气候变化对人行道和弹性的影响Bob体育下载链接APP

1介绍

对极端天气事件和气候变化的长期影响的日益关注,已开始使国家和国际努力集中于社会和基础设施适应未来变化的条件和相关灾害并从其中恢复的能力。这个词弹性通常代表了这种适应/恢复能力。在过去十年中,弹性已成为基础设施规划、设计、建设、运营和维护的优先考虑因素。

在交通运输部门,主要的区域和国家组织已经开始认真发表关于科学气候变化预测如何影响交通运输基础设施和运营的指导意见。最近,该指南还包括如何将韧性纳入基础设施,作为应对长期气候变化影响和短期极端事件的手段。

在路面行业内,参与定义Bob体育下载链接APP气候变化和极端事件对路面结构的影响,评估已确定的脆弱性,并在规划、设计、施工、运营和维护方面做出改变的势头正在形成(与其他行业一样)。本背景文件概述了以下内容:

  • 气候变化的影响.对气候变化及其影响的科学共识的一般理解有助于了解什么可能面临风险,以及什么策略可能最好地应对这一风险。
  • 对运输系统的影响.交通部门高度关注气候变化影响的一个子集,可以帮助集中努力解决那些对交通(包括人行道)影响最大的问题。Bob体育下载链接APP
  • 对人行道的影响Bob体育下载链接APP.一个文学的身体开始出现,描述气候变化对路面的影响和一些潜在的后果。Bob体育下载链接APP目前,社区内的工作处于早期阶段,因此仍然是探索性,有限的和本地。
  • 弹性.对气候变化影响的反应通常称为抵御能力。还有一种不断增长的知识,描述了系统的弹性方法。这些工作倾向于不作为路面特定地应地建立基础设施,尽管它可以用于框架普通路面弹性方法。Bob体育下载链接APP

2气候变化影响

弹性行动取决于气候变化的影响,具体而言,它们如何与历史气候影响不同。本节审查预计这些差异基于国家/国际总结参考。

2.1主要总结参考

虽然气候变化的描述和其影响很多,但这里的选择总结文件是气候变化信息的良好共识视图:

  • 气候变化(IPCC)第五次评估报告(AR5)政府间议会气候变化2014综合报告(2014年联合国政府间气候变化专门委员会)。IPCC是联合国评估气候变化相关科学的机构。从1990年开始,IPCC每5到7年就会发布一份全面的报告,通常被视为气候变化科学的全球共识资源。第六次综合评估报告将于2022年发布。
  • 美国全球变化研究项目的第四次国家气候评估(USGCRP 2018)。USGCRP是美国国会于1990年制定的一项联邦计划,旨在协调联邦政府的研究和投资,以了解影响全球环境的各种力量及其对社会的影响。从2000年开始,USGCRP每4到9年进行一次全面的美国气候评估,通常被视为气候变化科学的全国共识资源。第四次评估主要有两卷:
  • 气候科学特别报告(第1卷):回顾用于预测气候变化的气候科学。
  • 《美国的影响、风险和适应》(第二卷)。按美国地区提供气候变化细节,并按国家主题(如交通)介绍气候变化的影响、风险和适应问题。
  • 国家合作研究计划的NCHRP报告750:交通面临的战略问题,第二卷:气候变化、极端天气事件和公路系统(Meyer等。2014)本报告的时间比前两份资料略长,概述了交通部门应对气候变化和适应气候变化的情况。它包含了对路面影响的高水平推测,这是这三家公司唯一的参考。Bob体育下载链接APP

2.2气候变化背景

全球气候变化和人类活动是主要原因的认识得到了国家和全球规模的大量历史观测和气候模型的支持(IPCC 2014;USGCRP 2018)。目前的气候模型普遍预测,气候将继续变化,并在未来一个世纪或更长时间内以加速的速度变化(IPCC 2014;USGCRP 2018)。虽然预测的未来气候变化的幅度和速度通常取决于人类活动,即使是最乐观的预测,也会基于已经发生的情况和排放的较长的吸热气体(通常统称为温室气体以及驱动气候变化的大气系统的缓慢反馈功能(IPCC 2014)。以下是来自USGCRP的选择性摘要第四次国家气候评估,气候科学专题报告(2批评估的第1卷)气候变化与与路面最直接相关的影响。Bob体育下载链接APP如果USGCR认为他们是中等信任或更高的情况,则只包括影响。

区域的影响.的第四份国家评估,第四卷(2018年USGCRP)详细讨论了美国各地区的这些影响,重点关注10个确定的地区:东北、东南、美国加勒比、中西部、北部大平原、南部大平原、西北、西南、阿拉斯加、夏威夷和美国附属的太平洋岛屿。

关于气候变化的不确定性的说明.预测未来气候条件的最大不确定性是未来温室气体排放的不确定性(USGCRP 2018)。为了解决这种不确定性,IPCC第五次评估报告(IPCC 2014)在一系列预计的未来GHG发射方案中进行气候建模。每个场景都标有一个代表性浓度途径(RCP)后缀反映了辐射强迫(见图1)。辐射强迫以瓦特/米为单位2对大多数人来说都不是直观的,所以更容易把每一个设想为温室气体排放达到峰值后开始下降的情景:

  • RCP2.5:排放量在2010-2020年前后达到峰值,随后下降
  • RCP4.5:排放量在2040年左右达到峰值,随后下降
  • RCP6.0:2080左右的排放峰值,然后下降
  • RCP8.5: 21个国家的排放量继续上升世纪

气候变化影响的预测依赖于RCP的假设。有些影响对所有RCP都是真实的(只是量级不同:更多的辐射强迫导致更大的影响),而另一些则依赖于RCP假设,因此预测可能会根据所使用的RCP而改变。目前的温室气体排放趋势与RCP8.5情景一致。

IPCC第五次评估报告中的代表性浓度路径(rcp)(图来自维基百科,并在创作共用CC0 1.0通用公共领域奉献协议下发布)。
图1.来自IPCC第五评估报告的代表浓度途径(RCPS)(从维基百科获得的数字,并在CC0 1.0普遍公共领域奉献中发布。efbrozil / Cc by-sa(https://creativecommomon.org/licenses/by-sa/4.0))

2.3温度

一般温度升高.无论考虑的RCP情景如何,预计2021年至2050年美国周边地区的年平均气温将比1976年至2005年上升约2.5°F(1.4°C)。这大约是过去50年的两倍。根据RCP情景(USGCRP 2017),本世纪末(2071年至2100年)的气温上升幅度为2.8至11.9°F(1.6至6.6°C)。图2显示了对北美年气温变化的预估。

更高的极端温度.据预测,极端气温的上升幅度甚至会超过平均气温。寒潮将变得不那么强烈,而热浪将变得更强烈。这些变化还可能导致冻结以下天数的减少,冻融循环次数的潜在变化,以及冻土对土壤的渗透减少。

图2.年平均气温(°F)的预计变化。变化是中世纪平均值之间的差异(2036-2065;顶部)或未深入世纪(2070-2099,底部)和近乎临近(1976-2005)的平均值。usgcrp中图6.7的再现(2017)。

2.4降水

美国各地年降水量的变化也各不相同季节变化也会发生,一些地区降水减少(例如,太平洋西北地区夏季降水减少),而其他地区降水增多(例如,东北地区冬季降水增多)。预测的季节降水变化如图3所示。

更频繁和强烈的强降水事件.预计最大的单日降水事件会增加增加。存在区域和季节性差异。

雪地模式的变化.在美国中部和东部的部分地区,在寒冷季节,西部积雪量大幅减少,降水量增加(雪的形式减少)

图3。CMIP5对2070-2099年季节总降水量的预估变化(%)这些值是加权多模型平均值,并表示为相对于1976-2005年平均值的变化百分比。这些结果适用于更高的场景(RCP8.5)。点画表明,与自然变化相比,变化被评估为较大。孵化表明,与自然变化相比,变化被评估为很小。图7.5在USGCRP(2017)中的再现。

2.5干旱、洪水和野火

可能提高慢性,长期干旱.在较高的RCP情景下,该国某些地区的延长干旱可能在本世纪末更有可能。

土壤表层水分减少.高温引起的蒸散增加会减少土壤水分

某些类型的洪水发生频率已经改变,但很难量化未来的洪水如何对人类引起的气候变化作出反应。可以追溯到人类诱发气候变化的洪水变化的出现和时间尚不清楚。

美国西部和阿拉斯加的森林大火事件增加.自1980年以来,每年发生的大型森林火灾的数量和强度都在增加。这一趋势将继续下去。图4显示了美国西部每年发生大型火灾的趋势

图4.西美国西部大火灾数量的趋势。对于各种eCoregions。黑线是趋势线。除蛇平原/哥伦比亚高原,盆地和范围之外,所有地区的统计学意义为10%的水平,以及地中海加州地区。USGCRP(2017)中的图8.3的再现。

2.6极端风暴

增加热带气旋强度和频率.这与自1970年以来观察到北大西洋飓风活动的趋势一致。图5显示了基于气候变化预测的全球热带风暴的模拟增加。

龙卷风活动变得更加多变,对未来预测的信心很低.模型通常预测会增加,但对细节的信心很低。

冬季风暴频率和强度的预测变化,并且预测信心很低.模型协议很差。

图5。基于RCP4.5情景的(a)当今或(b) 21世纪后期条件下模拟萨丕尔-辛普森4-5类热带风暴的路径(USGCRP 2017)。

2.7北极的变化

阿拉斯加的永久冻土正在融化,变得越来越不连续.在过去50年里,阿拉斯加和北极地区的气温上升速度是全球平均水平的两倍多。

2.8海平面

海平面上升.全球平均海平面已经在上升(自1900年以来上升了7至8英寸(178至203毫米),其中约3英寸(76毫米)自1993年以来),并将继续上升。到2100年,全球平均海平面上升幅度预计在1.0至4.3英尺(0.3至1.3米)之间。海平面上升可能因地点而异,这取决于海洋温度、盐度、洋流以及海岸下沉或隆起的区域差异。

海平面上升将增加导致轻微影响的潮汐洪水的深度,频率和程度.较高的海平面可能导致与高潮相关的洪水问题。

海平面上升将增加沿海风暴期间洪水的频率和程度.在给定的风暴强度和持续时间内,更高的海平面可能导致更多的洪水,这可能是严重的。

3对运输系统的影响

许多组织已经开始计划应对气候变化及其可能产生的影响,以及减少或减轻这些影响所需的必要适应措施。在最高层面,大多数美国政府和科学组织对气候变化影响的性质达成了普遍共识,并开始探索如何适应当前的做法,以考虑这些影响。的第四份国家评估,第四卷报告(USGCRP 2018)描述了各种气候变化影响因素和美国地区。这些影响是许多,其中包括危害沿海淡水含水层,电力消耗增加,运输网络中断,减少作物产量,增加树死亡率,生态系统改变,增加呼吸系统和心血管疾病,以及换土地使用(USGCRP 2018)。对于运输部门,该报告提供以下关键信息(USGCRP 2018):

  • 气候变化对美国运通基础设施带来了风险.强降水、洪水、高温、野火、海平面上升和风暴潮、极端天气事件、北极变暖以及其他气候条件的影响正在影响美国运输系统的可靠性和能力。
  • 极端事件可以对城乡交通网络造成强烈而不同的影响.这些影响可能产生广泛的社会和经济后果,并可能对弱势群体造成不成比例的影响。
  • 从业人员正开始通过评估和适应措施来应对气候风险.从业人员正开始通过评估和适应措施来应对气候风险。在应对气候风险方面提供指导和帮助的工具越来越普遍,但仍有许多工作要做,以达成更强有力的全系统方法。

在这个宽泛的概述中,提到了一些路面问题,但只是作为例子。Bob体育下载链接APP这种缺乏细节的情况在国家一级是普遍的,甚至在比较集中的机构一级的努力中也是如此(如表1)。

表1。气候变化影响对运输资产的潜在影响(Childress et al. 2015)。

4对路面的影响Bob体育下载链接APP

虽然几次早期努力表明这可能是什么样的,但在一个完整的路面影响上没有国家文件或共识。Bob体育下载链接APPMeyer等。(2014)提供了对路面和潜在适应策略的最全面的气候变化清单之一。Bob体育下载链接APP2015年,Muench和Van Dam(2015年)修改并扩展了该清单,该列表描述了与路面相关的气候影响范围。Bob体育下载链接APP有一种不断增长的文学体系,解决了这些气候变化对路面的影响,其中一些也解决了相关的适应策略。Bob体育下载链接APP通常,这些影响和适应是单独寻址的,而不是作为组合系统。表2是与特定路面影响和潜在适应策略相关的气候变化影响的摘要。Bob体育下载链接APP

表2。与特定路面影响相关的气候影响和潜在的适应策略综述Bob体育下载链接APP

Willway et al. (2008a;2008b)为英国制作了一份类似的关于气候变化对路面影响和缓解努力的清单,并得出了三个主要影响是温度、降水和土壤湿度的结论Bob体育下载链接APP。

5弹性

一种共识弹性联合国(UN 2016)提出的定义可能是最好的代表:

“系统,社区或社会暴露于危害,以及时有效的方式从危险的影响,改变和恢复,包括通过保存和恢复其基本结构的保存通过风险管理功能。“

联合国的这一定义适用于系统、社区或社会层面。为了更狭义地关注美国的运输系统,FHWA命令5520将弹性定义为:

“……预测、准备和适应不断变化的条件、承受、应对并从破坏中迅速恢复的能力。”

本文件使用了FHWA命令5520的定义,重点关注路面系统如何促进运输系统的弹性。Bob体育下载链接APP其主要特点是弹性定义是:

  • 弹性解决气候变化适应和减少灾害风险2014年(Arup)。虽然考虑到较长期的气候变化影响,但当前的事件往往集中在极端天气事件(如飓风、洪水、干旱、热浪)以及其他灾害事件(如地震、野火、海啸)。
  • 弹性是一种系统特性。弹性是指整个系统(如道路网络)如何规划、应对不断变化的条件和中断,并从中恢复。这意味着它是一种综合措施,并不是针对单一的危险或情况。
  • 弹性必须考虑对互动系统的影响.一个系统的最佳弹性可能对其他系统,包括社会和环境系统,产生有害影响。例如,尽管大沼泽地的现代运河和堤坝可能有助于提高洪水恢复力,但它们也退化了该地区的水动力循环、水质和生态(Harvey et al. 2010)。
  • 弹性超越了传统的工程质量.虽然实力、耐久性和功能很重要,但弹性也考虑到财政、领导、安全、社区支持、公共卫生等方面(Arup 2014)。例如,改善路面弹性的材料和方法可能是可行的,但资金或公众意愿却不可行。Bob体育下载链接APP
  • 弹性不是绝对质量,而是一种质量谱.讨论一个基础设施资产相对于另一个或一组指标的弹性是合适的,但是不可能将某个东西贴上“弹性”或“非弹性”的标签,就好像它是一个绝对的度量一样。
  • 弹性是风险管理的一种形式.与弹性相关的行动与传统的风险管理行动紧密一致:降低风险、转移/分担风险、改进准备、有效应对和恢复(Mitchell和Harris 2012年)。

5.1弹性范围

本文件中的弹性解决的中断和变化仅限于自然危害(即气候变化)及其二次压力源(例如,紧急疏散)。没有解决冲突,人权和福利等社会压力,以及财务冲击。在这种限制的方式定义弹性风险忘记或解除了系统恢复力中的“机构,权力和政治”(Mitchell和Harris 2012)的“......作用”。这些社会属性通常在定义社区的恢复力方面的恢复力而不是技术能力,材料特征或设计参数。

5.2与设计/运行参数相关的弹性

选择适当的设计/操作参数可以解决一些弹性问题。传统上,选择工程设计参数以确保基础设施功能在环境压力源的历史范围内给出了一定程度的严重程度;例如,水位与100年的洪水复发间隔相关的水位或与500年复发间隔地震相关的峰值接地加速度。然而,可能的是气候变化使历史性气候数据已经过时,因为它不能再可靠地用于预测未来的事件,他们的严重程度或其复发间隔。因此,来自历史记录的数据可能必须使来自预测模型的数据(在气候的情况下),以用作设计/操作输入值。

即使具有更好的设计参数,总有一个有限且接受的概率,即基础设施将受到超出这些参数的压力源,并且可能失败(即,灾害风险)。在灾害情况下,量化基础设施响应和恢复计划是有用的,因为社会可能需要及时恢复,以应对灾难。

53量化弹性

弹性是可以量化的,但这样做的努力在很大程度上仍然停留在理论层面,具体学科,并不能提供很多有意义的解决方案(Tamvakis和Xenidis 2013);然而,开发一个更大的通用框架的工作仍在继续(Yodo和Wang 2016)。实际的努力(如洛克菲勒基金会的城市弹性指数)倾向于依靠使用一般或定性度量的索引,这似乎良好地服务于他们的目的。

5.4弹性方法

5.4.1之前一般方法

气候变化文献包含了很多关于如何计划、执行和将弹性整合到组织、功能或主题中的方向和指导。其中最相关的人行道包括Bob体育下载链接APP美国气候变化适应能力工具包(美国国家海洋和大气管理局等,2015年)运输系统管理、运营和维护适应气候变化指南(Asam et al. 2015), FHWA的“在项目开发中处理弹性的方法的综合(Choate et al. 2017)和NCHRP Synthesis 527,交通规划工程、管理、政策和管理中的弹性(Flannery et al. 2018)。综合这些参考资料,韧性的一般方法如下:

  1. 定义范围。
    1. 定义哪些资产受到重视以及它们的重视
    2. 确定可能对它们造成损害的关键气候变量
  2. 评估漏洞和风险
    1. 确定哪些资产会受到损害
    2. 收集适当的气候数据
    3. 评估漏洞
    4. 估计每个资产的风险
  3. 调查选项
    1. 考虑可能的解决方案
    2. 看看别人做了什么
  4. 优先考虑和计划
    1. 评估行动的可行性
    2. 制定一个计划来实施最可行的行动
  5. 采取行动
    1. 实现这个计划
    2. 看看它是否能提高弹性

5.4.2路面回弹法Bob体育下载链接APP

本节讨论前面的方法,因为它与人行道有关,以及到目前为止已经完成的工作。Bob体育下载链接APP

  1. 定义范围
    1. 一般范围定义为路面结构Bob体育下载链接APP.这包括所有支撑路面层,但不包括未经处理的路基。Bob体育下载链接APP
    2. 理解上下文.这意味着路面的相对重要性:它的关键功能,可接受的损坏数量,或其他特征。Bob体育下载链接APP这种环境可以通过高交通量、可接受的维护间隔的更高级别优先级、生命周期成本、疏散路线或其他标准来定义。具体地把人行道列为优先事项的努力有限;Bob体育下载链接APP通常情况下,只在城市/地区/交通部层面上对路线、路线、走廊和桥梁进行努力。
    3. 定义可能影响人行道的未来气候项目;Bob体育下载链接APP特别是那些与现在的类型或数量不同的人.这是一个高级调查,其中一般气候变化影响可能会影响路面。Bob体育下载链接APP理想情况下,目前的气候条件已经占了路面设计,施工,运营和维护。Bob体育下载链接APP因此,突出将来可能改变的情况至关重要,以便在目前的设计,施工,操作和维护中可能被占用。广泛的交通气候变化和恢复力评估,如Muench和Van Dam(2015年),在识别可能导致可能暴露于伤害的损害和资产的气候变量时已经合理地完成了这种情况。文学最常见于温度和水分变化以及洪水影响。
  2. 评估漏洞和风险
    1. 收集适当的气候数据.一般来说,这意味着从预测模型中找到关键的气候数据,这些预测模型已适当缩小到地方水平,作为模型、设计标准或材料规格的输入。一些或一些研究工作使用了缩小规模的气候数据作为绩效模型的输入;通常是AASHTOWare ME路面设计软件Bob体育下载链接APP。确定适当的气候数据集以及如何最好地将其缩小到地方水平仍然是一个活跃的研究领域。
    2. 评估与气候相关的变化或危害的脆弱性.确定哪些路面暴露(在它们受到影响Bob体育下载链接APP的区域),它们有多敏感(他们如何受到影响),它们的自适应能力是什么(能够应对影响)。集体,暴露,敏感和自适应能力定义漏洞。个人研究努力为特定的路面,地理区域或危害做了这一点。Bob体育下载链接APP
    3. 表征气候影响的风险.这包括定义预测影响的概率和成本。可能概率可以用几个通用的陈述来描述,例如USGCRP(2018)所使用的那些:置信水平非常高、高、中、低;或者可能性从几乎确定(99-100%)降至极不可能(0-1%)。目前的大多数研究假设了一个气候情景(例如,RCP8.5),并相当精确地基于模型计算了影响。很少有人对复合风险进行描述,也很少有人对决策所必需的风险分级进行描述。
  3. 调查选项
    1. 考虑可能的解决方案.调查各种行动。请务必包含涉及不同预算(高到零)甚至部分解决方案的选项。迄今为止的研究通常假设一些解决方案(例如,增加路面厚度,改变PG等级,减少关节间隔),然后计算这些解决方案的影响。Bob体育下载链接APP目前的研究更加易于描述一些潜在的解决方案和相关的影响而不是全方位的解决方案或部分解决方案。在损坏后,对选择,优先考虑和恢复服务的方案/行动几乎没有研究。Bob体育下载链接APP
    2. 看看别人做了什么.向他人学习。一些关于适应气候变化的文献正在出现。例如,关于实际洪水对人行道的影响的文献相当多,一些社区已经记录了海平面上升的适应(例如,佛罗里达州南海滩)。Bob体育下载链接APP
  4. 优先考虑和计划
    1. 评估行动的可行性.在未来的气候情景下评估可能的行动的功效。帐户对于在步骤1.中标识的上下文。确定动作是否可以降低风险,并且根据有限的资源可能需要什么权衡。如何系统地评估行动可行性的少量工作。评估动作的功效通常限于使用预测的未来气候输入评估路面设计模型输出。Bob体育下载链接APP
    2. 制定一个计划来实施最可行的行动.一些社区已经为一些气候变化问题实施了初步计划;最明显的是海平面上升。
  5. 采取行动
    1. 实现这个计划.一些社区已经为一些气候变化问题实施了初步计划;最明显的是海平面上升。
    2. 看看它是否能提高弹性.衡量计划和监测结果的有效性。相应调整。几乎没有文献解决了弹性措施的有效性。

美国最近关于交通基础设施弹性的指示

如本文件所定义的,恢复能力已开始出现在与美国交通基础设施相关的官方文件和指令中。这些指令是美国社会渴望解决恢复力的最明显的表现。以下是一些更突出的提及:

  • 2018-2022 FY的美国DOT战略计划(2018年USDOT).战略目标2(生命周期和预防性维护)包括一项声明,即州交通部“……将提高其有效性,确保基础设施有足够的弹性,以抵御极端天气和安全事件(包括网络安全事件),否则就会破坏交通网络,需要进行重大重建。”
  • 23 CFR 667:因紧急事件而反复需要维修和重建的设施的定期评估(FHWA 2016a).FHWA的一项任务要求州DOTs定期评估因紧急事件两次或两次以上需要进行维修和重建活动的运输设施(道路、高速公路、桥梁),并在制定项目时考虑这些评估。
  • FHWA命令5520:运输系统对气候变化和极端天气事件的准备和恢复力(FHWA 2014).该命令确立了FHWA应对气候变化和极端天气事件的准备和恢复力政策。

参考

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