制交叉口的饱和流率或通行能力的其他研究结果还有：W.J.Gillam 和R.A.Wilhill[53]通过调查发现，降雨条件下英国莱斯特(Leicester)地区交叉口饱和流率由2 010 pcu/h降为1 890 pcu/h，下降幅度约6%。Chi-Hyun Shin和K.Choi[54]的研究也表明降雨条件下交叉口饱和流率下降4%～13%。P.Martin和H.Perrin[51]对采集自美国佛蒙特州2002—2004年的冬季交通数据处理得到，降雨条件下交叉口饱和流率下降6%；在湿滑路面条件下，车辆在交叉口的启动损失时间由2.0 s增加到2.1 s，增幅为5%。Adel W.Sadek和Seli J.Amison-Agbolosu[55]的研究结论是小雨湿滑路面条件下交叉口饱和流率下降2%～3%，但是干燥路面和小雨湿滑路面条件下饱和车头时距均值之差统计意义上不显著。V.P.Sisiopiku和A.Sullivan[56]研究发现小雨条件下交叉口饱和流率下降0～4%，中雨条件下交叉口饱和流率下降3%～9%。J.Chodur，K.Ostrowski和M.Tracz[57]的数据表明交叉口饱和流率在长时间降雨条件下会下降8.5%～12.3%，短时间降雨条件下会下降3.6%。J.Asamer和H.J.Van Zuylen[58]的结论是在小雨湿滑路面，直行车道数分别为1条、2条和3条的进口道饱和流率分别下降8.3%，5.5%和3%。

在国内，北京工业大学刘力力[59]研究了降雨条件下城市道路交叉口交通运行特征：相对于正常天气而言，当小时降雨量在1.5～6 mm 时，饱和车头时距有缓慢增长，可增加5%～20%，饱和流率降低6%～15%；当小时降雨量达到15 mm 时，饱和车头时距相对于正常天气时增加30%，饱和流率下降25%，此级别的降雨量对城市交通的正常运行会造成一定影响；当小时降雨量达到32.6 mm 时，饱和车头时距增加将近45%，饱和流率下降30%，说明这个级别的雨量对城市交通造成了显著影响。不同等级降雨条件下北京市交叉口饱和流率和启动损失时间的变化情况如表2-8所列。

表2-8　不同等级降雨条件下北京市交叉口饱和流率和启动损失时间的变化情况

总结上述国内外研究成果，不同等级降雨条件下交叉口饱和流率及启动损失时间的变化情况如表2-9所列。

北京工业大学刘力力[59]通过分析雾天条件下城市道路交叉口的交通运行特征得到，在能见度为500 m 左右的雾天天气下，交叉口的饱和车头时距为2.28 s，相对于正常天情况下的2.25 s，增加了1.14%；雾天情况下饱和流率为1 581 puc/h，相对于正常天气下的1 599 pcu/h，减少了1.13%。此时，由于城市信号交叉口机动车行驶范围还是比较小，一般不会大于100 m，驾驶人员能较清楚地看见视域范围内机动车的行驶方向和轨迹，因此这个级别的雾天气对机动车在信号交叉口启动和行驶没有造成显著影响，换言之，可以认为饱和车头时距较正常天气没有明显差别。但是强雾天气情况下，即能见度降到50 m 以下时，驾驶人对驾驶环境的变化会倍加小心，因而车速会明显下降，雾会影响信号控制下的车辆启动和停止。

表2-9　不同等级降雨条件下交叉口饱和流率及启动损失时间变化幅度

(2)降雨天气下连续流交通特性

国内外对于连续流交通特性受恶劣天气的影响也进行了大量研究。从交通流特性指标上看，国外研究的交通流特性主要包括交通量、自由流车速[60-63]、运行车速[64，65]、路段通行能力[40，41]和流密速关系[42，66，67]等；国内研究的交通流特性有车速、通行能力、行程时间、流量和速度[44，60]。从恶劣天气角度来看，均以正常天气为参照，以降雨、降雪等恶劣天气为主，同时考虑在模型中引入其他气象要素。从研究方法角度来看，均基于实际采集的交通气象数据进行回归分析或对比分析。

具体而言，在运行速度和行程时间方面的相关研究中，M.Kyte等[68]将运行车速与能见度、路面条件、降水强度和风力之间进行了线性回归分析，最好回归模型的R 2 为0.4；Zhao等[69]对不同的气象要素分别设计了天气因子指标，并建立了运行车速的线性回归模型，R 2 为0.56，发现了车速降低主要受能见度、天气类型、降水量和风速的影响。D.Akin[70]分析了土耳其城市快速路的车速、交通量和密度的关系，考虑了大型车流量、小型车流量、密度、气温和地面温度等因素，建立了对数线性回归模型，R 2 为0.895。E.Hooper等[71]分析了降雨条件下英国公路走廊上速度与流量的关系，发现路段车速和最大流率显著下降，速度-流量关系图会向下平移。叶佳缘等[72]分析了不同降雨等级下高速公路行程时间的变化，发现与无雨情况相比，小雨、中雨、大雨、暴雨时行程时间的增幅分别为1.07%，6.76%，9.36%，12.00%。

在自由流车速回归建模中，施莉娟[73]利用美国的交通数据和降水类型、强度、路面条件、光照条件、路面温度、能见距离、持续风力等气象及道路数据，建立了回归模型，最好模型的R 2 为0.326。F.Torregrosa等[74]则针对西班牙高速公路的自由流车速与货车交通量、能见度、风力、降水强度及积雪厚度的关系提出了4个多元非线性回归模型，且研究发现不同的气象要素作用规律和程度不一样，同时结果依赖研究对象的地理位置。

在降雨天气下流密速关系与模型方面，A.T.Ibrahim 和F.L.Hall[75]通过计算得到小雨天气下高速公路平均车速下降2 km/h，大雨天气下平均车速下降5～10 km/h的结论；同时，恶劣天气下流量-时间占有率线性关系的斜率变小；流密速之间的函数关系没有发生变化，只是自由流速度、最大流量和最佳速度等关键参数值有所差异。D.Unrau和J.Andrey等[76]分析了小雨和干燥环境下高速公路交通流参数变化，建立了拥挤状态和非拥挤状态下高速公路速度-流量关系模型，表明在非拥挤状态下，小雨会导致平均车速降低8 km/h，且推荐非拥挤状态下使用二次函数模型，拥挤状态下使用指数函数模型。H.Rakha等[77]利用美国明尼苏达圣保罗、巴尔的摩和西雅图的交通气象数据建立了不同恶劣天气条件下Van Aerde交通流模型，它能同时估计出自由流车速、最佳速度、通行能力和阻塞密度等关键参数。T.Hou等[78]选择了二段式的改进Greenshields模型来拟合快速路的速度-密度关系，并利用美国欧文、芝加哥、盐湖城和巴尔的摩等大城市的数据分别标定了不同降雨等级和降雪等级的交通流模型。张存保等[79]研究了降雨情况下高速公路交通流参数(如速度、车头时距、车头间距等)的分布规律，基于连续的Van Aerde模型建立了雨天环境下高速公路交通流模型，并给出了正常和降雨天气下交通流的流量-速度曲线和速度-密度曲线，结果表明，与无雨天气相比，小雨、中雨和大雨天气下高速公路平均速度分别降低4.7%，9.8%和16.1%，通行能力分别降低10.5%，17.4%和27.1%。肖琳[44]基于北京市三环快速路的微波检测数据，发现交通流的流密速关系在降雨影响下发生了变化，降雨对低密度区域的影响要比高密度区域更为显著；比较了多个交通流模型发现暴雨天气下Underwood模型拟合速度-密度关系的表现较好。目前对于交通流模型估计关键参数能力的比较研究较少，只有S.Sajjadi等[80]利用美国高速公路的交通气象数据对比了Northwestern模型、Van Aerde模型、Modified Greenshields模型、美国HCM 方法估计关键交通流参数的能力，发现Modified Greenshields模型比其他模型的估计效果好，但是仍不能满足通行能力估计要求，该研究最后给出了一种实测阈值法来得到准确的通行能力。