气候变化对路面和弹性的影响Bob体育下载链接APP

1介绍

越来越关注极端天气事件和气候变化的长期影响已经开始对国家和国际社会和基础设施的能力来集中努力,以适应未来的变革条件和相关灾害。术语弹力一般都代表了这种适应/恢复能力。在过去的十年中,弹性已经成为基础设施规划、设计、建设、运营和维护的优先考虑。

在交通部门,主要区域和国家组织开始认真地发布有关科学气候变化预测如何影响运输基础设施和运营的指导。最近,这一指导包括如何将弹性集成到基础设施中,作为解决长期气候变化影响和短期极端事件的手段。

在路面行业内,势头现在Bob体育下载链接APP建立参与(作为其他行业)在定义气候变化和极端事件对路面结构的影响,评估已确定的漏洞,以及响应规划,设计,建筑,运营和维护的变化.此背景文档提供以下概述:

  • 气候变化影响.对气候变化的科学共识的一般性理解及其影响是有用的,以了解可能存在风险,哪些策略可能最适合这种风险。
  • 对运输系统的影响.交通部门非常关注气候变化影响的一个子集,可以帮助将工作重点放在对交通(包括人行道)影响最大的方面。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。
  • 弹力.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气候变化的影响

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:

  • 政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告(AR5)2014年气候变化综合报告(IPCC 2014)。IPCC是U.N.的机构,用于评估与气候变化有关的科学。从1990年开始,IPCC每5到7年制作全面的报告,通常被视为气候变化科学的全球共识资源。第六次评估报告合成将于2022年归属于2022年。
  • 美国全球变更研究计划第四次国家气候评估(USGCRP 2018)。USGCRP是一项由国会于1990年编纂的联邦计划,以协调联邦研究和投资,以了解塑造全球环境的力量及其对社会的影响。从2000年开始,USGCRP每4至9年制作全面的美国气候评估,普遍认为是关于气候变化科学的全国共识资源。第四个评估有两个主要卷:
  • 气候科学特别报告(第1卷)。评论曾经预测气候变化的气候科学。
  • 美国的影响,风险和适应(第II卷)。通过国家主题(例如运输)提供美国地区的气候变化细节,并呈现气候变化影响,风险和适应问题。
  • 国家合作研究计划NCHRP报告750:运输面临的战略问题,第2卷:气候变化,极端天气事件和公路系统(Meyer等,2014)本报告略多于前两个来源,概述了气候变化和运输部门的适应。它含有对人行道影响的高级猜测,这三个唯一的参考。Bob体育下载链接APP

2.2气候变化背景

在国家和全球范围内,历史观测和气候模拟的优势支持了全球气候变化和人类活动是主导原因的认识(IPCC 2014;USGCRP 2018)。目前的气候模型普遍预测,气候将继续变化,而且在下个世纪或更长的时间内,变化的速度将越来越快(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,也会根据已经发生的情况,以及排放的吸热气体(通常统称为温室气体或温室气体系统的慢速反馈函数,驱动气候变化(IPCC 2014)。以下是来自USGCRP的选择性摘要第四次国家气候评估,气候科学特别报告(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.这《第四届国家评估》,第二卷(USGCRP 2018) discuss these impacts in more detail on a region-by-region basis within the U.S. and focuses on 10 defined regions: Northeast, Southeast, U.S. Caribbean, Midwest, Northern Great Plains, Southern Great Plains, Northwest, Southwest, Alaska, and Hawai’i and U.S.-affiliated Pacific Islands.

关于气候变化不确定性的记录.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)。为了应对这种不确定性,IPCC第五次评估报告(IPCC 2014)对一系列预测的未来温室气体排放情景进行了气候建模。每个场景都标记为a代表性浓度途径(RCP)用后缀表示辐射强迫具有更高强制性的价值导致预热增加,为2100(见图1)。瓦特/米辐射强迫2对大多数人来说并不直观,所以它可能更容易设想,每个人都是温室气体排放峰值,然后开始下降:

  • RCP2.5:2010-2020左右排放峰,然后下降
  • rcp4.5:2040左右的排放峰值,然后下降
  • RCP6.0:排放量在2080年左右达到峰值,之后下降
  • RCP8.5:整个21次排放继续上涨英石世纪

气候变化影响的预测取决于假设RCP。所有RCP都有一些影响(幅度只有变化:更多的辐射强制导致较大的影响),而其他辐射强制导致较大的影响,而其他辐射迫使假设的RCP则取决于预测可以基于所使用的RCP来改变预测。目前,GHG排放趋势与RCP8.5情景一致。

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通用公共领域奉献中发布。)
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

温度的普遍升高.无论RCP方案考虑的RCP方案,预计,连续U.S.的年平均温度会投射到2021至2050期内的大约2.5°F(1.4°C)。这大概是前50年的两倍。由于RCP方案(USGCRP 2017),深入世纪(2071至2100)的温度范围为2.8至11.9°F(1.6至6.6°C)。图2中展示了北美年度温度的预计变化。

更高的极端温度.预计极端温度将增加甚至超过平均气温。冷波会变得不那么强烈,而热浪将变得更加激烈。这些变化也可能导致冻结的日子较少,冻融循环数量的潜在变化,并将霜冻渗透到土壤中。

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降水量

年降水量的变化将各不相同。季节变化也会发生,一些地区降水较少(例如,西北太平洋地区夏季降水较少),而其他地区降水较多(例如,东北地区冬季降水较多)。季节性降水的预测变化如图3所示。

更频繁和强烈的沉降事件.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.在美国中部和东部部分地区的寒冷季节,西部的积雪量大幅减少,转而出现更多的降水(雪的形式更少)

图3. 2070-2099的CMIP5模拟总季节降水量的预计变化(%)。值是加权多模型装置,并表示为相对于1976 - 2005年平均值的变化百分比。这些是更高场景(RCP8.5)的结果。数据表明,与自然变化相比,评估变化很大。孵化表明,与自然变化相比,评估变化较小。USGCRP(2017)中的图7.5的再现。

2.5干旱,洪水和野火

可能提高慢性,长期干旱.在更高的RCP情景下,到本世纪末,该国某些地区发生长期干旱的可能性更大。

降低表面土壤水分.高温引起的蒸散量增加会使土壤水分减少

一些洪水频率发生了变化,但很难量化未来的洪水如何因人为诱发的气候变化而变化。目前尚不清楚人类活动引发的气候变化会导致未来洪水的发生和何时发生。

在美国和阿拉斯加西部的大型森林火灾发生率增加.自1980年以来,大型森林火灾的年数越来越大。这种趋势将继续。图4显示了美国西部大火灾人数的趋势

图4。美国西部各种生态地区每年发生大火的数量趋势。黑色的线条是趋势线。除Snake平原/哥伦比亚高原、盆地和山脉、地中海加利福尼亚地区外,所有地区的统计显著性水平为10%。图8.3在USGCRP(2017)中再现。

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可变,未来预测的信心很低.模型通常预测增长,但对细节的信心很低。

冬季风暴的预测频率和强度各不相同,预测置信度较低.模型协议很差。

图5.模拟的Saffir-SIMPSON类别4-5(a)当天或(b)的热带风暴为基于RCP4.5场景的21世纪21世纪的条件(USGCRP 2017)。

2.7北极的变化

在阿拉斯加的永久冻土正在解冻并变得更加不连续.阿拉斯加的空气温度和北极在过去50年中增加了全球平均水平的两倍。

2.8海平面

海平面上升.全球平均海平面已经上升(自1993年以来,自19900年以来,约3至203毫米[178至203毫米],并将继续这样做。全球平均海平面上升量的预测在1.0至4.3英尺(0.3至1.3米)的范围内2100。基于海洋温度,盐度,电流和沉降的区域差异,上升可能因位置而异。或海岸的隆起。

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.更高的海平面可能导致更多与涨潮相关的洪水问题。

海平面上升将增加沿海风暴期间洪水的频率和程度.对于给定的风暴强度和持续时间,较高的海平可能导致可能是严重的洪水,这可能是严重的。

对运输系统的影响

许多组织已经开始计划气候变化,可能拥有的影响以及最小化或减轻这些影响所需的必要性调整。在最高级别,大多数美国政府和科学组织都是关于气候变化影响的本质的一般协议,并开始探索如何调整目前的做法,以考虑这些影响。这《第四届国家评估》,第二卷报告(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):

  • 气候变化对美国交通基础设施构成威胁.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。
  • 极端事件可能对城乡交通网络产生强大和不同的影响.这些影响可能产生广泛的社会和经济后果,并可能不成比例地影响脆弱人口。
  • 从业者开始通过评估和适应措施来解决气候风险.从业人员正开始通过评估和适应性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正变得越来越普及,但要达成更有力的全系统方法,仍有许多工作要做。

在这一广泛的概述中,提及一些路面主题,但仅作为示例。Bob体育下载链接APP缺乏细节甚至在国家层面很常见,即使在更多集中的机构级别的努力中(例如表1)。

表1.气候变化影响对运输资产的潜在影响(Childress等,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,这些影响和适应是奇异地解决而不是组合系统。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.与具体路面影响有关的气候影响摘要和潜在的适应策略Bob体育下载链接APP

Willway等。(2008A; 2008B)制作了类似的气候变化效果清单,对U.K的路面和缓解努力。并结束了三个主要影响是温度,降水和土壤水分。Bob体育下载链接APP

5个弹性

达成共识弹力联合国(UN 2016)提出的定义可能最能代表这个定义:

“一个系统、社区或社会暴露在危险之中,以及时和有效的方式抵抗、吸收、适应、改造和从危险的影响中恢复的能力,包括通过风险管理保护和恢复其基本结构和功能。”

这个U.N.定义适用于系统,社区或社会水平。为了更加狭窄地关注美国运输系统,FHWA订单5520定义了弹性:

“......能够预测,准备,并适应改变条件和耐受,迅速从中断恢复并恢复。”

本文档使用FHWA订单5520定义,专注于路面系统如何促进运输系统恢复力。Bob体育下载链接APP关键特征弹力定义是:

  • 弹性解决气候变化适应和减少灾害风险(2014年ARUP)。虽然考虑了长期气候变化的影响,但目前的事件通常专注于极端天气事件(例如,飓风,洪水,干旱,热浪)以及其他灾害事件(例如,地震,野火,海啸)。
  • 弹性是一个系统特征。恢复力是一种表达整个系统(例如,道路网络)计划,响应和恢复,从而改变条件和中断。这意味着它是一种复合度量,并且没有特定于单一的危害或条件。
  • 弹性必须考虑对相互作用的系统的影响.对于一个系统的最佳弹性可能对包括社会和环境系统的其他人具有不利影响。例如,即使在沼泽地的现代运河和堤坝可能有助于改善洪水弹性,它们也会降低了该地区的流体动力学循环,水质和生态学(Harvey等,2010)。
  • 弹性超出了传统的工程品质.虽然强度,耐用性和功能是重要的,恢复力也考虑金融,领导力,安全,社区支持,公共卫生等(2014年)。例如,可能是材料和方法可用于改善路面的恢复力,但融资或公众将不是这样做。Bob体育下载链接APP
  • 适应力不是一种绝对的素质,而是一种素质谱.讨论基础设施资产可能与另一个或一组指标相关的弹性是适当的,但是无法将某些东西标记为“弹性”或“不弹性”,好像它是绝对措施。
  • 弹性是一种风险管理的形式.与恢复力相关的行动与传统的风险管理行动紧密保持敏感:减少风险,转移/股票风险,改善准备和有效响应和回收(Mitchell和Harris 2012)。

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/操作参数有关的弹性

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。

即使有更好的设计参数,基础设施受到超出这些参数的压力源的影响并可能失效(即灾难风险)的可能性总是有限的。在灾难情况下,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来应对灾难。

5..3量化弹性

可以量化弹性,但要做的努力仍然很大程度上是理论,纪律特定的,并且未能为有意义的解决方案提供很多措施(Tamvakis和Xenidis 2013);尽管如此,努力发展更大的普遍框架(Yodo和Wang 2016)。实际努力(例如,洛克菲勒基金会的城市韧性指数)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、执行和将弹性融入组织、功能或主题的方向和指导。其中与路面最相关的包括Bob体育下载链接APP美国气候变化弹性工具包(Noaa等,2015年),FHWA的运输系统管理,运营和维护的气候变化适应指南(阿桑等人2015),FHWA的'项目发展中应对弹性方法的综合(Choate et al. 2017)和NCHRP Synthesis 527,运输规划工程,管理,政策和管理中的抵御能力(Flannery等人2018)。整合这些参考文献,可以陈述一种普遍的抵御方法:

  1. 定义范围。
    1. 定义哪些资产被估价,以及如何估价
    2. 识别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. 确定伤害的资产
    2. 收集适当的气候资料
    3. 评估脆弱性
    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. 制定计划以实施最可行的行为
  5. 采取行动
    1. 实施计划
    2. 检查它是否改善了弹性

5.4.2路面弹性方法Bob体育下载链接APP

本节讨论了以前的方法,因为它与路面有关,到目前为止已经完成了什么。Bob体育下载链接APP

  1. 定义范围
    1. 通用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:其关键功能,可接受的损坏量或其他特征。Bob体育下载链接APP可以通过高流量卷,可接受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这种情况。专门的努力优先考虑路面;Bob体育下载链接APP通常,努力仅在城市/地区/点级别,仅用于路线,路线,走廊和桥梁。
    3. 确定未来可能影响路面的气候因素;Bob体育下载链接APP特别是那些在类型或规模上与现在不同的.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. 收集适当的气候资料.一般而言,这意味着从预测模型中找到关键的气候数据,该模型已经适当地缩小到本地层面,以用作模型,设计标准或材料规范的输入。一个数字或研究工作已经使用较低的气候数据作为表现模型的输入;通常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降低到当地层面仍是一个活跃的研究领域。
    2. 评估与气候相关的变化或灾害的脆弱性.确定哪些路面是暴露的(在它们受到Bob体育下载链接APP影响的地区),它们有多敏感(它们如何受到影响),它们的适应能力是什么(应对影响的能力)。总的来说,暴露、敏感性和适应能力定义了脆弱性。个别研究已经对特定的路面、地理区域或危险进行了研究。Bob体育下载链接APP
    3. 描述气候影响的风险.这包括定义预测影响的概率和成本。可能是最佳的概率可以通过诸如USGCRP(2018)使用的诸如那些诸如那些的诸如那些的概率:非常高,高,中等和低的置信水平;或者从几乎某些(99-100%)的可能性降至异常不太可能(0-1%)。大多数当前研究假定气候情景(例如,RCP8.5),并根据建模计算,相当精确地影响。有些努力表征复合风险,或者允许决定所需的风险渐变。
  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.向别人学习。一些文学正在出现气候变化适应。例如,对从实际洪水的人行道上的洪水充足的情况下存在公平的文献,一些社区记录了海平面上升适应(例如,南海滩,佛罗里达州)。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.评估未来气候情景下可能采取的行动的有效性。说明步骤1中标识的上下文。确定行动是否可以降低风险,以及在有限的资源下可能需要做哪些权衡。关于如何系统地评估行动的可行性的工作很少。评估行动的有效性通常仅限于使用预测的未来气候输入来评估路面设计模型的输出。Bob体育下载链接APP
    2. 制定计划以实施最可行的行为.一些社区已经实施了一些气候变化问题的初步计划;最珍文的海平面上升。
  5. 采取行动
    1. 实施计划.一些社区已经实施了一些气候变化问题的初步计划;最珍文的海平面上升。
    2. 检查它是否改善了弹性.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。

5.5最近的美国对交通基础设施弹性的指令

本文件中定义的弹性已经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。这些指示最清楚地表明了美国社会解决弹性问题的愿望。以下是一些比较突出的提到:

  • 美国交通部2018-2022财年战略计划(USDOT 2018).战略目标2(生命周期和预防性维护)包括一项声明:“……将提高其有效性,确保基础设施有足够的弹性,抵御极端天气和安全事件(包括网络安全事件),否则可能会扰乱交通网络,需要进行大规模重建。”
  • 23 CFR 667:定期评估设施反复要求由于紧急事件(FHWA 2016A)进行维修和重建.一个需要国家点的FHWA授权,以定期评估由于紧急情况发生的两次或多次在两次或多次上需要修复和重建活动的运输设施(道路,高速公路,桥梁),并在开发项目时考虑这些评估。
  • FHWA订单5520:运输系统准备和适应气候变化和极端天气事件(2014年FHWA).该命令确立了联邦卫生和社会福利部对气候变化和极端天气事件的准备和恢复政策。

参考

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Childress,A.,E.Gordon,T.Jedd,R.Klein,J. Lukas和R. Mckeown。2015年。科罗拉多气候变化脆弱性研究.科罗拉多大学和科罗拉多州立大学,丹佛,CO。https://wwa.colorado.edu/climate/co2015vulnerability/co_vulnerability_report_2015_final.pdf.

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Yodo,N.和P. Wang。2016年。“工程弹性量化和设计意义:文学调查。”机械设计学报第138卷第11期美国机械工程师协会,纽约,纽约。