1959—2019年影響公路的中國氣候條件變化狀況研究

苗英豪，劉卜寧，WANG Linbing，2，武佳祺

(1.北京科技大學 國家材料服役安全科學中心，北京 100083；2.弗吉尼亞理工大學 土木與環境工程系，弗吉尼亞 黑堡VA24061；3.北京工業大學 交通工程北京市重點實驗室，北京 100124)

0 引言

公路建設于自然環境之中，并不斷受到各種自然因素的影響，氣候是其中最為活躍的因素，深刻影響著公路的使用性能和壽命。氣候的影響一直是公路工程領域的重要研究課題，一方面需要掌握氣候對公路工程材料、結構的影響機理；另一方面則需要了解不同地域影響公路的氣候條件的具體狀況。在認識氣候條件的地域差異方面，區劃方法是重要手段。蘇聯開展公路氣候區劃研究較早，并制定了全國公路氣候分區[1]。自20世紀50年代起，中國研究人員提出并逐步完善了公路氣候區劃(分區)、公路自然區劃[2－4]，并于1986年頒布了JTJ 003—86《公路自然區劃標準》[5]。標準采用三級區劃體系，一、二級區劃由全國統一劃分且在標準中給出，三級區劃由各省自行劃分。在隨后的一段時期內，一些省份在標準的框架下，制定了三級區劃[6－8]，同時也提出了一些針對具體應用的氣候分區[9－10]。苗英豪等[11]在總結公路自然區劃應用經驗的基礎上，對中國公路氣候區劃做了進一步研究。美國在實施長期路面性能(Long Term Pavement Performance，LTPP)研究計劃時，制定了一個氣候分區，用以區別氣候條件影響的差異[12－13]。在公路氣候區劃相關研究中，研究人員也提出了一系列影響公路的氣候條件評價指標，苗英豪等[14]對影響公路的氣候條件評價指標進行了系統研究，建立了影響公路的氣候條件指標體系。

氣候變化是當前人類面臨的嚴峻挑戰，給自然界及人類社會帶來了巨大影響。許多領域都在積極開展研究[15－18]，在尋求減緩氣候變化的途徑[19－20]的同時，也在探討適應氣候變化的策略[21－22]。氣候變化的影響引起了公路工程領域研究人員的關注，一些研究人員結合調研歸納了氣候變化對道路工程的潛在影響[23－26]:

(1)在冰凍區，冬季溫度的上升將增加凍融變化的頻率，加重凍脹相關病害，導致路面抗滑性能下降，影響到季節性凍土和永久凍土的承載力。長遠的影響還包括風化加劇導致邊坡落石發生概率的增加。

(2)夏季溫度的升高，特別是極端高溫出現頻率和絕對值的增大，對瀝青路面的車轍及耐久性有極大的影響。同時，高溫升高導致的結構溫度應力增大或伸長量的額外增加，還會影響到水泥混凝土路面、橋梁結構等的服役行為與安全。

(3)冰凍區冬季降水量的增多，將顯著增加道路冬季運營費用，除冰鹽的使用頻次和使用量增加，還會加劇道路、結構材料的腐蝕。對于積雪地區，還會增加雪崩發生的風險。

(4)單日降水強度以及極端降水發生概率的升高，將顯著增加洪水、沖刷、滑坡、泥石流等災害發生的風險。總體降水量的升高，將增大路基土的濕度，影響路基穩定性和承載能力。濕度的升高還將加速橋梁等結構物病害的發生。

(5)夏季降水減少與高溫升高的變化組合，將增加山火發生的風險，危及區域內道路。

(6)氣候變化導致的海平面上升，將加重沿海地區海水、海浪對道路的侵蝕，增加道路淹沒于海水的概率。

在氣候變化對道路工程影響的相關研究中，大多聚焦于潛在影響、政策和個案研究[27－29]，影響公路的氣候條件變化的客觀狀況研究還未見報道。文章利用1959年以來中國699個氣象站點的觀測數據，計算了影響公路的典型氣候條件指標，進而分析了影響公路的中國氣候條件客觀變化狀況，可為道路工程領域應對氣候變化提供基礎支撐。

1 氣候指標及氣象數據

1.1 氣候指標

在眾多氣候要素中，熱量條件和水分條件對公路的影響尤為顯著。苗英豪等[11]在研究中國公路氣候區劃時，以高溫過程、低溫過程、非冰凍期降水和冰凍期降水作為影響公路的典型氣候過程，選取了年≥20℃積溫(TRA20)、年冰凍指數(IF)、年非冰凍期降水量(PNF)和年冰凍期降水量(PF)的累年年平均值作為宏觀層區劃指標，用以定量描述區域間影響公路的氣候條件差異。文章亦選取上述4個指標，逐年計算指標值，用以考察中國影響公路的氣候條件的變化狀況。為了便于比較，具體計算中將年≥20℃積溫修改為年≥20℃相對積溫。

(1)年≥20℃相對積溫(TRA20)

以自然年為計算區間，TRA20由式(1)和(2)表示為

式中n為計算區間內的天數；Ti為計算區間內第i 日的日平均氣溫，℃。

(2)年冰凍指數[11]

計算區間為計算年秋天日平均氣溫低于0℃的第一天，至第二年春天日平均氣溫低于0℃的最后一天。I由式(3)和(4)表示為

(3)年非冰凍期降水量(PNF)[11]

計算區間為春天日平均氣溫低于0℃的最后一天，至秋天日平均氣溫低于0℃的第一天。PNF由式(5)表示為

式中P i為計算區間內第i日的降水量，mm。

(4)年冰凍期降水量(PF)[11]

計算區間與IF相同，PF由式(6)表示為

1.2 氣象數據及氣候指標的計算

研究中使用的氣象數據由國家氣象科學數據中心提供，包括1959—2019年分布于全國699個氣象站點的相關氣候要素值，氣象站點的分布如圖1所示。文章所用地圖的審圖號為GS(2021)4041號。TRA20和PNF的分析使用了1960—2019年的氣象數據，IF和PF的分析使用了1959—2019年的氣象數據(由于這兩個指標跨年計算，所以指標年份為1959—2018年)。由于不同年份氣象站點的數量并不完全一致，而文章考察的重點是60年來氣候條件的改變情況，氣象站點的增加或減少，會影響對應區域的插值結果，導致氣象條件變化分析的偏差，因此在研究中舍棄了觀測年份不連續的站點。最終TRA20、PNF、IF、PF的分析分別使用了588、555、555和516個站點的數據。通過逐年逐站計算各個指標的值，進而利用協同克里格(CoKriging)插值方法，考慮高程的影響，對各個指標的逐年數據進行插值分析，并生成覆蓋中國的5 km×5 km柵格指標數據，作為氣候條件變化狀況分析的數據基礎。

圖1 氣象站點分布圖

2 氣候條件總體變化狀況

為了考察中國影響公路的氣候條件總體變化情況，利用TRA20、IF、PNF和PF等4個指標逐年5 km×5 km柵格數據，計算了各指標年度全國平均值，用以分析影響公路的氣候條件總體變化狀況。

2.1 溫度條件變化狀況

TRA20是描述高溫過程的氣候指標，根據1960—2019年間TRA20的年度全國平均值，繪制了TRA20隨年份變化的曲線圖(如圖2所示)，用以分析影響公路的高溫過程變化情況。可以看出，盡管隨年份的變化表現出一定幅度的波動，但1993年之后的上升趨勢仍清晰可辨。滑動平均值的方法有助于從隨機波動的數據中抽提出變化的趨勢，因此在圖2中同時繪制了TRA20全國平均值的5、10、20年滑動平均值曲線。可以清晰地看出，1976年之前TRA20全國平均值呈小幅下降的趨勢，以5年滑動平均值計，1964—1976年間，TRA20全國平均值下降了24.8℃，約為1964年的6.55%。1976—1993年間，TRA20全國平均值相對穩定，5、10及20年滑動平均值穩定約為363℃。1993年之后，TRA20全國平均值快速升高，以20年滑動平均值計，1993—2019年，TRA20全國平均值上升了74.0℃，約為1993年的20.44%。盡管自1993年以來TRA20全國平均值的20年滑動平均值基本呈線性增長，但2005年之后TRA20全國平均值的5年和10年滑動平均值增速明顯減小，并向20年滑動平均值靠攏，表明近年來TRA20全國平均值的增長速度在逐漸放緩。

圖2 全國平均T RA20隨年份的變化趨勢圖

IF是描述低溫過程的氣候指標，1959—2018年間IF全國平均值隨年份變化的曲線，以及對應的5、10、20年滑動平均值曲線如圖3所示。可以看出，IF全國平均值呈波動下降趨勢。1985年之前，IF全國平均值波動幅度較大，5年滑動平均值仍有較大幅度的波動，但從10年和20年滑動平均值來看，IF全國平均值下降的幅度并不大。以10年滑動平均值計，1968—1985年間，IF全國平均值下降了32.2℃，下降幅度僅為1968年的3.67%。1985年之后IF全國平均值快速下降，1985—2008年間，20年滑動平均值呈線性下降，期間IF全國平均值下降了140.2℃，下降幅度為1985年的16.35%。2008年之后IF全國平均值的10年和20年滑動平均值基本保持平穩，略有起伏，但IF全國平均值的5年滑動平均值波動較大，且近年呈進一步下降的趨勢。

圖3 全國平均I F隨年份的變化趨勢圖

2.2 水分條件變化狀況

1960—2019年間PNF全國平均值隨年份變化的曲線，以及對應的5、10、20年滑動平均值曲線如圖4所示。可以看出，盡管PNF全國平均值呈現一定幅度的波動，但總體保持穩定。以20年滑動平均值計，1979—2019年間，PNF全國平均值幾乎沒有變化，僅有19.8 mm的增長，增大幅度僅為1979年的3.37%。2015年之后，PNF全國平均值的5年滑動平均值偏離20年滑動平均值的幅度顯著增大，表明近些年PNF全國平均值有增大的趨勢，是否有長期的影響，仍需根據未來年份的數據進行分析。

圖4 全國平均P NF隨年份的變化趨勢圖

1959—2018年間PF全國平均值隨年份變化的曲線，以及對應的5、10、20年滑動平均值曲線如圖5所示。可以看出，1969年之前，PF全國平均值呈現出較大幅度波動，以5年滑動平均值來看，表現出明顯的上升趨勢。1969年之后，PF全國平均值的波動幅度明顯減小，總體變化趨于平穩，以20年滑動平均值來看，1978—1982年間，PF全國平均值略有增大，之后一直到1997年基本保持穩定，1997年之后呈現緩慢下降的趨勢。1997—2018年間，PF全國平均值下降了2.0 mm，下降幅度為1997年的6.40%。近年來，PF全國平均值的5、10、20年滑動平均值曲線趨于重疊，表明PF全國平均值逐漸趨于穩定。

圖5 全國平均P F隨年份的變化趨勢圖

3 氣候條件變化的區域差異

由于氣象狀況具有較大波動性，某一年份的氣象數據難以代表一個地方的氣候條件，同樣某一年份的氣象狀況的波動，也不能判定氣候條件的變化。實踐中常使用一個相對長期的氣候指標均值表征一個地方的氣候條件。由第2節的分析可見，TRA20、IF、PNF和PF等4個指標全國平均值的20年滑動平均值變化趨勢相對單調。綜合考慮數據的情況以及對氣候條件表征的可靠性，在考察中國影響公路的氣候條件變化的區域差異時，以各指標的20年滑動平均值為數據基礎。對于TRA20和PNF，以2019年和1979年對應的20年滑動平均值的差值為依據，對于IF和PF，以2018年和1978年對應的20年滑動平均值的差值為依據，分別分析各指標40年間變化的區域差異。具體分析中，以各指標逐年5 km×5 km柵格數據為基礎，逐柵格計算各指標對應年份20年滑動平均值，得到對應的20年滑動平均值5 km×5 km柵格數據，進而逐柵格計算各指標20年滑動平均值40年間的變化值，得到各指標40年間變化值的5 km×5 km柵格數據。在此基礎上開展氣候條件變化區域差異的分析。

3.1 溫度條件變化的區域差異

根據40年間TRA20變化值的5 km×5 km柵格數據，繪制了其變化值的直方圖和全國等值線圖，分別如圖6和7所示。由圖6可以看出，自1979—2019年間，全國僅有不到15%的區域TRA20出現下降或沒有變化，下降幅度主要分布在0～60℃區間。超過90%的區域TRA20出現不同程度上升，上升幅度在0～120℃區域分布最廣，其中上升幅度在0～60℃和60～120℃的區域分別占全國面積的35%和37%以上，上升幅度超過120℃的區域占全國面積的18%以上。

圖6 1979—2019年T RA20變化分布直方圖

由圖7可知，40年間TRA20降低的區域，分布于青藏高原的東南部，新疆西部部分區域，四川、甘肅、陜西交界區域，陜西東南、湖北西北和河南西部連接區域，以及云南、貴州、重慶等地散布的小片區域。總體來看，TRA20降低值大部分在50℃以下，僅新疆西部和西藏中南部小片區域的降低值超過50℃。

圖7 1979—2019年T RA20變化等值線圖

東南沿海、云南、西北地區、京津冀及山東沿渤海區域，40年間TRA20升高非常顯著，升高值超過90℃的區域廣泛分布，許多地區的升高值超過120℃，也有成片區域的升高值超過150℃，云南南部和華南沿海局部區域TRA20升高值超過200℃。東北大部分區域TRA20的升高值在60～90℃之間，中部部分區域的升高值超過120℃，東部和北部一些區域的升高值在60℃以下。

根據40年間IF變化值的5 km×5 km柵格數據繪制的直方圖如圖8所示。1978—2018年間，全國僅有不到2%的區域IF出現一定幅度上升，上升幅度主要分布在0～60℃區間。超過98%區域IF出現不同程度下降或保持不變，其中下降幅度超過60℃的區域占全國面積的69%以上。

圖8 1978—2018年I F變化分布直方圖

40年間IF變化值全國等值線圖如圖9所示。秦嶺淮河以南主要為非冰凍區，冰凍指數變化非常有限，大多在10℃以內，冰凍指數出現增加的區域都分布于這些區域。在主要冰凍區，IF均表現出不同程度的減小。西藏中部、青海大部、新疆北部、東北北部、內蒙古大部，IF減小尤為明顯，減小值均在200℃以上；西藏中南部、新疆東北部、東北北部的部分區域，減小值甚至超過400℃；青海東北部、甘肅大部、寧夏大部、陜西北部、山西大部、河北大部、山東北部、東北南部等大片區域IF減小幅度在100～200℃之間。

圖9 1978—2018年I變化等值線圖

3.2 水分條件變化的區域差異

根據40年間PNF變化值的5 km×5 km柵格數據，繪制了PNF變化值的直方圖和全國等值線圖，分別如圖10和11所示。由圖10可以看出，自1979—2019年間，全國超過68%的區域PNF出現上升，不到32%的區域PNF出現下降，77%以上的區域PNF的變化幅度在60 mm以內。

圖10 1979—2019年P NF變化分布圖

從圖11給出的PNF變化分布可以看出，40年間西南大部、西藏東南部、廣西西部及湖北西部PNF下降最為顯著，大部分區域下降幅度在40 mm以上，其中西藏云南交界、云南貴州交界、四川中南部的部分區域下降幅度在120 mm以上。東北南部、華北大部、山東大部是PNF顯著下降另一大片區域，其中遼東半島、京津冀環渤海區域、山東半島下降幅度在40 mm以上，其中河北東北、山東半島東南局部下降幅度在120 mm以上。另外新疆中部、甘肅東南部、陜西東部、湖北河南交界局部區域PNF也有所下降。

圖11 1979—2019年P 變化等值線圖

東南區域PNF增加最為顯著，其中江西中部、浙江、上海、江蘇東南部、安徽東南部、福建沿海、珠江三角洲、雷州半島及海南北部等區域PNF增加值在100 mm以上，部分區域PNF增加值在150 mm以上。西藏西部、新疆南部、青海西部及四川西部部分區域PNF也有較為顯著的增加，增加值在50 mm以上，局部增加值在150 mm以上。西北大部、東北北部等區域PNF變化相對平緩，大部分區域的變化幅度在20 mm以內。

根據40年間PF變化值的5 km×5 km柵格數據繪制的直方圖和全國等值線圖分別如圖12和13所示。由圖12可以看出，1978—2018年間，全國PF上升的區域約占56%，下降的區域約占44%，超過85%的區域PF的變化幅度在10 mm以內。

圖12 1978—2018年P F變化分布直方圖

從圖13給出的PF變化分布來看，40年間湖南、江西、浙江、福建等省大部以及廣西東北部、廣東北部PF出現明顯下降，其中江西中部、浙江西部和東部沿海局部區域下降幅度超過30 mm，四川中部也有局部區域PF下降幅度超過30 mm。上述區域處于我國地理意義上的非冰凍區，文章定義的冰凍期為“計算年秋天日平均氣溫低于0℃的第一天至第二年春天日平均氣溫低于0℃的最后一天”。對于這些區域，冬季溫度在0℃上下波動，降水形式也以降雨為主，文章定義的PF一定程度上放大了這些區域的“冰凍期降水量”。新疆北部、東北東部、西藏中南局部、安徽南部局部PF出現明顯增大，部分區域PF增大值在15 mm以上，其他區域40年間PF沒有明顯變化。

圖13 1978—2018年P F變化等值線圖

4 氣候條件變化特征

從氣候條件全國總體變化狀況來看，溫度條件的變化較為顯著，相關指標的20年滑動平均值變化速度雖有所不同，但基本呈單調變化。1979—2019年，高溫過程指標TRA20的20年滑動平均值增長了70.6℃，增長幅度達到19.32%，低溫過程指標IF的20年滑動平均值減小了143.2℃，減小幅度達到16.64%。水分條件相對穩定，40年間，非冰凍期降水量指標PNF的20年滑動平均值在波動中呈小幅上升，冰凍期降水量指標PF的20年滑動平均值在波動中呈小幅下降。

對于不同區域，氣候條件的變化情況和變化幅度存在較大差異。東南地區溫度條件和水分條件的變化均有非常顯著的改變，沿海地區TRA20的增加尤為突出，從沿海向內內陸TRA20增加量逐漸減小。對于PNF，以東北部、中部、珠江三角洲區域、雷州半島和海南北部增加幅度最大。

西北地區高溫條件和低溫條件均發生了非常顯著的改變，局部區域降水有顯著增加。其中，新疆中南部TRA20的增加幅度最為顯著。IF表現為不同幅度的下降，以新疆東北部下降最為顯著。另外，新疆北部地區PF有顯著增加，以北部偏南增加較為顯著，新疆南部局地PNF增加較為顯著。

青藏高原東部TRA20的變化并不突出，西部和南部局地有較為明顯的增加。低溫條件改變顯著，大部分區域IF呈現大幅下降。水分條件方面，大部分區域PNF呈現增加，西部部分區域最為顯著，東南部分區域PNF出現較為顯著的下降。對于冰凍期降水量，除散布的局部區域有顯著增加外，大部分區域沒有顯著變化。值得注意的是，青藏高原地區氣象站點非常稀疏，氣候指標插值計算的偏差可能高于其他區域。

華北中原一帶，TRA20在大部分區域表現為增大，京津冀、山東半島等區域增加較為顯著。IF均表現為減小，減小幅度在40～200℃之間，由南向北逐漸增大。PNF以減小為主，沿海地區減小較為突出。PF沒有顯著變化。

東北地區高溫條件變化相對溫和，TRA20表現為小幅上升，局部增加超過120℃。低溫條件變化非常顯著，IF顯著減小，由南向北減小幅度逐漸增大。非冰凍期降水變化不大，北部地區PNF略有增大，南部地區略有減少。冰凍期降水量呈現一定幅度的增加，東北部PF增加較為明顯，向西南增幅逐漸減小。

西南地區，云南西南部TRA20增加非常顯著，四川中南部、重慶東北部也有比較明顯的增加。西南地區大部降水量有一定幅度的下降，四川西部降水呈小幅增加。

5 結論

依托中國699個氣象站點1959—2019年間的氣象觀測數據，選取年≥20℃相對積溫、年冰凍指數、年非冰凍期降水量和年冰凍期降水量等4個氣候指標，分析了影響公路的中國氣候條件實際變化狀況及區域差異，得到主要結論如下:

(1)總體來看，1959—2019年間影響公路的中國氣候條件發生了顯著變化，其中溫度條件變化突出，水分條件相對穩定。過去40年間，全國平均年≥20°C相對積溫顯著升高，升高幅度達19.32%，全國平均冰凍指數顯著降低，降低幅度達16.64%。

(2)氣候條件的改變表現出顯著的地域差異，不僅變化幅度差異明顯，變化特征也不盡相同。東南、西北、云南、京津冀及山東半島區域的高溫條件變化最為顯著，高溫影響大幅加重。青藏高原大部、新疆北部、東北北部、內蒙古大部低溫條件變化顯著，冰凍顯著減輕，潛在的凍融循環影響加劇。西南和東南地區的水分條件變化最為顯著，西南地區降水量顯著減小，東南地區降水量大幅增加，水毀風險加劇。

(3)大部分區域氣候條件的變化幅度足以對公路工程產生顯著影響，應當引起行業的高度重視。在研究氣候對公路影響的同時，應加強影響公路的氣候條件變化現狀及預測研究。在公路規劃、設計、建造及運營養護中，應充分考慮氣候條件的動態變化，提升公路的氣候韌性。

致謝:感謝國家氣象科學數據中心為研究提供了詳實的氣象數據。