cdot thermal mapping report · thermal mapping thermal mapping is a process by which the spatial...

46
CDOT Applied T THER R d Research RMAL Co Report No Ju h and Inno L MAP lin Walsh o. CDOT2 ne 2014 vation Bra PPING 20145 anch G REPO ORT

Upload: others

Post on 27-Apr-2021

5 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

            

CDOT

Applied

T THER

R

d Research

RMAL

Co

Report NoJu

h and Inno  

L MAP

lin Walsh

o. CDOT‐2ne 2014

vation Bra

PPING

2014‐5 

anch 

G REPOORT 

Page 2: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

The contents of this report reflect the views of the

author(s), who is(are) responsible for the facts and

accuracy of the data presented herein. The contents

do not necessarily reflect the official views of the

Colorado Department of Transportation or the

Federal Highway Administration. This report does

not constitute a standard, specification, or regulation.

Page 3: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

Technical Report Documentation Page

1. Report No.

CDOT-2014-5 2. Government Accession No.

3. Recipient's Catalog No.

4. Title and Subtitle

CDOT THERMAL MAPPING REPORT 5. Report Date

June 2014

6. Performing Organization Code

7. Author(s)

Colin Walsh 8. Performing Organization Report No.

CDOT-2014-5

9. Performing Organization Name and Address

Vaisala Inc Boulder Operations 194 South Taylor Avenue Louisville, CO 80027

10. Work Unit No. (TRAIS) 11. Contract or Grant No.

40.04

12. Sponsoring Agency Name and Address

Colorado Department of Transportation Applied Research and Innovation Branch 4201 E. Arkansas Ave. Denver, CO 80222

13. Type of Report and Period Covered

14. Sponsoring Agency Code

15. Supplementary Notes

Prepared in cooperation with the US Department of Transportation, Federal Highway Administration

16. Abstract

Thermal Mapping surveys were carried out on approximately 1000 miles of the Colorado Department of Transportation’s (CDOT’s) roads. The purpose of these surveys was to identify road surface variations across the network to determine whether forecast Thermal Maps or the data from the surveys would be useful to decision-makers in the CDOT regions. The distribution of road surface temperatures across the network and identifying Climatic Domains for the regions enabled Vaisala to look at current weather station locations and whether there were any gaps in coverage. Implementation

The use of forecast Thermal Maps is one that will be determined by the Boulder maintenance area in winter 2014/15. The Thermal Maps will be tested using Vaisala RoadsDSS and the final decision on whether the Thermal Mapping could be valuable to CDOT operations will be made in conjunction with the decision-makers prior to any statewide implementation plan. Vaisala has advised on potential weather station locations based on the Thermal Map findings which would complement the current setup. 17. Keywords

Climatic Domains, weather station locations, road surface temperatures (RSTs)

18. Distribution Statement

This document is available on CDOT’s website http://www.coloradodot.info/programs/research/pdfs

19. Security Classif. (of this report)

Unclassified 20. Security Classif. (of this page)

Unclassified 21. No. of Pages

46 22. Price

Form DOT F 1700.7 (8-72) Reproduction of completed page authorized

Page 4: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

CDO

Co

OT TH

olorad

HERM

do De

MAL

epartm

©

ii 

L MA

ment   

June 2014© Vaisala 201

APPI

t of Tr

14 

NG R

ransp

REPO

 

ortat

ORT

ion 

Page 5: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

iii  

 

Published by: 

Vaisala Ltd  Phone (int.):  +44 (0)121 683 1200 

349 Bristol Road  Fax:  +44 (0)121 683 1299 

Birmingham B5 7SW 

United Kingdom 

Visit our Internet pages at www.vaisala.com 

© Vaisala 2014 

This material  is  subject  to copyright protection, with all copyrights  retained by Vaisala and  its  individual  partners.  All  rights  reserved.  Any  logos  and/or  product  names  are trademarks of Vaisala or  its  individual partners. The reproduction, transfer, distribution or  storage  of  information  contained  in  this  document  in  any  form without  the  prior written consent of Vaisala is strictly prohibited. All specifications —  technical included —  are subject to change without notice. 

   

Page 6: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

iv  

Table of Contents CHAPTER 1 .......................................................................................................................... 1 

General information ................................................................................................. 1 About Vaisala ............................................................................................... 1 

CHAPTER 2 .......................................................................................................................... 2 

Introduction ............................................................................................................. 2 Thermal Mapping ......................................................................................... 2 

Meteorological Conditions ........................................................................... 2 

Thermal Mapping Results ............................................................................. 4 

Thermal Mapping Applications .................................................................... 5 

The Survey Network ...................................................................................... 5 

Summary ....................................................................................................... 6 

CHAPTER 3 .......................................................................................................................... 7 

Terminology ............................................................................................................. 7 

CHAPTER 4 .......................................................................................................................... 9 

The Spatial Variations of Road Surface Temperatures ................................................. 9 Temporal Variations ..................................................................................... 9 

Seasonal Variations .................................................................................... 10 

Systematic Spatial Variations ..................................................................... 10 

Summary ..................................................................................................... 15 

CHAPTER 5 ........................................................................................................................ 16 

Meteorological Conditions ...................................................................................... 16 Thermal Mapping Surveys .......................................................................... 16 

Summary ..................................................................................................... 17 

CHAPTER 6 ........................................................................................................................ 18 

The Thermal Maps .................................................................................................. 18 Introduction ................................................................................................ 18 

The Extreme Themal Map .......................................................................... 18 

Extreme Map: Summary ............................................................................. 22 

The Intermediate Thermal Map ................................................................. 23 

Intermediate Thermal Map: Summary ....................................................... 24 

The Damped Thermal Map ......................................................................... 24 

Damped Thermal Map: Summary .............................................................. 25 

The Thermal Maps: Summary .................................................................... 26 

CHAPTER 7 ........................................................................................................................ 27 

Climatic Domains .................................................................................................... 27 

Page 7: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

v  

Introduction ................................................................................................ 27 

Defining Climatic Domains ......................................................................... 27 

Summary ..................................................................................................... 29 

CHAPTER 8 ........................................................................................................................ 31 

Weather Station Recommendations ........................................................................ 31 Locating Sensors ......................................................................................... 31 

Sensor Designation ..................................................................................... 31 

Ice Prediction / Ice Detection ...................................................................... 32 

Weather Station Recommendations .......................................................... 34 

Summary ..................................................................................................... 38 

CHAPTER 9 ........................................................................................................................ 39 

Next Steps .............................................................................................................. 39  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

Page 8: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

C

G

A

V

m

in

A

T

c

m

 

T

d

T

d

u

 

T

p

m

y

a

 

T

a

CHAPT

Genera

About V

Vaisala  is  th

meteorologica

ndustry. 

A  truly  intern

Traffic Safety 

complete wea

many of the p

The thermal c

differ widely a

Thermal Map

distribution o

uniform weat

Thermal Map

providing  the

make  crucial 

years through

accuracy and 

To  date Vaisa

across a world

TER 1 

al Info

Vaisala  

he  world’s 

al  organizati

national  comp

service incor

ather predicti

products with

characteristics

across a give

pping  is  the  o

of warm and 

her condition

pping  highligh

 winter main

decisions. Va

h continual  in

repeatability,

ala  has  comp

dwide custom

 

ormatio

leading  sup

ons,  transpo

pany, Vaisala

rporates a ran

ion and mana

in this range.

s of any secti

n area. These

only  techniqu

cold areas ac

ns. 

hts  potentiall

ntenance eng

aisala has  rem

nvestment  in 

, and has see

pleted  contra

mer network. 

on  

plier  of  me

ort  authoritie

a  serves  custo

nge of produ

agement serv

 

on of road or

e differences 

ue  generally 

cross a netw

y  hazardous 

gineer with a

mained at  th

Research an

n subsequent

acts  amountin

 

eteorological 

es,  research 

omers  in mo

cts from sim

vices. Therma

r runway acro

can be surve

accepted  as

work  is consist

sections  acr

n enhanced 

he  forefront o

d Developme

t endorseme

ng  to  over  5

instrument

institutes,  d

ore  than 100 

ple weather 

al Mapping p

oss a network

eyed, quantif

  being  able 

tent on each

ross  a  road  o

information 

of Thermal M

ent, regular s

nt in many Sc

500,000kms  o

ts  and  serv

defence  forc

countries. V

detecting dev

lays a centra

k are unique a

ied and categ

to  confirm  t

h winter nigh

or  runway  th

base  from w

Mapping  for o

statistical tes

cientific Journ

of  Thermal M

ices  to 

ces  and 

Vaisala’s 

vices to 

l role in 

and can 

gorized. 

hat  the 

t under 

herefore 

which  to 

over 25 

ting  for 

nals.  

Mapping 

Page 9: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

2  

CHAPTER 2 

Introduction  

Thermal Mapping 

Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface 

temperatures (RSTs) is measured using a high resolution infrared thermometer. The thermometer 

is mounted in a specially equipped vehicle and connected to an automatic data logger. Readings 

are taken along the road surface and recorded electronically at a rate of 10 readings per second. 

Thermal Maps  are  produced  using  collected  data  to  provide  a  representation  of  the  relative 

spatial variation of minimum RST under different weather conditions. 

 

Meteorological Conditions 

The prevailing weather conditions are  the overriding  large  scale  influence on RST. The  scale of 

variation in RST is dependent on the weather. Cloud cover reflects, absorbs and emits heat in the 

form of radiation, and wind mixes air  layers over the surface. Both these factors can effectively 

reduce variations in RST. Within Thermal Mapping, weather conditions are categorized into three 

scenarios:  Extreme, Intermediate and Damped. 

 

Extreme This scenario produces the greatest degree of variation in RSTs. It occurs when skies are clear and 

wind  speeds  are  very  low,  or  even  calm.  The  absence  of  cloud  and wind  allow  for maximum 

radiative  cooling and  thus heat  loss  from  road  surfaces.  In addition,  the  lack of any  significant 

mixing of air  layers allows katabatic drainage  (cold air pooling)  to occur and  the generation of 

temperature  inversions as cooler ground surfaces chill  the air  immediately above  them  so  that 

the  usual  decrease  of  temperature  with  height  is  reversed.  This  weather  scenario  is  usually 

associated with  anticyclonic  (high pressure)  systems, or high pressure  ridges between  cyclonic 

systems. 

   

Page 10: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

3  

NIGHT: OUTGOINGLONG-WAVE RADIATION(Overall energy balance)

CONVERGINGAIR

DIVERGING AIR

N. HemisphereClockwise & Outward

ANTICYCLONIC CONDITIONS

NIGHT: OUTGOINGLONG-WAVE RADIATION(Overall energy balance)

NIGHT: OUTGOINGLONG-WAVE RADIATION(Overall energy balance)

CONVERGINGAIR

DIVERGING AIR

N. HemisphereClockwise & Outward

ANTICYCLONIC CONDITIONS

CONVERGINGAIR

DIVERGING AIR

N. HemisphereClockwise & Outward

ANTICYCLONIC CONDITIONS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Damped This scenario represents the opposite end of the weather spectrum, consisting of total low level 

(below 13,000ft) cloud cover and moderate or stronger wind speeds. This produces a significantly 

reduced (or damped) variation in RST. 

 

Similar results can also be obtained with  lower wind speeds  if conditions have remained cloudy 

throughout  the preceding day. This kind of weather  is commonly associated with cyclonic  (low 

pressure) systems, which often bring associated bands of precipitation. 

 

Intermediate Intermediate  conditions  are  typically  the  result of either:  a) medium  to high  level  cloud  cover 

with the absence of significant wind, or b) clearer skies with moderate wind speeds. These two 

situations produce similar results in that the degree of variation of RST is reduced from that found 

under Extreme conditions but is greater than that found under Damped conditions. This scenario 

can make up the bulk of winter weather and can be a result of various meteorological patterns, 

such as transient ridges and frontal approaches. 

 

WIND

DIVERGINGAIR

N. HemisphereCounter-clockwise & Inward

CONVERGING AIR

CYCLONIC CONDITIONS

WINDWIND

DIVERGINGAIR

N. HemisphereCounter-clockwise & Inward

CONVERGING AIR

CYCLONIC CONDITIONS

DIVERGINGAIR

N. HemisphereCounter-clockwise & Inward

CONVERGING AIR

CYCLONIC CONDITIONS

Page 11: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

T

W

r

S

le

r

T

s

n

g

d

T

r

2

Thermal

The road/runw

Wherever  po

epresent the

Sectors are fu

ength depend

educe the ch

The  raw  data

software. A m

noise and  the

graphical  rep

distribution of

Thermal Finge

elative distrib

2.0ºF bands u

l Mappi

way network

ossible  Secto

 network tha

urther split int

ding on the n

ance of chan

a  collected  d

mathematical 

e data plotte

resentation 

f RST over the

erprints are  t

bution of RST

nder each of 

ing Resu

 is planned in

rs  are  plann

t can be surv

to a series of

network. The

ges in weathe

uring winter 

Gaussian Filt

d as  graphs 

of  the  patte

e survey netw

then  combin

T around  the

the different

ults 

nto Sectors, w

ned  to  oper

eyed by one v

f overlapping 

e purpose of 

er conditions

nights  is  do

ter  is applied

known as Th

ern  of  RST  a

work. 

ed  to produc

e average  for 

t survey cond

which are sub

ate  within  a

vehicle on an

Routes, each

splitting the 

s affecting the

ownloaded  an

d to the surve

hermal  Finge

along  the  su

ce Thermal M

the road ne

itions. 

bdivisions of t

areas  of  clim

ny one night. 

h being appro

Sectors  into 

e data.  

nd  processed

ey data to eli

rprints. Thes

rveyed  roads

Maps. These 

twork survey

the overall n

matic  similar

oximately 40 

shorter rout

d  through  co

iminate any r

e  Fingerprint

s  and  illustra

maps  repres

yed  in colour

etwork. 

ity  and 

miles in 

tes  is to 

omputer 

random 

ts are a 

ate  the 

ent  the 

r coded, 

Page 12: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

T

T

s

s

t

n

F

p

O

f

d

 

T

T

s

H

in

c

a

D

D

 

  

 

Thermal

The  Thermal 

stations  (if  no

surface condit

he  road wea

network  can 

Finally,  where

practice,  The

Optimization 

or  the  road 

different mete

The Surv

Thermal Map

survey  netwo

However,  due

naccessible fo

completed  on

adjusting  the 

Drop‐Off). Da

Drop‐Off. 

            Figure

l Mappi

Maps  can  th

ot  already  in

tions and a w

ather outstati

also be prod

e  anti‐icing 

ermal  Maps 

of this nature

user by  takin

eorological co

vey Net

pping was  ca

ork  was  divid

e  to  the  rec

or the Therm

n  the  data  b

data  for  am

ta  from exist

e 1 CDOT Ther

ing App

hen  be  used

  place), whic

wide range of 

ions and a m

duced  for up 

or  deicing  m

can  be  use

e aims to max

ng  account o

onditions. 

work 

rried  out  alo

ded  into  five

ent  floods  to

mal Mapping s

by means  of 

mbient  tempe

ting CDOT RW

rmal Mapping

plication

  to  locate  th

ch  use  senso

meteorologic

meteorologica

to 24‐hours 

materials  (usu

ed  to  optimi

ximize the eff

of  the  Therma

ong  approxim

e  Sectors  of 

o  the  west  o

surveys, leavi

a  series  of 

rature  chang

WIS  stations

g network 

ns 

he  optimum 

or  technology

cal paramete

al  forecast, a 

ahead using 

ually  salt)  ar

ize  the  wint

ficiency of tre

al  characteris

mately  1000 

four  Routes

of  the  surve

ing 4 Sectors

overlaps  bet

ge during  the

was also use

 

position  for

y  to measure

rs. Combining

prediction o

 a  computer 

re  used  in  w

ter  maintena

eatment route

stics of  the  r

miles  of  road

s,  making  a 

y  area,  US  3

. During the s

tween  survey

e  time of  the

ed  to cross‐re

r  the  siting  o

e  and monito

g the Therma

of RST over  th

model and 

winter  maint

ance  routes.

es to enhance

road network

ds  in  Colorad

total  of  20 

36  and  US  3

surveys check

y  Routes  to 

e  surveys  (kn

eference  the 

of  RWIS 

or  RSTs, 

al Maps, 

he  road 

system. 

tenance 

  Route 

e safety 

k under 

do.  The 

Routes. 

34  were 

ks were 

help  in 

nown  as 

rate of 

Page 13: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

6  

The Surveys Thermal  Mapping  surveys  were  conducted  across  the  network  between  October  1013  and 

December 2013. The project specification was to collect data under Extreme conditions (calm and 

clear) and Damped  conditions  (cloudy and windy),  to  illustrate  the degree of variation present 

across  the  region.  As  a  result,  Thermal Maps were  produced  displaying  the  variation  of  RST 

around the average for each of the three weather scenarios. 

 

Meteorological conditions often vary across an area on the same night with associated effects on 

the  distribution  of  RSTs.  Therefore  it  is  important  to  delineate  relatively  homogenous  areas 

where  conditions  could  be  expected  to  be  similar.  This  leads  to  the  identification  of  Climatic 

Domains, which must also be considered when recommending or locating road weather stations. 

 

Summary 

Thermal Mapping is a technique that measures RST under key winter weather conditions, leading 

to  the  production  of  isothermally  colour  coded maps  depicting  the  distribution  of  RST  over  a 

surveyed network. 

 

The  results  provide  invaluable  information  for  highway  engineers  who  deal  with  potentially 

dangerous winter  driving  conditions.  The  value  of  Thermal Mapping  is  then  greatly  enhanced 

when combined with road weather stations and meteorological forecasts under an ice prediction 

or Decision Support system. 

 

Thermal Mapping was completed  in Colorado along I‐25, I‐70, I‐76, I‐225, US 36, US 287, US 85, 

US 40 and US 6 between during  the  latter  stages of 2013. This  report discusses  the  results of 

those surveys, including the production of the Thermal Maps. 

   

Page 14: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

7  

CHAPTER 3 

Terminology 

Thermal Mapping The  measurement  of  the  spatial  variation  of  RST  along  a  road  using  an  infrared  radiation 

pyrometer. 

 

Thermal Fingerprints The graphical representation of RSTs plotted against distance, relative to the average RST for that 

particular survey Route on that particular night. 

 

Relative Average Not an actual  temperature but  the  relative average  for  the  road network  covered by Thermal 

Mapping surveys. All roads within the network are related to this average using different colour 

bands. 

 

Thermal Maps Maps of the distribution of RST under different meteorological conditions by isothermally colour 

coded (2ºF) bands. These are related to the relative average RST for the region, which will change 

from one night to the next according to prevailing air mass and weather system. 

 

Climatic Domains Regions within a survey area that may experience differing meteorological conditions on any one 

night. 

 

Marginal Night Nights when the lowest RST for the region is forecast to be at or close to freezing. 

 

Extreme Conditions Calm, clear nights typical of an anticyclone  (high pressure system) producing the maximum RST 

development profile along a survey route. 

 

Intermediate Conditions Clear and windy nights, or calm nights with total medium level cloud present. Such conditions will 

generally  produce  similar  though  less  severe  results  than  on  an  Extreme  survey,  with  the 

exception of frost hollows which may be greatly reduced or even totally absent. 

 

Page 15: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

8  

Damped Conditions Windy nights with total,  low  level cloud cover and possibly precipitation typical of cyclonic (low 

pressure) systems giving rise to a general flattening of the development of the RST profile. 

 

Frost Hollow Under Extreme conditions cold air may descend under the effects of gravity (katabatic drainage) 

and gather in small valleys or dips in the road. This pooling of air may produce the coldest RSTs in 

the network. 

 

Katabatic Drainage The “draining” of cold air down slopes under the force of gravity. Often causing Frost Hollows to 

occur as cold air gathers in dips or valleys. 

 

Mapping Sector The highway network is divided into Sectors. These are smaller, sub‐networks that can be 

surveyed by one vehicle within a typical operational window of between midnight and sunrise. 

 

Mapping Route A Mapping Sector is divided into Mapping Routes that are approximately 20 miles in length 

(depending on the nature of the survey network) in order that the effects of changing weather 

conditions upon surveys are minimized.  

 

Road Surface Temperature (RST) The actual temperature of the road surface of any given point of the network.  

 

Sky View Factor “The ratio of the amount of the sky “seen” from a given point on a surface to that potentially 

available (i.e., the proportion of the sky hemisphere subtended by a horizontal surface)” OKE, 

Boundary Layer Climates (1987) Sky view thus describes and quantifies the amount of 

unobstructed sky/horizon that is visible at the surface. 

 

Thermal Memory This is the term used to describe the length of time, which a highway structure, or any structure, 

retains the stored heat, which it gains due to day‐time solar radiation. The Thermal Memory of a 

section of road depends on the depth of construction, the construction materials used and the 

amount of incident solar radiation received. 

 

   

Page 16: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

C

T

R

M

c

 

T

T

o

n

I

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

It

t

b

s

 

CHAPT

The Sp

Tempe

RSTs vary in b

Mapping proj

carried out wh

Tempora

Thermal Map

on  any  given

normally  occu

mmediately a

part of the nig

                       

t  is therefore

hose recorde

both  time  an

surveys. 

TER 4 

patial V

erature

both space an

ect, as well a

hen the avera

al Varia

ping must be

n  night.  The 

urs  in  the  ea

after sunset, 

ght RSTs chan

        Figure 2 

e possible to 

ed on anothe

d  distance), 

Variati

es 

nd time and t

s when interp

age RST is wit

ations 

e conducted a

diurnal  rhyt

arly  afternoo

RSTs fall very

nge very little

Diurnal varia

directly comp

er. This comp

which  reduc

ions of

his has to be

preting the re

thin the range

at night in or

hm  of  RST  i

on  and  the m

y rapidly but t

.    

ation at a wea

pare tempera

parison  is  faci

ces  the  amou

f Road

e taken into a

esults. Therm

e   ‐4ºF to +50

rder to captu

is  one  in  wh

minimum  tem

this decline le

ather station

atures measu

ilitated by  th

unt  of  surfac

d Surfa

ccount when

mal Mapping s

0ºF. 

re the minim

hich  the  max

mperature  oc

evels off so t

ured on one s

he use of sho

ce  temperatu

ace 

n planning a T

surveys are n

mum RST distr

ximum  temp

ccurs  around

hat during th

section of ro

ort survey Ro

ure  change  b

Thermal 

ormally 

ribution 

perature 

d  dawn. 

he latter 

ad with 

utes  (in 

etween 

Page 17: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

10  

Solar Radiation Incoming  solar  radiation  varies  throughout  the winter  in  proportion with  the  total  amount  of 

daylight  and  the height of  the  sun  in  the  sky. Minimum  solar  input occurs on  the  shortest day 

(December  21st) but  the  actual  incident  solar  radiation  at one place  is  also dependent  on  two 

variables: a) cloud cover and b) sky view factor. 

 

Cloud Cover Clouds reflect and absorb solar radiation, thereby reducing the amount of direct solar radiation 

reaching  the  surface.  They  absorb  heat  not  only  from  above  but  also  from  below  due  to  re‐

radiation  from  the earth's surface. This absorbed heat  is  then  re‐radiated and at night  this can 

significantly offset surface cooling. 

 

Seasonal Variations 

The variation of  the height of  the  sun  in  the  sky and  the angle of  incidence of  incoming  solar 

radiation means that the influence of sky view factor will change with the seasons. The sky view 

factor will also be influenced by the amount of foliage left on the trees in winter. The shedding of 

leaves by deciduous trees will allow more  long wave radiation to escape at night,  increasing the 

rate  of  cooling.  For  these  reasons,  the  distribution  of  RST  can  show  slight  differences  at  the 

winter margins  (e.g., April  compared  to December or  January), when  solar  input  is  that much 

greater due to increasing hours of sunlight and the increased angle of the sun in the sky. This can 

cause  some  open  road  stretches with  high  sky  view  factors  to  absorb  enough  solar  radiation 

during daylight hours to offset their normally rapid cooling regime after sunset. 

 

Latitude Latitude affects  the  length of  the days and  the winter, as well as  the height of  sun  in  the  sky. 

These are all  important  influences on the amount of solar radiation reaching the surface during 

daylight hours. For example, a stretch of road that has a high sky view factor will receive greater 

solar  input.  In  higher  latitudes,  if  all  other  factors  are  equal,  such  a  stretch  of  road  could  be 

expected to display relatively low RSTs due to unrestricted cooling after dark. However, in lower 

latitudes where the angle of incidence of solar input is higher and days are longer, there may be 

sufficient heat absorbed during the day to offset the cooling after dark. This must be taken  into 

account when examining the pattern and profile of RST distribution. 

Systematic Spatial Variations 

Although there are seasonal and diurnal variations to be considered, during the majority of the 

winter  months,  the  combined  effect  of  buildings,  topography  and  tree  cover  is  generally 

systematic at a single point.   Each of these  factors has a bearing on the distribution of RST but 

they rarely act in isolation and the RST at any given point is a complex interaction of a number of 

factors. 

Page 18: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

 

 

 

S

a

r

t

s

a

G

b

r

in

d

c

 

N

r

a

t

1

d

h

r

n

t

a

h

lo

MnMn

Sky VSky view  facto

and is used to

adiation  that

hat of the ac

sky  is visible 

are  no  obstr

Generally, the

building  cove

adiation  to  t

nput  thus  no

depending on

cover, topogra

                  

AltitNormally, the

esult  of  the

atmosphere. T

emperature w

10ºF  per  100

decline  with 

hollows  can 

ecorded  in  v

nights  due  to

he pooling of

air, will tend 

hollow will oc

ower RSTs. Th

Maximum sky view othing restricting

Maximum sky view othing restricting

View Factoor  relates  to 

o determine t

t  could  theor

tual. It range

(e.g.,  inside a

ructions  visib

e sky view  fa

er,  which  r

the  surface 

ot  only  varie

n weather con

aphy and bui

                    Fi

ude  higher the a

e  decrease  i

The environm

with height a

00m  in  altitu

altitude  at 

cause  the 

valley bottom

o  either  the 

f cold air. Cold

to sink unde

ccur where a 

he size of the

factor (1.0):the surfacefactor (1.0):the surface

or the amount 

the maximum

retically occu

s from 0.0 wh

a  tunnel)  to 

ble  (e.g.,  an

ctor depends

educe  the 

via  shading. 

es  seasonally 

nditions, the 

ldings. 

igure 3 Effect

ltitude, the lo

n  air  tempe

mental  lapse 

above sea lev

ude.  RST  cou

a  similar  rat

lowest  tem

ms, especially 

formation  of

d air, being d

r the  influenc

slope  is suff

e cold air poo

11 

of “visible s

m incoming so

ur,  compared

hen none of t

1.0 when  the

  open  hillto

s upon tree a

incoming  so

Solar  radiat

but  also  da

amount of t

ts of sky view 

ower the road

erature  with 

rate  (the  fall

vel) is usually 

ld  be  expect

te.  However,

mperatures  t

on  clear and

f  inversions  a

enser than w

ce of gravity 

iciently steep

l is related to

Minimum sky vietotally restrict

Minimum sky vietotally restrict

ky” 

olar 

  to 

the 

ere 

op). 

and 

olar 

ion 

aily, 

ree 

factor   

d minimum t

height  that

l of air 

about 

ted  to 

,  frost 

to  be 

d  calm 

and/or 

warmer 

and this  is c

p for such dra

o the length a

ew factor (0.0):ted surfaceew factor (0.0):ted surface

temperature 

t  occurs  in 

called kataba

ainage to tak

and steepness

expected. Th

a  normal,  u

tic drainage. 

ke place, resu

s of the slope

is is the 

unstable 

A  frost 

ulting  in 

e. A cold 

Page 19: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

a

a

H

d

c

g

a

b

t

W

g

h

p

d

n

H

w

A

c

t

lo

t

t

s

t

t

 

It

t

t

c

s

s

s

s

f

o

air pool at the

a short, steep

 

However,  the

difference  in 

circumstances

give cold tem

at lower altitu

between  the 

thermal belt. 

 

WateWater  reacts 

generally take

heat  for  longe

proximity to s

due  to  the am

noticeable wh

However, wat

warming effec

 

TopoAt  night  a  ro

cooling from t

he amount o

oss to the en

raffic and cut

he road back

surface and m

rees and/or b

unnels will te

t must  also b

han more ex

he road surfa

conditions  lea

surrounding  f

sublimated  b

shaded sectio

surface, RSTs 

rost into ice. 

of time than e

e bottom of a

 slope as a re

e  air  at  the  b

height and th

s where  ther

peratures at 

udes. In these

cold hilltops

er Bodies more  slowly

e  longer to w

er  than road 

significant wa

meliorating e

hen wind  spe

ter bodies m

ct. 

ography oad  surface  c

the surface b

of  long wave 

nvironment  is

ttings. Such f

k to the surfa

maintaining  t

buildings, roa

end to stay wa

be  remembe

xposed roads,

ace. This can

ad  to  the  fo

fields.  After  s

y  the  incide

ons where sol

may  remain

Hence, areas

exposed secti

a long, shallow

esult of the gr

bottom  of  th

herefore tem

e  is sufficien

higher altitud

e situations th

 and  the  col

y  than  land 

warm, their re

surfaces. As 

ater bodies (e

ffect of warm

eeds  are  gre

may  freeze  if 

cools  by  radi

by influencing

radiation tha

s  further redu

features refle

ce, thereby o

emperatures

ads running th

armer than m

red  that  she

, since early 

 be an  impo

ormation  of 

sunrise,  thes

nt  solar  rad

lar radiation 

 below  freez

s with a low s

ons if the RST

12 

w slope will b

reater volume

he  short,  ste

mperature bet

t  relative  rel

de and cold a

he warmest te

d  valley bott

surfaces  to 

elatively poor

a consequen

e.g., coastal r

m air circulat

ater  than  4m

ambient  tem

ation.  Topog

g the sky view

at can escape

uced by build

ct, absorb an

offsetting rad

. As a  result,

hrough cuttin

more exposed

ltered  roads 

morning sola

rtant  factor  i

hoar  frost  o

se  hoar  frost 

iation  on  ex

is unable to 

ing and early

sky view facto

T falls below 3

be greater in e

e of cold air o

ep  slope ma

tween  top an

ief,  the norm

air drainage w

emperatures 

toms;  this ph

changes  in  s

r thermal con

nce, during  t

roads) can ex

ting off  the w

miles/h  as  air

mperatures ar

graphy  restric

w factor and t

e. The effect 

dings, trees, c

nd re‐emit rad

iation loss fro

, at night  roa

ngs, under br

d sections. 

may warm m

ar radiation c

if,  for examp

on  the  road 

  deposits  are

xposed  road 

penetrate dir

y morning  tra

or can be mo

32ºF. 

extent than o

on the longer 

ay  be  colder 

nd bottom of

mal environm

will also lead t

are obtained

henomenon  i

solar  input. W

nductivity me

he winter mo

xperience rela

water. This ef

r  layers  are m

re  sufficiently

cts  radiative 

thus limiting 

of radiation 

cloud cover, 

diation from 

om the road 

ads  lined by 

ridges and in 

more  slowly 

annot reach 

ple overnight 

surface  and 

e melted  or 

sections.  In 

rectly to the 

affic can  the

ore hazardous

one at the bo

slope. 

due  to  the 

f  the slope.  I

ental  lapse  r

to low tempe

d at middle al

s  referred  to

While  water 

eans that they

onths roads 

atively warm

ffect  is usual

more  readily 

y  low  to neg

n  compact  th

s for a longer

ottom of 

greater 

n some 

rate will 

eratures 

titudes, 

o as  the 

bodies 

y retain 

in close 

mer RSTs 

ly most 

mixed. 

ate any 

he hoar 

r period 

Page 20: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

R

f

e

 

T

t

o

 

F

S

t

 

R

e

p

v

 

RoadRoad construc

rom different

example, conc

The depth of 

he warmer t

other roads b

Finally, the se

Spring when f

he daytime in

Road  constru

effects of min

pooling  by  ra

variations and

BridgWhere a roa

result it will 

time that a r

solar radiatio

 

The  thermal

construction

and  the  am

received. Ce

over water, 

radiation  to 

relatively wa

elevated via

to the effect

despite their

 

Steel bridges

and  poor  h

maintenance

 

 

 

 

d Construcction is anoth

t construction

crete roads a

construction

he road. As a

ut this can als

easonal variat

frost formatio

nput to offset

ction,  particu

nor topograph

ising  the  roa

d also restrict

ge Decks ad crosses a b

possess a sm

road structur

on. 

l memory  de

n,  the  const

mount  of  in

rtain bridge d

may appear w

the undersid

armer water 

duct  sections

t of the urban

r limited dept

s normally co

eat  retention

e as they can 

tion   her importan

n materials a

re generally w

n  is also  impo

a result, main

so be additio

tion in incide

on  is still a ha

t the nighttim

ularly  that  of

hical features

ad  above  the

the sky view

bridge it is lik

maller therma

e, or any stru

epends  on  th

ruction  mate

ncident  sola

decks, particu

warmer as a r

de of  the bri

surface.    In u

s  can  remain

n heat island 

th of construc

ool much qui

n.  This  low 

produce sho

13 

t influence o

t different ra

warmer than 

ortant and  ty

n highways a

nally influenc

nt solar radia

azard, sufficie

me cooling. 

f  highways  a

. For example

e base of hol

 factor of the

ely to be coo

al memory. Th

ucture, retain

he  depth  of 

erials  used 

r  radiation 

ularly those 

result of re‐

dge  from a 

urban areas 

n warm due 

and traffic, 

ction. 

cker than the

thermal  mem

rt icy sections

n RST pattern

ates according

blacktop roa

ypically  the g

and arterial ro

ced by traffic 

ation must be

ent radiation

and  other ma

e, embankme

llows  and  va

e road. 

oler due to its

his is the ter

ns the stored 

e road due to

mory  can  cr

s on an other

ns. Energy is 

g to their the

ds.  

reater  the de

outes are no

flow volumes

e considered.

n may be stor

ajor  roads,  t

ents reduce t

lleys. Cutting

s shallower co

m used to de

heat that it g

o their high t

reate  clear  p

rwise safe roa

absorbed / r

ermal propert

epth of const

ormally warm

s. 

. In late Autu

red  in the roa

tends  to  redu

he effects of 

gs  reduce  alt

onstruction a

escribe the le

gains due to d

thermal cond

problems  for 

ad. 

radiated 

ties. For 

truction 

mer than 

mn and 

ad from 

uce  the 

cold air 

titudinal 

and as a 

ength of 

daytime 

ductivity 

winter 

Page 21: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

T

w

T

s

 

T

u

in

w

f

e

r

r

o

t

v

 

T

m

r

W

in

b

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UrbaThe urban he

whereby the 

The  actual m

season and la

The  temperat

urban and  ru

ndustrial  and

within  the  to

act  that  the

environment, 

etain heat to

ural area. Th

of the constru

he urban arc

view factor. 

The urban he

most noticeab

ural air with 

Within the cit

nfluential on 

budget is stro

diagram below

Urban He

entire D

an Heat Islaat island effe

built‐up area

agnitude  of 

nd use at tha

ture differenc

ral areas  is  t

d domestic h

wn or  city, a

e  fabric  of 

including 

o a greater de

his  is  the  resu

uction materi

chitecture an

eat  island effe

ble when win

the warmer,

y, the heat is

RST  than on

ongly recognis

w. 

eat Island inte

omain at z = 

and ect is the nam

 can be seve

the  heat  isla

t location.  

ce between 

he  result of 

eat  sources 

allied  to  the 

the  urban 

roads,  will 

egree than a 

ult not only 

ials but also 

d  lower sky 

ect  is  stronge

nd speeds are

, urban air,  t

sland effect m

n other non‐u

sable betwee

ensity over th

10m at 04:00

14 

me given to th

ral ºF warme

and  at  any  si

est  in winter

e  low. Highe

hereby reduc

means that to

urban  roads. 

en the hours 

he 

he phenomen

er than the su

ingle  location

r, at  its weak

r wind speed

cing  the mag

opography, we

The urban m

of 18:00 and 

Urban Heat 

entire Dom

non observed

uburbs or sur

n  in  the  city 

kest  in  summ

ds promote  t

gnitude of  the

eather and tr

modification 

 06:00, which

Island intens

main at z = 10m

d in towns an

rrounding rur

will  depend 

mer and  the e

he mixing of 

e urban heat

raffic are usua

of  the net  ra

h is illustrated

ity over the 

m at 04:00 

nd cities 

ral area. 

on  the 

effect  is 

colder, 

t  island. 

ally less 

adiation 

d in the 

Page 22: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

T

r

c

g

h

 

M

la

V

w

h

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

R

s

w

m

T

h

m

TraffTraffic  tends 

adiation. Tra

colder  layers 

generated by 

helps to keep 

Minimum RST

anes  of  up  t

Vehicles tend

warmer than 

high traffic vo

 

Summar

RST  is a  funct

systematic  sp

will  vary  acco

maximum  va

Thermal Map

highway  engi

maintenance 

fic to keep  road

ffic also  stirs

nearby  and 

vehicle tyres

roads with h

Ts can also va

o  4ºF  can  oc

 to concentra

the outside la

olumes at nigh

ry 

tion of a com

patial variatio

ording  to  the

riation  and 

ping measure

neers  to use

decision proc

 

ds warm at n

s  the air abov

again  can  lim

s and the gain

igher traffic f

ary across  th

ccur  due  to  t

ate  in the ne

anes and slip

ht. 

mplex relation

ns  (e.g.,  sky 

e  prevailing 

Damped  con

es the spatial

  as  a  tool  to

cesses. 

15 

night, acting 

ve  the  surfac

mit  cooling  o

n of radiant e

flows warmer

e  lanes on  In

the  differenc

arside  lane a

 roads. This p

nship betwee

view  factor a

weather  con

nditions  lead

l variation of 

o  supplement

like a  shadow

ce, promoting

on  calmer  ni

energy by the

r than less he

nterstates an

ces  in  the  vo

and as such a

phenomenon

en temporal v

and altitude)

nditions,  with

ding  to  minim

f RST and disp

t  local  knowl

w, offsetting 

g  the mixing 

ghts.  In  addi

e road from e

eavily trafficke

nd highway. D

olume  of  traf

at night these

 is most signi

variations  (e.

). The amplitu

h  Extreme  co

mum  variatio

plays the resu

ledge  and  ex

the  loss of h

 of warmer a

ition,  friction

ngines and e

ed roads. 

Differences b

ffic  using  eac

e  lanes are ge

ificant on roa

g., time of d

ude of  the va

onditions  lea

on.  The  pro

ults in map fo

xperience  for

heat by 

air with 

nal  heat 

xhausts 

etween 

ch  lane. 

enerally 

ads with 

ay) and 

ariation 

ding  to 

cess  of 

orm for 

r winter 

Page 23: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

C

M

W

k

w

 

T

T

w

c

c

 

T

e

n

D

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

t

CHAPT

Meteo

Weather  is  a

knowledge of

when interpre

Thermal

The size and l

wide  range  o

coupled  with

conditions acr

This range of 

even  on  the 

necessary  to 

Domains.  As 

Damped weat

A summary of

he following 

 

 

 

TER 5 

orologi

a  critical  fact

f  the actual  c

eting the resu

l Mappi

location of th

of  topograph

the  lower  p

ross the regio

local geograp

same  night. 

divide  the  re

mentioned 

ther condition

f the readings

table. 

ical Co

tor  in  decidi

conditions  th

ults. 

ing Surv

he Colorado n

hy  with  diver

plain  regions

on. 

phy gives the

In  order  to 

egion  into a 

earlier  in  th

ns. 

s taken for ea

16 

onditio

ing  when  to

at prevailed 

veys 

network mea

rse  character

s  to  the  eas

e potential fo

ensure  that 

number of  c

e  report,  su

ach night of t

ons 

  carry  out  a

during  the  s

ns that the s

ristics.  The  h

t  frequently 

or varying wea

the  Therma

limatically  sim

rveys  were 

the Thermal M

a  Thermal  M

survey period

surveys were 

high  altitude

lead  to  var

ather conditi

l Maps  are  t

milar  regions

carried  out 

Mapping surv

Mapping  surv

d are also ne

carried out a

  areas  to  th

rying  meteor

ons across th

thus  applicab

s, known as C

under  Extrem

veys can be f

vey  and 

ecessary 

across a 

he  west 

ological 

he area, 

ble  it  is 

Climatic 

me  and 

found in 

Page 24: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

17  

 

TABLE 1: Survey Meteorological Conditions 

 

Date  Sector  Weather Scenario 

10‐15‐2013  1  Extreme 

10‐16‐2013  1,2 and 4  Damped 

10‐17‐2013  3  Damped 

10‐18‐2013  3  Extreme 

10‐21‐2013  4  Extreme 

10‐22‐2013  2,3  Damped 

10‐23‐2013  2  Extreme 

 

Summary   

Weather conditions are critical when  interpreting the results of Thermal Mapping data. Surveys 

were  conducted under Extreme and Damped  conditions  to establish  the different variations  in 

RST for each meteorological scenario. 

   

Page 25: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

C

In

T

h

c

 

Th

T

n

s

d

 

 

 

 

 

 

  

U

H

t

s

c

 

 

CHAPT

The Th

ntroduc

Thermal Maps

highway  netw

colours for ea

he Extre

The  Extreme 

network. This

system,  allow

development 

                       

TemUnder  Extrem

However, this

he  road  and

“spikes”' the t

subsequent  E

conditions. 

TER 6 

hermal

ction 

s are a repres

work.  Variatio

ch 6.0°F varia

eme The

Thermal  Ma

s will occur u

wing  maximu

of a tempera

             Figure

perature Rme  conditions

s  includes the

d  RST  cooling

temperature 

Extreme  nigh

l Maps

sentation of t

ons  in  RST  fr

ation: 

ermal M

ap  exhibits  t

under  calm,  c

um  radiative 

ature inversio

e 4 Thermal M

Range s,  the  survey

e particularly 

g  is  offset  by

range is appr

ts,  providing

18 

the relative sp

rom  the  over

Map 

the  maximum

clear  conditio

cooling  of 

on. 

Mapping Key

yed  roads  ex

warm “spike

y  a  low  sky  v

roximately 25

  the whole  a

patial variatio

rall  survey  av

m  nighttime 

ons,  typical o

the  road,  co

xperience  an 

es” of RST fo

view  factor. 

5ºF. This is th

area  surveye

on of minimu

verage  are  d

  RST  variatio

of an anticycl

old  air  drain

approximate

und where a

Without  the

he range that

ed  experience

m RST of a su

denoted  by  d

on  across  th

onic  (high pr

nage  and  th

e  variation  o

 bridge cross

e  influence  o

 can be expe

es  uniform  E

urveyed 

differing 

he  road 

ressure) 

e  likely 

of  40ºF. 

ses over 

of  these 

cted on 

Extreme 

Page 26: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

  

T

v

t

w

c

c

t

s

A

m

t

c

 

T

a

L

w

 

                       

GeneThe wide  ran

variations of R

o certain infl

west of the re

cut as may be

centers. This c

he highest on

surrounding s

Although  the 

many of the m

rue  on  I‐70 

changes in roa

InfluThe normal tr

appear  true  i

Loveland Pass

whole region.

                       

eral Patternge  in  altitud

RSTs apparen

uencing facto

egion. The dis

e expected b

can be seen o

n the networ

treet architec

vast majorit

more rural hig

in  the  south

ad constructio

ence of Alrend for RSTs

n  the  southw

s where temp

  

   Figure 5 CD

rns of RST De  and  topog

nt in the Ther

ors. The colde

stinction ofte

but may be d

on I‐25 as it p

rk and can be

cture.  

y of  the war

ghways also 

h‐east  of  the 

on cause RST

titude & T is that the h

west of  the R

peratures alo

19 

DOT Extreme 

Developmgraphy  across

mal Maps. It 

est RSTs gene

n associated 

due  to  the na

passes throug

e directly attr

rmer RSTs are

display sectio

region, whe

Ts to remain w

opographyhigher the alti

Region,  in par

ng both thes

Thermal Map

ent s  the  survey 

is possible to

erally relate to

between rur

ature of high

gh Denver. T

ibuted to vol

e  found with

ons of above 

ere  localized

warmer than 

y itude, the co

rticular along

se parts of th

region  is  ref

o relate certa

o the higher 

ral and urban 

ways, which 

The RSTs in th

lume of traffi

hin  the dense

average RST

changes  in  s

average. 

lder the road

g US 40 Berth

e network ar

 

flected  on  th

in RSTs distri

altitude area

areas is not 

often bypas

his area are a

ic and density

ely populated

s. This is part

sky  view  fact

d surface. This

houd Pass an

re the lowest

he  large 

butions 

s to the 

as clear 

s urban 

amongst 

y of the 

d areas, 

ticularly 

tor  and 

s would 

nd US 6 

 for the 

Page 27: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

W

c

is

 

    

Oattt 

E

c

r

a

w

 

S

w

a

 

T

e

s

s

 

E

f

r

Within  this  o

complicated b

s a wide rang

                       

On the aforemalways found he  lowest RSopography whe coldest se

Even away fro

cold air draina

oad which a

adjacent secti

where small p

Sky VSky view facto

weather cond

amount of sky

The  closer  to

emitted back 

stands  of  tre

surrounding a

Examples can 

actor  along  t

roads in the 

verall  trend 

by other facto

e of RSTs eve

            Figure

mentioned roat the highesSTs of the netwithin these aections of RST

om the highe

age in the for

llow cold air 

ions. There a

pockets of col

View Factoor  is a crucia

ditions. Roads

y visible at an

  the  roadsid

to the road 

ees  along  th

area. 

be observed

this  stretch o

vicinity.  

the  distribut

ors such as sl

en at these hig

e 6 CDOT Extre

oads the coldst altitudes. Ttwork due toltitude areas Ts on the netw

r altitudes th

rm of frost h

to pool, pro

re various ex

d air drainage

or l determinan

side  features

ny one point.

e  and  the  ta

surface, thus

he  roadside, 

 US287 S Col

of  the highw

20 

tion  of  RSTs 

ope aspect a

gher altitude

eme Thermal

er sections, mThe US6 as it o cold air draalso allows f

work.  

e topography

ollows. These

oducing  sectio

xamples of th

e lead to fluct

nt  in the deve

s,  such as  tre

aller  the  feat

s offsetting co

RSTs  are  us

lege Avenue 

ay  leads  to R

at  these  hig

nd cold air dr

s. 

l Map US 6 

more than 15passes the Loinage from afor cold air dr

y of the lands

e are dips an

ons where RS

his on I‐70 be

tuations in RS

elopment of 

ees and build

ture,  the mo

ooling after d

sually  relativ

to the south 

RSTs being  a

gher  altitudes

rainage. As a 

5.0ºF below toveland Ski Aadjacent highrainage this c

scape can cre

d depression

STs appear o

etween Denve

STs. 

RSTs, particu

dings can  sign

re  radiation 

dark. Where 

vely  warmer 

of Fort Collin

lmost 6.0ºF 

s  can  becom

consequence

 

the average, rea displays sh ground. Whcan result in s

eate further a

s on the path

over 6ºF  cold

er and Idaho 

ularly under E

nificantly  red

is  reflected 

there are sig

than  those 

ns. The high s

colder  than

e more 

e, there 

are not some of here the some of 

areas of 

h of the 

er  than 

Springs 

Extreme 

uce  the 

and  re‐

gnificant 

in  the 

sky view 

n other 

Page 28: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

    

B

f

e

 

H

t

R

lo

 

T

a

r

 

T

s

in

 

W

A

d

 

 

           Figure 

Buildings act 

actor, they ca

effect are mo

However, alth

he sun  rises 

RSTs  over  the

onger, presen

InfluThe main  urb

average, parti

oad will offse

The general c

sources,  and 

ncreases the 

Within Denve

Away  from  th

densities and 

7 CDOT Extre

in a  similar b

an also act as

re common t

hough trees a

these same 

e  entire  netw

nting potentia

ence of Urban  areas  of 

icularly in the

et heat loss fr

oncentration

higher  traffi

shadowing ef

er  in particula

he  central  ar

traffic volum

eme Thermal 

but more exa

s heat source

hroughout th

and buildings 

areas may be

work  fall  belo

al problems f

rbanizationDenver  and 

e centers. Wi

rom the road 

 of buildings 

ic  volumes  c

ffect to furth

ar away  from

eas  the  fall  i

es. 

21 

Map US 287

aggerated wa

s, promoting

he more urba

reduce sky v

e  the  last  to 

ow  freezing, 

or morning c

n Fort  Collins

thin the urba

surface. 

will also emi

cause  friction

er offset radi

m  I‐25 RSTs a

in RSTs  gene

 

ay  to  trees. A

g RSTs in the i

nized parts o

view factor an

receive sola

these  areas 

ommuter tra

both  display

an centers, b

it radiation fr

nal  heating  f

ative losses.

re closer  to  t

erally  corresp

As well as  re

immediate ar

f the survey n

nd therefore 

r  input.  In a 

may  remain

ffic. 

y  a  concentra

uildings in clo

rom industria

from  engines

the average, 

ponds with d

ducing  the  s

rea. Examples

network.  

offset cooling

situation wh

n  below  freez

ation  of  RSTs

ose proximity

al and domes

s  and  exhau

often  falling

ecreases  in  b

ky view 

s of this 

g, when 

here  the 

zing  for 

s  above 

y to the 

tic heat 

sts  and 

g below. 

building 

Page 29: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

C

R

d

p

 

M

a

a

r

 

C

s

c

 

A

E

 

    

E

O

f

t

c

in

t

a

 

RoadChanges  in  ro

RSTs. Differen

differing relat

priority meet.

More localize

and  elevated 

adjacent  sect

adiation. This

Consequently

surrounding 

conditions. 

Across the net

Examples incl

 Figure 8 CDO

Extreme

Overall  it may

rom well bel

he majority o

construction d

n RST. While 

he relationsh

away from the

d Construcoad construct

nt  constructio

ive RSTs, as is

 

d influences o

sections  of 

tions  and  acc

s is suppleme

,  bridge  dec

roads  and  s

twork there a

ude I‐25 as it 

OT Extreme Th

e Map: S

y be  seen  th

ow  to well a

of the roads w

depth and tra

there are som

hip at any one

e average, res

tion tion provide 

on material, 

s often the ca

of constructio

road  are  ge

cordingly  hav

ented by heat

cks  and  eleva

should  be  c

are many exa

traverses the

hermal Map I

Summa

at RSTs on  t

bove  the  rel

within the ne

affic flow), m

me dominant

e point is very

sulting in stre

22 

a significant 

age  and  surf

ase where tw

on changes c

nerally  of  a 

ve  a  reduced

t loss from bo

ated  sections

considered  a

mples of brid

e South Platte

 

I‐25 

ry 

he  roads ma

ative survey 

etwork posses

any localized

t influences o

y complex and

etches of well

contribution 

face dressing

wo roads of di

an be observ

much  shallo

d  capacity  to

oth above and

s  usually  exh

  potential  i

dge decks bei

e River at Mil

pped within 

average und

ss a number 

 factors com

on the RST dis

d involved, al

l above and w

to  the varyi

g  type  across

iffering const

ved on bridge

wer  depth  o

o  retain  as m

d below the r

hibit  relative

ce  hazard  i

ing colder tha

e High. 

the  region e

er Extreme c

of similar cha

bine to result

stribution, m

llowing RSTs t

well below av

ng character

s  lanes will  r

ruction mate

e decks. Bridg

of  constructio

much  daytim

oad surface.

ely  lower  RST

n  adverse  w

an adjacent se

exhibit a wide

conditions. A

aracteristics (

t in wide diffe

ost notably a

to develop m

verage RST. 

istics of 

esult  in 

erial and 

ge decks 

on  than 

me  solar 

Ts  than 

weather 

ections. 

e  range 

lthough 

(such as 

erences 

altitude, 

markedly 

Page 30: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

T

T

(

 

T

a

r

T

 

T

c

 

    

A

M

d

 

U

r

The Inte

The Intermed

>12km/h) or 

These result i

air  drainage 

adiative cool

Thermal Finge

TemThe  Intermed

“spikes”’  rela

change in wea

                       

PatteAlthough man

Map, there  is

distance of ro

Under  Interm

eduction  in 

rmedia

iate Thermal

calmer, overc

n a narrower

and  restricti

ing. The over

erprints and t

perature Rdiate Map  ha

ting  to  featu

ather conditio

   Figure 9 CD

erns of RSTny of  the  gen

less overall 

ad falls into t

mediate  condi

the  effects  o

te Ther

 Map depicts

cast condition

r temperature

ing  frost  hol

rall result of e

therefore the 

Range as  an  overal

ures  such  as 

ons. 

DOT Intermed

T Developmneral  trends 

development

the Light Blue

tions  there  i

of  cold  air  d

23 

rmal Ma

s the relation

ns where clou

e range due t

llow  formatio

either of thes

temperature

l  temperatur

bridges  are 

diate Thermal 

ment of  the  Extre

t around the 

e (below aver

s a greater m

rainage.  This

ap 

nship of RSTs 

ud is medium

to increased 

on,  or  cloud

se scenarios i

e range of the

re  range  of  a

discounted.  T

Map  

me Map  are

average RST

age) and Red

mixing of air 

s  is  evident  a

that develop

m to high leve

mixing of air 

d  cover  redu

is to reduce t

e road surface

approximate

This  reductio

 

e borne out o

T. As a conseq

d (average) ca

layers and a

along  I‐70  be

p under clear

l. 

layers reduci

ucing  the  eff

the amplitude

e. 

ly  15.0ºF,  on

on  is  a  result

on  the  Interm

quence a far 

ategories. 

s a  result  th

etween  Denv

r, windy 

ing cold 

fects  of 

e of the 

nce  any 

t  of  the 

mediate 

greater 

ere  is a 

ver  and 

Page 31: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

24  

Silverthorne. Under Extreme conditions these valley roads displayed RSTs well below the average. 

However, with the reduction in cold air drainage RSTs on these roads appear up to 6ºF closer to 

the average than they appear on the Extreme. 

 

Other, smaller frost hollows often become less apparent or even non‐existent under Intermediate 

conditions, depending on their particular location and exposure to the mixing of air layers. 

 

The importance of some features show under both Extreme and Intermediate conditions. Bridge 

decks for example tend still to display lower RSTs than surrounding roads as can again be seen by 

on I‐25 bridges particularly to the south of Denver. 

 

Areas of concentrated low sky view factor also tend to retain their temperature profile and often 

remain above average and  this  is once again demonstrated  in  the central areas of Denver and 

Fort Collins. 

 

Altitude also remains crucial and the coldest stretches of road on the survey network remain the 

higher relief areas. For example, Berthoud Pass and Loveland pass still display RSTs of over 9.0ºF 

below the average, reaching into 12.0ºF on some sections. 

 

Intermediate Thermal Map: Summary 

The distribution of colour bands on  the  Intermediate Thermal Map  is generally consistent with 

those on the Extreme Map. However, the influence on RST development of many localized factors 

are  not  as marked  as  under  Extreme  conditions,  with  an  apparent  shift  toward  the  relative 

average as a result. The prime factor in the relative reduction of RST development is the influence 

of  wind,  which  mixes  the  air  layers  above  the  road  surface  and  dampens  out  extremes  of 

temperature. 

 

The Damped Thermal Map 

The Damped Thermal Map demonstrates the pattern of RSTs that develop with  increased cloud 

cover (especially under 2000m) that offsets radiative cooling of the road surface, and higher wind 

speeds that mix the air layers and reduce temperature inversions. 

 

Consequently  the  importance  of  localized  features  is  reduced  while  larger  effects  such  as 

proximity to the sea and changes in altitude are dominant. As a result, the Damped Thermal Map 

displays  a  greatly  reduced  variation  in RST  from  the overall  average. The majority of  the  road 

network falls within 4.0ºF either side of the network average. 

 

Temperature Range Under Damped Mapping conditions very few spikes occur in the data where bridges pass over the 

road, or at any similar locations. Overall, the variation in RST is approximately 15ºF. 

Page 32: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

    

T

f

a

t

 

A

a

w

c

 

D

U

a

c

h

f

s

 

                       

PatteThe overall tre

ew instances

average  RST. 

emperature w

As a  result  th

again  illustrat

which continu

continue to di

Damped

Under  Dampe

average) rang

consequence 

higher wind s

actors reduce

such as chang

          Figure 1

erns of RSTend under Da

s factors aside

The  most 

with height. 

he  colder are

ted on  the w

ue to display 

isplay the ma

d Therm

ed  conditions

ge, with the m

of cloud cov

peeds mixing

e the importa

ges in altitude

10 CDOT Dam

T Developmamped condit

e from the w

dominant  of

eas of  the  reg

western  sectio

the coldest R

jor concentra

mal Map

s  RSTs  fall  in

majority of th

ver affecting 

g the air layer

ance of locali

e. 

25 

mped Therma

ment tions is for RS

weather, will i

f  these  is  al

gion are once

ons of  the ne

RSTs under Da

ations of abov

p: Summ

nto  either  th

he road surve

the  radiative

rs to inhibit t

zed features 

l Map  

ST to fall into

nfluence the 

ltitude,  as  th

e again  foun

etwork,  in pa

amped condi

ve average RS

mary 

e  Green  (ave

eyed falls  int

e  cooling of  t

temperature 

and promote

o the Red (ave

 developmen

here  continu

d at  the high

articular on  t

itions. The m

STs. 

erage)  or  Lig

o the averag

the  road  surf

inversions. T

e the significa

 

erage) catego

nt of above o

ues  to  be  a 

her altitudes.

the US 40  an

ain urban are

ght  Blue  (just

ge category. T

face, combine

hese meteor

ance of other

ory. In a 

r below 

fall  of 

. This  is 

nd US 6 

eas also 

t  below 

This  is a 

ed with 

ological 

r affects 

Page 33: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

26  

The Thermal Maps: Summary 

There is an extremely complex relationship between many factors that affect the distribution of 

RSTs. This relationship  is at  its most complex when  there  is no cloud  to offset radiative cooling 

and no wind to mix air layers (i.e., under Extreme meteorological conditions). 

 

However,  the  temperature  relationship  between  sections  of  road  under  different  constant 

weather  scenarios  is  generally  consistent,  although  the magnitude  of  variation  in  RST  differs 

depending on the prevailing meteorological conditions. 

 

Thermal  Maps  are  representative  of  the  relationship  between  RSTs,  assuming  constant 

meteorological conditions across the whole of the area surveyed. However, this is not always the 

case  in practice  so  it  is  important  to  identify any  required Climatic Domains prior  to using  the 

Thermal Maps operationally. 

   

Page 34: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

27  

CHAPTER 7 

Climatic Domains  

Introduction 

The Thermal Maps constructed  from  the data collected during  the winter of 2013 relate  to  the 

various weather scenarios previously outlined. This assumes  that  the meteorological conditions 

are constant across the region. This is likely to be true of a number of winter nights, particularly 

when anticyclonic conditions prevail, but there are many nights on which the weather will vary 

from one part of  the  region  to another, allowing  some  roads  to cool more  rapidly  than others 

where skies are clear, and offset cooling where cloud persists. 

 

It is therefore possible that while one part of the region may be experiencing Extreme conditions, 

another  may  be  experiencing  Intermediate,  or  even  Damped  conditions,  due  to  a  changing 

meteorological situation. This variability in weather depends on a number of factors, not least the 

size of the area in question and its position with regard to major upland areas and coastline. 

 

Defining Climatic Domains 

In order  to  represent  this variation  it  is necessary  to  subdivide  the  road network  into  smaller, 

discrete  areas  referred  to  as  Climatic  Domains.  The  boundary  of  a  Climatic  Domain  and  the 

number  of  climatic  areas  covering  a  particular  network  is  dependent  upon  the  proximity  of 

geographical  features  likely  to  influence  the weather  over  the  network.  These  influences  are 

generally threefold: 

1. Proximity to  large water bodies such as oceans,  large  lakes and rivers, which provide a 

ready  source of moisture  and  therefore have  a  tendency  to produce  cloud  in  the  air 

mass passing over them. 

2. Proximity of high ground, which  forces air  to  rise over  it making  the air unstable and 

often producing cloud in the process. 

3. Prevailing and dominant wind directions during the winter months  ‐ which dictate the 

extent of the influence of water bodies and high ground on any particular night. 

 

Example Climatic Domains Figure 11  illustrates a  typical example of how  changes  in  topography  can  lead  to  variations  in 

localized weather  conditions. Air  that  is  forced  to  rise  can become unstable and  lead  to  cloud 

formation, particularly if it has passed over a water body and become moist. 

Page 35: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

D

b

b

 

D

m

e

ic

 

I

p

h

t

 

F

e

s

 

F

a

a

 

T

w

 

Domain 1 mig

breezes at nig

body to provid

Domains  1  an

moisture  lade

experience pr

ce coverage. 

n  Domain  4,

precipitation 

higher ground

o less restrict

Finally,  in Dom

existent.  This 

susceptible to

From this, it c

a crucial dete

account.  

CDOThe CDOT net

will have an im

DOMA

ght  typically 

ght. During th

de an amelio

nd  2 have  th

en air  is  force

recipitation  in

  as  the  air  d

less  likely.  In

d, leading to 

ted radiative 

main 5 the a

allows  unre

o fog if there i

can be seen h

rminant of m

T Climatic twork  incorp

mportant influ

AIN 1 DO

                    

Figure 11 Ex

experience w

he Winter mo

rating effect t

he potential  f

ed  to  rise ov

n the  form of

descends  fro

n  addition,  th

a rain shadow

cooling of the

ir has becom

estricted  cool

is localized so

how weather 

minimum RSTs

Domainsorates a wide

uence on the

OMAIN 2

28 

                       

Example Clima

warm, moist 

onths, there 

to offset nigh

for  thick  clou

ver  the  land m

f snow and  in

om  the  high 

he moisture 

w effect. Ove

e road surfac

me considerab

ing  of  the  ro

ources of moi

conditions ca

s, it is clearly 

e range of alt

 meteorologi

DOMAIN 3

                      

atic Domains

onshore win

may be suffi

httime radiati

ud  and  the p

mass. Domai

n extreme sit

ground  it  be

in  the  air m

erall, this allo

ce. 

bly more stab

oad  surface 

sture. 

an vary withi

important fo

titude, topog

ical condition

DOMAIN

nds during  th

cient stored 

ve cooling on

possibility of 

in 3,  if at  suf

tuations have

ecomes more

ay  have  bee

ows cloud cov

ble and cloud

but may  also

n the same r

r these variab

graphy and  la

ns. 

N 4 D

e day with o

energy  in the

n the land. 

precipitation

fficient altitu

e perpetual s

e  stable  and

n  exhausted 

ver to break, 

d cover may b

o  leave  this 

region. As we

bles to be tak

and use, all o

DOMAIN 5

offshore 

e water 

n  as  the 

de may 

snow or 

 makes 

on  the 

leading 

be non‐

Domain 

eather is 

ken into 

of which 

Page 36: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

29  

The  Domains  have  also  been  delineated  with  the  current  number  and  location  of  Forecast 

Stations  already  installed  in  Colorado  in mind.  Historical  weather  information  has  also  been 

utilized to develop the Domain boundaries. 

 

Climatic Domain I: Mountain 

This Domain covers the division of the continental divide  from the  far west of the network to 

the east of  Idaho Springs. Due to the high altitudes  in this Domain, significant snowfall can be 

expected during the winter months. 

 

Climatic Domain II: Foothills 

This Domain stretches from the far south of the network to the state‐line. It incorporates all the 

front‐range roads which can be susceptible to snowfall because of the higher altitudes. 

 

Climatic Domain III: West and South Metro 

This Domain again stretches all the way from the north to the south of the network  it extends 

eastwards  from  the  Foothills  to  east  of  the  I‐25  corridor.  From  historical  data,  this  Domain 

experiences  snowfall  and weather  fronts which  differs  from  the  Foothills  in  intensity  but  is 

significantly more than further east of the I‐25 corridor. 

 

Climatic Domain IV: Eastern Plains 

This is the largest Domain in the region and is defined by all roads to the east of the I‐25 corridor 

and as far south as the higher altitudes of Palmer Ridge. 

 

Climatic Domain V: Palmer Ridge 

Located in the south of the region, the higher altitudes here warrant a separate Domain to both 

the  Eastern  Plains  and  Metro  Domains.  Dependent  on  the  prevailing  weather  front, 

temperatures here could be much colder than surrounding Domains and it will not be affected 

as much from the mountainous relief to the west of the region 

 

Summary 

The survey network may experience differing weather conditions  in different areas on the same 

night, but the Thermal Maps have been produced for constant meteorological conditions. 

 

To account  for  the possibility of  changing weather  conditions,  the  current  survey network has 

been divided  into  five  regions, or Climatic Domains. While  these Domains have been  identified 

from experience during surveys and topographical maps, they may not encompass the full range 

of  climatic  areas  in  the  region. They  are  intended  for use  as  a general  guide  and  are open  to 

change with the benefit of the knowledge of local highway engineers or meteorologists. 

 

Page 37: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

30  

It  is  possible  that  the  boundaries  of  the  Domains may migrate  slightly  from  night  to  night, 

depending on  local  conditions  (such  as wind  speed  and direction) but  their overall position  is 

representative of the major climatological influences. 

   

Page 38: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

31  

CHAPTER 8 

Weather Station Recommendations  

Sensors  can provide  information  about RSTs  at  selected points within  an  area. Related  to  the 

Thermal Maps, this allows the maintenance engineer to know precisely what is happening at any 

location in the Thermally Mapped network.  

Locating Sensors 

To  obtain maximum  use  by  the maintenance  engineer,  sensors  should  be  sited  in  order  to 

represent  a  cross‐section  of  temperature  regimes  and  a  good  geographical  spread  across  the 

area, highlighting some of the following: 

1. Climatic differences across the road network 

2. The range of temperature encountered from the Thermal Mapping 

3. The geographical extent of the road network 

4. Large temperature anomalies (e.g., large bridge decks or overhanging vegetation) 

5. Areas of porous road surface 

Depending on the focus of winter maintenance operations  it  is generally not advisable to  locate 

all stations  in the coldest spots since this can  lead to over‐treatment of those areas that remain 

above 0°C on marginal nights. Locating sensors in a variety of temperature regimes will provide a 

representative  picture  of  the  total  temperature  range  over  the  road  network  on  a  particular 

night. The  larger the geographical area covered by the road network, the greater the possibility 

for weather change on the same night and the greater the need to divide the region into smaller 

Climatic Domains. 

 

Sensor Designation 

If  there  is an  ice prediction  system planned or  in use,  there are  two possible designations  for 

weather  stations:  Forecast  Stations,  and  Non‐Forecast  Stations.  For  an  ice  prediction  system, 

there should be one Forecast Station per Climatic Domain and ideally one Non‐Forecast Station to 

act as a back‐up and to give supplementary information. 

Forecast  Stations  are  used  to  drive  the  forecast model with  the  ice  prediction  system.  They 

should be sited on stretches of road that are representative of their Climatic Domain and also in 

areas  that demonstrate  stable RSTs across all  the weather  scenarios  (Extreme,  Intermediate & 

Damped). 

Page 39: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

N

s

p

b

a

o

a

c

n

n

 

Ic

T

in

h

t

p

m

 

T

o

t

m

a

e

m

m

 

I

t

d

M

r

t

t

c

lo

 

S

s

a

Non‐Forecast 

significant shi

problem area

be two Non‐F

all weather st

obstructions  s

an  accurate 

complete  roa

nights on whi

network to an

ce Predi

The  advanta

nstalling  an 

highway engin

he  highway

precautionary

materials. 

The technique

of minimum 

emperature f

meteorologica

apply  to  their

existing probl

may also be a

moisture sour

n  addition,  t

raffic  flows. S

distinct  from 

Mapped  high

apidly  than o

hese  section

iming  of  trea

capacity, Ther

ocation on th

Stations can b

stations but a

avoiding “spik

Stations can

fts in relative

s or accident

Forecast Stati

tations should

such as  trees

forecast  of 

d  network  o

ch the weath

nother. 

iction / 

ge  of  comp

ice  predictio

neer a fuller 

y  network 

y  measures 

e of Thermal 

RST  distribut

for each sect

al inputs. If st

r  location.  Fo

em areas, wh

dvisable to lo

rces, to give w

here may  be

Site specific 

Forecast  Th

way  network

others  (such 

s  in  real  tim

atment.  Rega

rmal Mapping

he network. 

be  sited used

also ensure  t

ky” or noisy F

 be sited  in a

e RST betwee

t blackspots. 

ons per Clim

d be located 

s or buildings

RSTs  to  be

on  any  partic

her will vary f

/ Ice Det

pleting  Ther

n  system  is 

picture of wh

and  allow 

such  as 

Mapping me

tion  across  t

tion of highw

tations are fo

or  example, 

here accident

ocate stations

warning of po

e more  huma

Forecast Gra

hermal  Maps

k.  There will 

as bridge de

e  in  order  to

ardless  of wh

g provides vit

d Thermal M

hat  they are 

ingerprint are

32 

areas of pote

en Thermal M

Ideally, there

atic Domain.

away from ro

s. This will al

e  produced  f

ular  night,  in

from one par

tection

rmal  Mappin

that  it will  g

hat  is occurri

him/her  to

applying  an

eans that few

the  network,

way using  info

or detection/w

it may  be  th

ts due to ice 

s where the l

otential hazar

an  or  subject

phs show the

s,  which  sho

be  some  se

ecks)  and  in 

o  contribute 

hether  Statio

tal informatio

apping  in ord

positioned  i

ea that may s

ential variabil

Map type (e.g

e should 

Ideally, 

oadside 

llow  for 

for  the 

ncluding 

rt of the 

ng  and 

give  the 

ng over 

o  take 

nti‐icing 

wer road senso

,  as  the  ice 

ormation gath

warning only

hat weather  s

formation ha

owest RSTs a

rds. 

tive  consider

e  forecast pr

ow  the  minim

ections  of  hig

some  instanc

to  the  infor

ons will  be  us

on on the spe

der  to provid

n areas with

skew sensor i

lity,  i.e., thos

., frost hollow

ors are requi

prediction m

hered from w

y, then differe

stations will 

ave been a fe

are found and

rations  relate

rogress of RST

mum  RST  ac

ghway  surfac

ces  it  can be

rmation  used

sed  in  a  pred

ecific therma

de both  the o

  stable Finge

nterpretation

se areas whic

ws) and/or in

red to give a 

model  calcula

weather statio

ent criteria m

be  better  pl

eature in the 

d/or where th

ed  to  issues 

T at single po

cross  the  Th

ce which  coo

e helpful  to m

d  in  deciding 

diction  or  de

l characterist

optimum num

erprint profile

n).  

ch show 

 known 

picture 

ates  the 

ons and 

may well 

aced  in 

past. It 

here are 

such  as 

oints as 

ermally 

ol more 

monitor 

on  the 

etection 

tics of a 

mber of 

es  (e.g., 

Page 40: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

33  

Weather stations combined with Thermal Mapping then give an overview of the entire network 

RSTs rather than just receiving site specific information from individual sensor locations. 

 

 

TABLE 2:  Existing CDOT Weather Stations on the Thermal Mapping Network 

 

                     

   

SITE NAME HWY DIRECTION MP Latitude Longitude Altitude (m)025N190 SURREY RIDGE 025 N 189.45 39.486560 -104.871990 1946

025S185 FOUNDERS POINT 025 S 185.1 39.424830 -104.876720 1895

025S191 S. of Ridgegate 025 S 191 39.510482 -104.871270 1861

070E216.6 Loveland Pass Exit 070 E 216.7 39.687858 -105.882933 3238

070W205 Silverthorne 070 W 205.7 39.630650 -106.062820 2706

070W210 Lower Runaway Truck Ramp 070 W 209.79 39.656640 -105.996013 3038

070W213 EJT West Portal 070 W 213.3 39.676389 -105.943231 3380

070W218 Hermans Gulch Exit 070 W 218.1 39.701779 -105.861435 3157

070W221 Bakerville Exit 070 W 221.1 39.692206 -105.808015 2993

070W246 Floyd Hill 070 W 246.5 39.720928 -105.410115 2394

070W253 Genesse 070 W 253.60 39.710530 -105.294340 2370

070W304 BENNETT 070 W 304 39.738670 -104.433270 1689

070W348 CEDAR POINT 070 W 348.3 39.356990 -103.870130 1768

025N242 St Vrain 025 N 241.2 40.175571 -104.979362 1475

025N259 Crossroads Blvd 025 N 259.3 40.433370 -104.991810 1542

025N276 Wellington 025 N 276.4 40.682936 -105.000127 1573

025S251 Berthoud 025 S 251.1 40.321120 -104.980640 1514

025S298 Natural Fort 025 S 298.1 40.987810 -104.911760 1837

034W070 Cedar Mont 034 W 69.7 40.392191 -105.427581 2171

036W038 Baseline Road 036 W 38 40.001375 -105.259267 1637

076E037 Keenesburg 076 E 36.5 40.110230 -104.565763 1525

076W067 Wiggins/Bijou Creek 076 W 67.1 40.248500 -104.037560 1381

287 @ SE 19th St 287 N 331 40.369243 -105.072462 1543

025N194 C-470 EAST 025 N 194 39.556465 -104.870033 1798

025S194 C-470 WEST 025 S 194 39.556206 -104.871830 1810

025N213 I-70 EB/WB 025 N 213 39.779698 -104.988916 1560

025S213 I-70 West 025 S 213 39.779868 -104.990864 1580

025S229 SH-7 025 S 229 40.000169 -104.981524 1581

070W260 Rooney Rd 070 W 260 39.712470 -105.194760 1885

070W276 Colorado Blvd 070 W 276 39.780235 -104.943331 1603

070W283 Chambers 070 W 283 39.771518 -104.810140 1644

225N004 Parker Road 225 N 4 39.658749 -104.842258 1717

225N007 Mississippi Ave 225 N 7 39.697122 -104.828713 1702

Page 41: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

 

 

 

W

 

 

F

C

g

T

T

in

f

s

c

                

Weather

Figure 12 Curr

CDOT has com

gaps  in  that c

Thermal Map

Thermal Map

nstalled. With

rom  Palmer 

surveys  shou

communicatio

r Statio

rent CDOT sta

mprehensive 

coverage. Tab

ping network

pping  carried 

h regard to Fo

Ridge  Doma

ld  be  suppl

ons and powe

 

n Recom

ations (station

weather stat

ble 2 above  l

k. Due to the 

out  across  t

orecast statio

ain.  Recomm

emented  by

er.  

34 

mmend

ns actually on

tion coverage

lists  the exist

size of the T

he  region  th

ons there is en

mendations  fo

y  closer  site 

dations

n the Therma

e and this rep

ting weather 

Thermal Map

here may be

nough potent

or  station  lo

inspections 

al Mapping ne

port will inves

 stations  tha

ped region a

scope  for  fu

tial coverage 

ocations  from

to  validate

 

etwork in red)

stigate any p

t are specific

nd the exten

rther  station

in all Domain

m  Thermal  M

  the  availab

otential 

c  to  the 

t of the 

ns  to be 

ns apart 

Mapping 

bility  of 

Page 42: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

 

 

 

               C

 

L

n

 

 

L

c

              Cl

T

o

c

       

Climatic Do

   Figure 13 R

Located on U

network and w

     Figure 14 

Located on U

coldest of the

imatic Dom

The only secti

of road  is ade

completed the

omain I: M

Recommended

S 40  in  the a

would benefit

Recommende

S 6  to  the ea

 whole netwo

main II: Fo

ion currently 

equately cove

e data collect

ountain 

d Non‐Foreca

area of milep

t from a mon

ed Non‐Forec

ast of  the Lov

ork 

oothills  

on the Therm

ered by statio

tion on US 36

35 

ast Station 1 

post 236,  this

nitoring statio

cast Station 2

veland Ski Ar

mal Map for t

ons at the m

6 and US 34 

 

s  section  is o

on. 

 

rea entrance,

this Domain i

oment but w

one of  the  co

,  this section

is the section

we may revisi

oldest on  the

n  is again one

 of I‐70. This 

it this once w

e entire 

e of  the 

section 

we have 

Page 43: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

 

 

 

 

 

              Cl

 

L

t

le

         

               C

 

L

5

 

imatic Dom

           Figure 

Located on I‐2

han other se

evel of traffic

Climatic Do

        Figure 1

Located on US

5°F colder tha

main III: W

15 Recomme

25 at Mile Hig

ections  in the

c in this area. 

omain IV: E

6 Recommen

S 85 north of 

an surroundin

West and S

ended Non‐Fo

gh as it trave

e vicinity and 

Eastern Pla

nded Non‐Fore

La Salle as it 

ng sections. 

36 

outh Metr

orecast Statio

rses the Sout

would benef

ains  

ecast Station 

crosses the S

ro  

on 1  

th Platte Rive

fit  from a mo

 

1  

South Platte R

er. This sectio

onitoring stat

River. This sec

on is relatively

tion due to t

ction of road 

y colder 

he high 

is up to 

Page 44: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

 

 

L

o

 

C

T

H

is

 

 

L

d

r

 

          Figure 

Located on US

of road is up t

Climatic Do

The  size of  th

However,  it m

ssues with th

                     F

Located  on  t

displays  stabl

epresentative

17 Recomme

S 85 to the ea

to 5°F colder t

omain V: P

he  current ne

may be bene

e current stat

Figure 18 Reco

he  eastboun

e RSTs  about

e of the Dom

nded Non‐Fo

ast of Greeley

than surroun

Palmer Rid

etwork  that  i

ficial  to have

tion at Cedar

ommended F

d  highway  a

t 300  yards e

ain. 

37 

recast Station

y as it crosses

ding sections

dge 

is part of  thi

e  another  for

 Point. 

Forecast Statio

pprox.  2.3 m

either  side o

 

n 2  

s the Cache L

s.  

s Domain do

recast  station

on 1  

miles  east  th

of  the exact  l

La Poudre rive

oes not warra

n  in place  in

 

e  Limon  off 

location. The

er. Again this 

ant another 

  case  there  a

ramp,  this  l

e RSTs here  a

section 

station. 

are  any 

ocation 

are  also 

Page 45: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

38  

Summary 

The Thermally Mapped network has been split into five Climatic Domains to take account of any 

variation in weather conditions on winter nights that could affect the temperature profiles and 

any forecasts within an ice prediction system.   Six weather stations have subsequently been 

recommended (one Forecast sites within each Climatic Domain, along with a back up Non‐Forecast 

weather station) to provide a comprehensive coverage and full picture of RSTs across the 

Thermally Mapped network during the winter months. 

   

Page 46: CDOT THERMAL MAPPING REPORT · Thermal Mapping Thermal Mapping is a process by which the spatial variation of minimum night time road surface temperatures (RSTs) is measured using

  

39  

CHAPTER 9 

Next Steps  

Obtain forecasts for each CDOT Domain 

Identify maintenance  area  to  trial  Forecast  Thermal maps  and  report  back  ‐  this will  involve 

support and training from Vaisala 

Identifying potential improvements to aid with winter treatment decisions 

Following trial period, assessing the benefits of Thermal Mapping and how it can be implemented 

statewide 

Utilizing the Thermal map data in the forthcoming route optimization research project. 

Utilizing the Thermal Map data in the upcoming performance measurement research project. 

 

One of the major benefits of Thermal Mapping is that it can be used in a Road Forecasting system 

to extrapolate site specific information to the entire network. For that reason, CDOT will have 

access to the Thermal Maps in Vaisala’s Navigator system to assess the benefits for winter 

treatment operations.