气候变化引发结构作用的变化

未来几十年，土木工程结构的老化和损坏可能会因气候变化的影响而加剧。在行动方面，人们可能会发现极端天气事件（如暴雨、暴雪、海平面上升和飓风）的发生概率和规模都在增加。平均值的降低（例如某地年降水量平均值的降低）不一定会带来更有利的条件，因为如果变异性（变异系数，CoV）同时增加，分布的上尾部仍可能增加，从而导致更极端的行动规模。关于频率，气候变化可能会对极端事件（洪水、极端风暴事件、干旱）的重现期产生影响，重现期可能会缩短，从而导致同一事件在任何特定年份发生的可能性增大。  

在此背景下，IABSE TG6.1 于 2017 年成立，汇集了气候变化对建筑和土木工程结构影响的国际专家小组，旨在促进技术讨论和收集现有的全球知识。其策略是重点关注一些相关案例研究，并突出它们在应对气候变化时的共同点（如分析规模、结构类型、方法和目标）。IABSE TG6.1 的目标不仅是确定影响的严重程度，而且还要针对气候变化提出结构管理的适应战略建议。  

本文介绍了该工作组所涉及的一些方面，以说明不同的气候变化情景可能如何在极端事件的强度/频率方面产生暴露变化，重点关注世界上三个不同的地区：欧洲、北美和亚洲。  

有关欧洲的主题包括负荷模式强度的潜在变化。这项研究的一部分内容是调查气候变化对地面雪荷载、河流洪水、冲刷效应、预期温度升高以及海平面上升后果的影响。洪水是可能影响河中桥梁冲刷风险的一个主要原因。洪水对基础设施造成的影响受到气候变化的影响，因此需要对目前的设计方法进行调整，以便在预期的使用寿命内提供可靠的结构。本研究探讨了年最大洪水事件分布的统计特征（即平均值和标准偏差）以及其他类型的资产和模型不确定性（如地基深度或冲刷模型不确定性）对冲刷风险的影响。重点是沿河桥梁以及冲刷和水动力荷载造成的不利影响。本研究以过去的可用数据为基础，探讨了洪水强度测量（流速、深度）与桥梁损坏之间的关系。这些课题的重要性已被多份报告所认识，这些报告为正在进行的欧洲规范修订提供了背景资料。  

本研究以北美洲为重点，通过先进的模拟组件，对气候变化下的飓风表面风、雨和浪涌危害进行了评估。飓风事件是在观测到的（历史）和预测的气候条件下产生的，并对这两种情况进行了系统比较。总之，模拟和结果比较突出了全球变暖情景对加剧飓风表面风、雨和浪涌危害的重要影响，从而影响到飓风多发地区关键民用基础设施（如沿海建筑）的性能。  

在亚洲，海平面上升可能会对沿海社区造成更大的负面影响。因此，在考虑海平面上升的情况下，建立了海啸危害下桥梁和堤坝失效概率的估算程序。通过基于 Monte Carlo 的海啸传播分析，得出海啸危害。在比较考虑和不考虑气候变化影响下的风险和抗灾能力的基础上，通过一个示例讨论了在海啸危害下的沿海公路网风险评估中是否必须考虑海平面上升。目前，气候变化对结构作用的影响是密集研究活动的主题。由于随时间演变的随机物理过程、知识的缺乏和有限的测量，预测结果存在很大的不确定性，这使得所有结果都是模糊的，任何概括都是值得怀疑的。本研究侧重于选定的区域和行动，旨在对现有知识进行概述。然而，应始终牢记与所有预测相关的巨大不确定性。

欧洲荷载模式的变化

对地面雪荷载的影响    

在积雪模式方面，欧洲地区属于海洋性气候、大陆性气候或寒冷气候等不同气候，通常与所在地的海拔高度有很大关系。欧洲中西部低地和地中海地区的气候特点是间歇性积雪覆盖，即一场或几场降雪之后通常会完全融化。相比之下，阿尔卑斯山和北部寒冷地区等山区的气候特点是持续积雪。在制定欧洲规范 的过程中，为气候行动建模提供概率基础的背景文件表明，在低海拔地区（海拔小于1000 米），积雪覆盖时断时续且不规则，地面雪荷载的年最大值可以用 Gumbel 分布（EVI）很好地描述。相反，对于积雪严重的高海拔地区（海拔高度大于 1500 米），Weibull 分布（EVIII）似乎比较合适。一项针对喀尔巴阡山地区的详细分析证实，Weibull 分布适用于山区，而弗雷谢特（EVII）分布则最适合低地。美国的经验主张采用对数正态分布，欧洲一些国家也考虑了这种分布。重现期为 50 年或更长的估计分位数对所选的概率分布类型非常敏感。这种敏感性会随着评估方法的使用而进一步增加，即统计框架（广义极值、广义帕累托分布、点过程等）、参数估计方法（如矩法或最大似然法）、数据清理以及统计方法的选择（例如，GEV 的区块长度或 GPD 的临界值）。  

参考文献[12]调查了气候变化对挪威地面雪荷载的预测影响。他们得出的结论是，预计全球气温上升将导致挪威大部分地区的地面雪荷载在 2070-2100 年间下降。然而，在一些内陆地区，预计地面雪荷载将增加，并对结构可靠性产生预期影响。关于雪气候较温和的地区，对中欧地区记录的地面雪荷载进行的统计分析表明 ：

(1) 在瑞士阿尔卑斯山和喀尔巴阡山地区，年最大积雪量在统计上呈显著下降趋势，这证实了在罗马尼亚观察到的积雪深度和积雪覆盖率的大幅下降。

(2) 统计不确定性的影响很大，主要是因为与结构可靠性分析中考虑的重现期相比，观测期很短。考虑时间趋势和时间外推法会增加这种不确定性。

(3) 气象效应的变异性增加可能导致大雪更加频繁，特别是在高山地区，例如巴伐利亚的一些屋顶坍塌事故就证明了这一点。参考文献[16]最近分析了欧洲自 1951 年以来的极端地面积雪量记录，并对 2100 年前的情况进行了预测。他们发现，由于预计年平均最大积雪量减少，50 年重现期的地面积雪量大多会下降，但变异性的增加会部分抵消这种下降。据预测，地中海、伊比利亚半岛、英国、挪威和瑞典等一些地区的极端地面积雪量将会增加。研究得出结论，这些气候变化影响需要与气候模型和假设情景固有的不确定性结合起来，以帮助做出关于适应措施的决定。  

考虑到最先进的知识，似乎无法就受气候变化影响的地面雪荷载极端情况的概率建模提出明确的建议。因此，CEN/TC17 要求有关气候荷载的建议应不断发展并定期修订，至少每 15 年修订一次。还应给出随时间变化的重要参数的预期趋势。  

欧洲气候变化预计将增加河流洪水的风险，尤其是在西北欧和北欧。联合研究委员会的报告7 认为，西欧的洪水发生率越来越高，因为目前的百年一遇洪水在 2080 年代可能每隔约 30 年就会发生一次。在欧洲其他地区，对河流洪水的预测显示出较高的空间和时间变异性，而较低和较不明显的变化模式：  

在南欧和东欧约 30% 的地区，预计极端洪水排放量将大幅减少（其中 10% 的地区会增加）；在北欧，预计 24% 的地区极端洪水排放量将显著增加，而 23% 的地区将显著减少；在中欧，大幅增加的地区（26%）多于预计减少的地区（15%）。  

许多研究调查了暴雨或融雪引起的洪水的趋势和严重程度。据估计，与全球平均气温不上升（无气候变化）的情况相比，在+2°C的世界中，25%生活在受河流洪水影响地区的人将面临更大的洪水风险。在 +4°C 的世界中，这一比例将上升到 50%。此外，在 +2°C 和 +4°C 世界中，受洪水影响的人口将分别增加到 2.11 亿和 5.44 亿。  

在建立极端洪水排放模型时，考虑了一系列概率分布。常用模型的例子包括数据对数正态变换的皮尔逊 III 分布、Gumbel（EVI）分布或双参数对数正态分布。当采用峰值-阈值法时，可使用广义帕累托分布。需要注意的是，应在统计检验的基础上选择合适的模型，同时考虑到其他地区流量分布的经验。在某些情况下，气候变化已被证明会诱发更多的分散事件，这意味着更高的极端事件，但也意味着更频繁的极端事件。与法国、比利时和德国最近发生的洪水事件有关的基础设施管理者注意到，100 年一遇的洪水事件每隔几年就会发生一次，这与联合研究中心报告中的观察结果一致。同样，人们还注意到，雨水事件发生的时间更长，这对洪水和冲刷来说是一个问题。同样，人们还注意到雨水事件的时间较长，这对洪水和冲刷来说是个问题。这些见解意味着，在极端事件发生时，需要先分析事件发生率和规模的趋势，然后再选择适当的分布来描述洪水位或排水量。此外，由于未来人口的增加，洪水引发的风险也会增加，这可以看作是欧洲和其他人口稠密地区洪水损失增加的主要原因，因为这些地区有大面积的人行道、正在消失的花园和公园、排水系统维护不善等。参考文献[26]在对近期研究进行广泛回顾的基础上得出结论，洪水风险的增加主要是由于城市化进程的加速和城市化进程的加快。参考文献[26]得出结论，由于一系列气候和非气候影响，欧洲许多地区的洪水风险增加，而这些影响的相对重要性因地而异。  

多瑙河 2013 年的洪水被视为在特定灾难性事件后采取措施的范例。这次洪灾使布拉迪斯拉发（斯洛伐克）的排水量达到有记录以来的最高值，布达佩斯（匈牙利）的水位达到有记录以来的最高值，邻近地区还发生了其他大洪水。研究人员立即呼吁分析气候变化对洪水的影响，并重新考虑防洪设计参数。参考文献 [27] 发现，在德国，与其他地方一样，由于气候变化，与洪水有关的损失预计会大幅增加。一些研究人员认为，静态假设是站不住脚的，他们呼吁在水资源管理中采用非静态模型。另一些研究人员则指出，观测数据是有限的，统计上的不确定性仍然制约着极端预测，因此采用非稳态模型可能没有实际意义。通过纳入全球环流模式的预测，可以减少这种不确定性。通过采用气候模型预测，可以大大减少大重现期事件（大于1000年）的不确定性，但也有许多注意事项，例如，这些模型的验证使用的是地球气候的一个相对较短的测量结果。需要注意的是，除了极端降水量的变化之外，洪水还受到多种因素的影响，例如人类的土地利用，即城市化会大大增加洪水风险。因此，由于全球变暖，气候变化可能会影响天气模式和水文循环，增加降雨的频率和强度，从而增加洪水事件。特别是，气候变化预计将影响极端（低概率、高影响）事件。文献研究结果表明，所有气候区的极端降水和洪水事件都在加剧，但不同地区的加剧率并不一致（这是由于极端降水变化的相互作用因素不同造成的）。由于许多地理和气象因素会影响洪水期间的极端降水量，并可能随着时间的推移而发生变化，因此分析气候变化的影响和确定具有统计意义的时间趋势变得更加复杂。可能的气候变化影响可能会被非统计影响因素高估，这些影响因素可能在测量期间已经形成，并可能影响未来的极端排水量。这些影响因素包括: 河流管理，包括洪泛区的维护和/或恢复，河道深度、宽度和粗糙度的改变，以及植被的清除；影响当地洪水条件的地方铺砌；砍伐森林、改变土地用途和其他人为干预对环境的影响等。  

水文数据总是需要进行关键的水文审查，以忠实地反映关于洪水状况的最佳知识。

河流流速变化和风险冲刷的影响    

目前普遍认为，气候变化导致桥梁桥墩和桥台冲刷风险增加是气候变化的关键影响之一。例如，根据参考文献 [36] ，到 2080 年代，英国的桥梁冲刷可能会增加 5% 至 50% ，具体取决于桥梁条件和位置。然而，关于气候变化对桥梁冲刷潜在影响的定量评估仍然缺失，并且需要纳入气候变化的影响（例如，更剧烈、更频繁的降雨）来评估与冲刷相关的桥梁失效风险仍然存在。

冲刷深度与水流速度有关。事实上，关于时间参数，如果没有泥沙运输，冲刷会缓慢增长并趋向于渐近值，并且这种现象很慢。但是，如果有泥沙流动，冲刷坑会迅速挖出并在平均值附近波动。这个阈值是一个极端深度，适用于所有可能的水力流动情况。目前，除了这些长期现象外，河流及其环境还暴露在短期现象中，例如，具有攻击性的水流或山洪暴发。水流的力量类似于撞击在其路径上的一切物体的冲击力，例如桥梁桥墩或桥梁桥面板。这些现象及其后果目前无法预测，通常工程工作包括进行一些灾后修复工作和紧急情况，以描述和解释发生了什么。

由于气候变化导致的未来洪水潜在增加需要在设计和评估现有结构时予以考虑。在冲刷评估中考虑气候变化的挑战在于，峰值河流流量对气候变化的敏感性可能因不同类型和位置的河流而异。最近，参考文献 [42] 提出了量化这种敏感性的框架。

在冲刷设计和评估规范中，气候变化的潜在影响通常通过简单地增加设计洪水的幅度来捕获，设计洪水是河流流量，即 200 或 500 年，增加 20-25% 。英国最近更新的公路桥梁气候适应性规定已经将气候适应性规定调整为地方标准。然而，在其他国家规范（例如，意大利关于桥梁风险分类和管理的指南）中，气候变化在冲刷和风险评估中没有详细说明。另一方面，最近进行的一些研究试图更详细地模拟气候变化对洪水频率分布及其对冲刷风险的影响。例如，参考文献 [51] 将气候变化的影响建模为支撑年流量分布的参数变化（平均值、标准偏差）。

结构健康监测（ SHM ）为监测受与气候变化有关的洪水破坏影响的桥梁提供了一个有价值的工具，以了解在严重洪水后将采取的桥梁管理行动（如桥梁关闭、减少交通）。随着洪水事件的强度和频率的增加，桥梁管理行动的成本预计将会增加，因为严重的破坏状态更有可能发生。另一方面，随着气候变化导致更极端的洪水事件，传感器监测在未来可能会变得更具成本效益。

较高的预期温度的影响    

由于气候变化，预计未来气温会升高，这可能会对土木工程结构的反应产生影响。其中一个潜在影响可能是桥梁结构的疲劳应力循环。参考文献 [53] 在丹麦进行了一项研究，以了解温度对正交桥面响应的影响；作者利用在大贝尔特桥上收集的长期监测数据，对桥面不同位置的温度和应变进行了分析。研究证实，桥面焊接点的应力范围与温度有关，取决于焊接点相对于桥面的位置。研究结果表明，到  2100  年，平均气温上升  2.9  摄氏度，关键桥梁细节的剩余疲劳寿命将缩短约  25  年。欧洲最近的一项研究也表明，桥梁的设计温度作用预计将受到气候变化的影响，以及更高极端温度的影响。

海平面上升对沿海基础设施的影响    

所有负责预测未来海平面上升的模型都受区域特征的影响，因此，对当地的预测对于确 定潜在影响和改进所需安全措施的规划非常重要。例如，在地中海地区，有许多沿海地区可能会受到洪水和侵蚀的影响。应对这些问题以及未来海平面上升进行深入研究。 参考文献 [54] 提出了一个模型，该模型显示到  2040-2050  年，地中海海平面在最小和最大情景下的空间平均预计上升幅度分别为  9.8  厘米和  25.6  厘米，这些数值略小于  IPCC AR5  在  RCP6.0  情景下评估的最小和最大可能变化范围 。希腊银行预测到  2100  年希腊沿海地区的海平面将上升  0.2  至  0.59  米，而保守预测则将上升  1.5  至  2  米。尽管这些预测存在很大差异，但海平面上升对自然灾害事件的频率和强度的影响是毋庸置疑的。潮汐或风暴潮高度增加造成的洪水是受海平面上升影响的一个重要灾害。海啸灾害是强震后的连锁效应，它与海平面上升的耦合也至关重要。根据最近发生的事件和历史记录，海啸的潜在影响可能是灾难性的。然而，海啸与海平面上升的结合尚未得到充分探讨（见第  3  节）。 2020  年  10  月  30  日萨摩斯岛  7.0  兆瓦级地震引发的小型海啸事件可能会随着海平面上升而加剧，这表明研究这种耦合效应具有重要意义。迫切需要根据地区特点确定这些潜在的危害，并对位于海岸线的重要沿海基础设施 （如交通和电力网络）进行有针对性的脆弱性评估，以确定哪些是高风险设施。

此外，让我们来说明钢板桩对沿海基础设施的影响。在法国， 25%  的港口基础设施是用钢板桩建造的，而在重要的经济或军事基础设施中，这一比例达到了 50% 。参考文献 [57] 通过案例研究说明，结构可靠性主要对来自土壤的荷载敏感，除非发生大面积腐蚀。海平面上升会对这种荷载产生影响：首先是永久荷载的位置以及在堤坝情况下这种荷载的强度（阿基米德效应），其次是波浪和潮汐导致的循环荷载的位置，从而影响疲劳评估中的应力水平。此外，由于海平面上升会改变腐蚀的垂直分布（参考文献  [58] ），因此与腐蚀也有关联。为了量化这种影响的相对影响，表  1  列出了在  RCP8.5  情景下，腐蚀和海平面上升对平均应力的影响，并应用于参考文献 [59] 的案例研究。值得注意的是，在这种情况下，海平面上升会降低应力，并补偿腐蚀的影响。

表1 海平面上升对钢板桩码头的影响

北美洲的热带气旋表面风、雨和浪涌危害    

关于温室气体浓度上升如何影响热带气旋（ TCs ），目前仍存在很大争议，不过，现有的全球气候模型和降尺度技术普遍支持这样一个前提，即在气候不断变化的情况下，破坏性高强度风暴的频率将增加（地区差异较大）。目前的气候模式预测了几个环境因素的重大变化，包括海面温度（ SST ）、环境垂直风切变以及对流层顶的含水量和温度。其中，海面温度通常被认为是最主要的因素，它将气候和热带气旋现象联系在一起。海面温度（ SST ）的上升被认为是二氧化碳排放增加导致全球气候变化的结果。世界环境基金认为，根据目前的趋势，到  2060  年全球平均海面温度可能会上升  4 ° C 。参考文献 [64] 发现，海温每上升  1 ° C ，热带气旋的峰值风速就会增加  5% 。 Elsner 指出，气候变化会导致海温升高；海温升高会产生更多能量，从而转化为更强的热带气旋风。

工程界一直在努力，通过将预测的环境条件整合到热 带气旋评估框架中（如参考文献 [66,67] ），方便、高效地考虑气候变暖对热 带气旋活动的影响，一般涉及热带气旋轨迹模式（由成因、轨迹和强度建模部分组 成），以生成合成风暴。虽然有几个重要的环境因素（如  SST 、风切变、对流不稳定性、大气边界层顶部温度和外流温度）对  TC  动力学和热力学有影响，但  SST  通常是这些降尺度工作中唯一要考虑的因素。为了解决这个问题，我们开发了一种非线性强度模式，不仅考虑了  SST  的贡献，还考虑了其他热力学和动力学变量（如垂直风切变和对流不稳定性）。由于其模拟效率和准确性，参考文献 [68] 开发的增强型热气旋路径模式可有效地用于热气旋的模拟。由于参考文献 [68] 开发的增强型热气旋路径模式模拟效率高、精度高，因此可在气候不断变化的背景下有效使用。为准确评估气候变化下的  TC  危害，应仔细研究各种排放情景的概率、气候变化情景下区域环境因子的条件概率分布函数（考虑固有不确定性和气候模式差异）以及环境因子集合下每种  TC  危害（如风、雨或浪涌）的条件概率分布函数。前两个不确定性（涉及排放情景模拟和气候模式）已在  " 海平面上升  " 部分的讨论中充分说明。本节的重点是将增强的热 带气旋路径模式和热 带气旋灾害模式结合起来。随后，将利用所获得的在未来全球变暖情景下特定环境因素下的热 带气旋表面风、雨和浪涌危害评估框架，强调气候变化对海岸结构和基础设施的重大影响。

热带气旋危害的气候依赖性随机模拟框架

为了充分解析热带气旋，高精度地获得持续风速（或热带气旋强度），目前的全球气候模式需要非常高的分辨率（例如  1  千米或更低）。为了降低明确模拟风暴的计算成本，通常采用降尺度计算。尽管气候模式输出中的许多环境因素已被确定为对热 带气旋活动有影响的因素，但目前的工程应用主要考虑的是  SST  带来的影响。由于全球变暖的影响，预计未来几年与热带气旋相关的灾害，即强风、暴雨和强大的风暴潮将显著增加。例如，可以通过执行布法罗大学（ UB ）开发的热带气旋危害气候依赖性随机模拟框架来了解气候变化下的热带气旋表面风、雨和浪涌危害。布法罗大学依赖气候的热气旋危害随机模拟框架主要由三部分组成，即生成合成风暴的增强型热气旋轨迹模型（包括基于物理的强度模型，集成了  SST 、风切变和对流不稳定性贡献）、模拟梯度风剖面的基于热风平衡的新型模型（明确考虑 SST 、大气边界层顶部温度和外流温度等环境条件），以及用于风、雨和浪涌模拟的高效危害模型。具体而言，开发了一个高度分辨边界层模型，以获得地表风场和雨场（减少与传统使用的梯度风速与地表风速换算系数相关的固有不确定性），并开发了一个基于人工神经网络的高效模型（即多层前馈反向传播网络），以使用标准  TC  参数（即中心气压、平移速度、最大风半径和风暴轨迹）作为输入来预测风暴潮。基于机器学习的模型是利用通过  NACCS  从美国陆军工程兵部队获得的大型合成热带风暴数据库构建的。 NACCS  数据库可通过沿海灾害系统网络工具访问  (https://chs.erdc.dren.mil/ default.aspx) 。图 1  是针对热带气旋风雨危害的  UB  气候相关随机模拟框架示意图。虽然随着时间的推移， UB  气候依赖性随机模拟框架的每一个组成部分无疑都将得到改进，但目前它为如何将大气科学与风（和沿岸）工程结合起来，以有效评估气候变化对热带气旋地面灾害的影响提供了指导。

利用  Slosh  模型研究气候变化对风暴潮的影响    

除了上文讨论的基于人工神经网络的风暴潮危害建模模型外，还有一种方法是使用基于物理的模型，如飓风引起的海浪、湖泊和陆上浪涌（ SLOSH ）模型。本文介绍了一项案例研究，考虑到海面温度（ SST ）上升的影响，对美国大西洋和墨西哥湾沿岸地区选定地点的未来风暴潮危害进行预测。为生成风暴潮危害，使用基于参考文献首次提出的经验路径模型  (ETM)  的经过验证的  TC  模拟模型，模拟了  20,000  个  TC  年。模拟中使用的未来预测  SST  来自耦合模式相互比较项目第  5  阶段（ CMIP5 ）。风暴潮分析采用  SLOSH  模型。

图1 TC风和雨灾害的UB气候相关随机模拟框架（注：Vs为风切变，C为对流不稳定，TTBL为大气边界层顶部的温度，t0为流出温度）

代表性浓度通道（ Representative Concentration Pathway ， RCP ）是国际气候科学机构全球碳项目（ Global Carbon Project ）提出的一种用于描述未来全球人为碳排放的量化指标。它基于 IPCC 发布的第四次评估报告，将未来碳排放分为 4 种情景：低排放情景（ RCP2.6 ）、中排放情景（ RCP4.5 ）、高排放情景（ RCP6.0 ）和超级高排放情景（ RCP8.5 ）。这些情景代表了不同的发展路径和政策选择，为气候变化研究提供了重要的参考依据。 RCP 的主要目的是提供一种标准化的方法，用于比较不同研究中的气候变化预测结果。

它通过设定不同的碳排放路径，模拟了未来全球温室气体排放对气候系统的影响。这些路径与全球平均温度变化密切相关，因此可以用来评估不同减排策略对气候变化的影响。 RCP 在气候科学领域得到了广泛应用，它不仅可以用于评估未来气候变化的趋势。

图  2  显示了海湾和大西洋沿岸八个地点在二十一世纪末浪涌高度的预计变化。分析考虑了三种  RCP （ RCP 2.6 、 6.0  和  8.5 ）。不出所料，由于热带气旋强度的增加，在所研究的地点都观测到了浪涌水平的上升。海温变化对浪涌重现期的影响分析表明，预计将发生重大变化。例如，在  RCP 8.5  条件下，研究地点目前气候下  100  年一遇的浪涌高度预计将变为  25-50  年一遇。此外，海平面上升也会加剧气候变化对未来浪涌危害的影响。但应注意的是，浪涌高度不仅是热带气旋强度的函数。地形、水深和地理布局等其他因素也发挥着巨大作用，并直接影响所产生的浪涌高度。此外，其他热气旋参数的变化，如航向角、平移速度和登陆地点，也对浪涌高度起着至关重要的作用。这里使用的基于情景的方法没有考虑  IPCC  排放情景的可能性。这些情景的可能性一直是讨论的主题。参考文献 [81] 评估了各国概述其  2020  年后气候行动的当前  " 国民意向贡献 " （ INDC ）的影响，并得出结论：到  2100  年，地表温度升高的中位数预计为  2.6-3.1 ° C  。这一增长表明， RCP 6.0  和 8.5  之间的情景是可能的。一些研究人员认为， RCP 8.5  情景比最初想象的更有可能发生，原因包括永久冻土解冻释放的温室气体比目前估计的要多。其他研究人员则认为， RCP 8.5  情景正变得越来越不可信，部分原因是它要求煤炭使用量增加五倍，而这是极不可能的，而且清洁能源的成本将继续呈下降趋势。越来越多的人呼吁采用基于风险或概率的方法来模拟未来的气候情景。然而，采用这种方法有几个挑战。主要的挑战是，由于计算上的限制和在模型中使用了不恰当的概率分布，全球气候模型运行的次数不足，因此概率气候情景可能会低估不确定性。

图2 在RCP 8.5条件下，不同的平均重现期（MRI）在2020年至2100年期间风暴潮风险的变化  

对沿海结构和基础设施的影响  

随着沿海地区人口、相关建筑和基础设施的不断增加，预计与热带气旋风、雨和浪 潮灾害有关的直接和间接经济损失也会增加。由于气候的变化，预计这些损失还会增加。因此，热 带气旋风险评估模式必须能够考虑到热带气旋的非稳态方面，以考虑气候变化对热 带气旋损失成本的潜在影响。然而，现有的许多以风速为函数估算热带气旋损失成本的模型都假设风速是静止的。参考文献 [88] 制定了澳大利亚昆士兰州的热气旋风险评估框架。该框架评估了不断变化的全球气候可能对损失成本产生的影响，发现增加热带气旋风速可能会增加损失成本。参考文献 [89] 评估了损害风险和设计新住房以降低易受热带气旋影响程度的成本效益。参考文献 [90-91] 提出了一个估算佛罗里达州住宅建筑的  TC  损害风险的概念框架，考虑到气候变化导致的风速变化，以及考虑到美国佛罗里达州迈阿密 - 戴德县、北卡罗来纳州新汉诺威县和德克萨斯州加尔维斯顿县气候变异性的 TC 引发的浪涌。

在热带气旋灾害中，风灾和雨灾具有重要意义，因为热带气旋事件造成的经济和生命损失有很大一部分直接或间接与风灾和雨灾有关（如风引起的结构破坏、风致雨渗透和内陆洪水）。参考文献 [68] 基于  UB  气候模拟系统，对历史气候情景（ 1991-2010  年）和未来气候情景（ 2081-2100  年）（ RCP 8.5 ）的模拟结果进行了系统比较。参考文献 [68]  基于美国东北海岸线  TC  危害的  UB  气候依赖性随机模拟框架，在历史和预测气候条件下，共生成了  10,000  年的热带气旋事件。热气旋表面风速和降雨率以  MRI （平均重现期）为特征。根据所选的全球气候模式，一般来说，随着气候的变化，各级  MRI  均可获得较高的  TC  表面风速和降雨率。例如，根据  RCP 8.5  气候情景预测，新泽西州蒙莫斯县某地  50  年  MRI  对应的风速将增加约  14% ，马萨诸塞州南塔克特县某地  100  年  MRI  对应的降雨率将增加 27% 。模拟结果表明，在气候不断变化的情况下，有必要对沿海地区的民用建筑和基础设施进行  TC  表面风雨风险缓解和适应。

研究表明，全球气候变化可能会改变热带气旋的危害模式。除了热带气旋风雨的变化，热带气旋引起的风暴潮也可能因气候变化而发生变化。 低洼沿海地区特别容易受到风暴潮的影响，对社区的影响可能是灾难性的。 参考文献 [78] 将  TC  的  UB  气候依赖性随机模拟框架与新开发的基于机器学习的风暴潮模型相结合，评估了气候变化条件下沿海桥梁的风暴潮危害风险。他们的模拟结果（以纬度  41.05  度和经度  -71.96  度为控制点）表明，气候的变化将对桥梁的年损失率产生显著的负面影响，并带来直接和间接的经济损失。例如，在  RCP 8.5  条件下， 2  米风暴潮阈值（触发桥梁关闭的标准）的年超标概率从历史气候下的  2.6%  增加到近  15% 。如果考虑到气候变化导致的海平面上升，情况会变得更糟。 IPCC92  指出，在新的共享社会经济路径  (SSP)  情景下，全球平均海平面  (GMSL)  预计将上升  0.28-1.02  米（可能范围），并估计全球平均海平面在  1901  年至  2018  年期间已经上升了  0.2  米。美国的一些地区被认为对海平面上升极为敏感。例如，关于纽约大都会区，参考文献 [93] 指出，海平面上升对纽约大都会区的影响最大，预计到  2020  年代，海平面将沿潮汐哈德逊上升  0.05-0.254  米（ 2-10  英寸）；到  2050  年代，上升  0.20-0.76  米（ 8-30  英寸）；到  2080  年代，上升  0.33-1.47  米（ 13-58  英寸）；到  2050  年代，上升  0.20-0.76  米（ 8-30  英寸）。海平面上升直接影响到沿岸地区的水文地质条件。海平面上升直接影响风暴潮的高度，因为海平面上升直接增加了风暴潮的高度。静态水位上升，加上热带风暴事件的严重程度和频率增加，将导致沿海地区越来越多地被淹没和淹没，甚至加速海岸侵蚀。风暴强度的增加意味着沿海社区遭受严重风暴潮洪水的风险也将增加。参考文献 [97] 介绍了一种沿海桥梁风险评估方法，该方法同时考虑了  TC  引起的风暴潮和海平面上升，并说明了气候变化对风险值的影响。

其他地区的风作用及相关不确定性说明    

一般来说，风压是全球许多建筑物面临的主要气候影响。除飓风外， (1)  同步风暴和  (2)  雷暴也经常对基础设施造成破坏。然而，现有的知识往往没有定论，而且严重依赖于地区。就欧洲而言， CEN/TC17  以气候变化对欧洲的影响为重点的报告指出，关于 (1) ，对热带气旋统计观测趋势的重要性缺乏共识，这对热带气旋预测的解释构成了挑战。基于气候模式的模拟预计将得到广泛应用，并产生比目前观测数据更大的样本量。为了模拟外热带气旋，目前的全球气候模式可能仍然没有足够的分辨率，因此分辨率可能仍然是限制风暴强度分析的一个因素；分辨率的提高预计将有利于未来的研究。关于第（ 2 ）点，强对流风暴频率和强度的增加将影响风压的统计特性。然而，在全球或区域模型研究中进行明确模拟在近期似乎并不可行。 CEN/TC17  的结论是，北欧和中欧北部地区的极端风力可能会有一定程度的增加，而南欧的极端风力风暴可能会减少。不过，结果在很大程度上取决于所使用的气候模型。显然，对强风事件的预测存在很大的不确定性。例如，参考文献  [98]  观察到不同模式对加拿大极端风压的预测有一定的一致性，但强调由于粗分辨率气候模式普遍无法解析驱动极端风的许多物理过程，因此这些预测具有相当大的 不确定性。他们的结论是，对这些预测的信心非常低。据  CEN/TC17  称，目前还缺乏广泛接受的方法来评估极端天气在时间和空间上的非稳态行为，需要进一步研究，以充分捕捉预测中的不确定性（包括统计和模型的不确定性）。

海平面上升对亚洲的多重危害    

政府间气候变化专门委员会（ IPCC ）第五次评估报告（ AR5 ）指出，气候变化的潜在影响可能会大大加剧区域范围内的沿海灾害。 IPCC  第五次评估报告中强调的一个值得注意的方面是全球和区域范围的海平面上升，这可能会在更大程度上加剧沿海灾害，如台风引起的风暴潮和降水量增加导致的洪水。此外，一项研究表明，海平面上升  0.5  米足以使当地的海啸灾害增加一倍。因此，海平面上升评估是提高沿海社区在未来灾害中的抗灾能力的一项重要任务。为了建立预测未来海平面上升的模型，人们进行了大量的研究工作。这些模式的开发主要基于两种方法：基于过程的方法和半经验方法。基于过程的方法是利用与气候有关的预报方程，即大气环流模型（ GCM ），建立基于网格的海洋和大气环流数值模型。相反，尽管对物理过程的表述不够充分，但半经验方法通过建立观测到的温度与海平面上升之间的关系，根据过去的数据对未来海平面上升进行统计评估（例如  [102] ）。然而，尽管以前的许多研究都致力于调查未来海平面上升的趋势，但其预测仍然具有很大的不确定性。与海平面上升相关的不确定性来自几个方面，包括温室气体排放浓度（即气候变化情景）、海洋和地球物理过程（如海洋环流和海底压力变化），以及冰川和冰盖分布位置导致的海平面上升空间变化。参考文献 [104] 对海平面上升的不确定性进行了广泛总结，范围从全球到区域， 提供了从全球到区域范围的海平面上升不确定性的广泛总结。其中一个突出的不确定性包括 GCM  之间的海平面上升预测。由于各气候模式组在建模过程中采用了不同的预测公式和方法，因此各气候模式之间的海平面上升预测差异很大。因此，海平面上升评估的概率方法被认为适合考虑上述所有不确定因素。利用基于过程方法的海平面上升预测，对全球气候模式和其他海平面上升模式进行统计分析，可以为海平面上升危害的概率评估建立一个适当的框架。最后，可以将海平面上升的不确定性与未来的沿海灾害结合起来，以促进沿海社区制定更好的气候变化适应战略。

海平面上升危害概率评估框架    

有几项研究对海平面上升进行了概率预测，根据其不确定性来源分析了每个组成部分，并将其局部变异性包括在内。例如，参考文献  [106] 认为，在温和的气候变化情景下（即  RCP 4.5 ）， 2100  年全球范围内由  GCM  预测的海洋过程引起的海平面上升可能为  0.13  至  0.4  米。就总海平面上升而言（即海洋过程、冰盖、冰川和冰帽的综合作用），预计  2100  年全球海平面将上升  0.36-0.96  米。尽管如此，这些与冰盖海平面上升有关的不确定性是根据专家征询意见并通过忽略海平面上升各组成部分之间的依赖关系而得出的。参考文献 [107] 介绍了与以往研究互补的海平面上升危害概率评估的完整框架，并在此进行了简要讨论。本文将对此进行简要讨论。参考文献 [107] 提出了海平面上升危害概率评估的完整框架， 首先，将全球平均海平面上升部分（即海洋海平面上升的平均值）与其相应的空间变异性（下称海平面指纹）相乘，估算出区域海平面上升，即海洋中某一特定位置的海平面上升：  (1)  热膨胀和动力洋流导致的立体动力海平面上升； (2)  地表质量平衡导致的冰川海平面上升； (3)  动力冰架基底融化导致的冰盖海平面上升。地表质量平衡代表了冰川和冰盖积雪和冰融化的净损失，而动态冰架基底融化则是由于海洋变暖导致冰架脱离基岩，从而加速冰盖流入海洋。为了得出更有代表性的结果，还需要进一步研究考虑其他非气候海平面上升因素，包括构造和冰川等静力调整。图  3  显示了估算区域海平面上升总危害的流程图。每个区域海平面上升成分的概率密度函数 (PDF)  都是通过利用其相应的不确定性来估算的。在统计分析的基础上，利用耦合模式相互比较项目  5 (CMIP5)  中的现有  GCM  对立体动力海平面上升概率密度函数  S  进行评估。需要强调的是，在使用这些模式之前，应进行一些预处理步骤，如由于全球气候模式初始条件的动态不平衡造成的模式漂移校正，以及由于海洋网格分辨率的差异造成的网格插值。最后，全球平均冰盖海平面上升  PDF I  的评估是基于地表质量平衡部分，使用浮上体积变化数据，并按照参考文献 [111] 提出的方法进行冰盖动力学评估。各部分评估的详情可参见参考文献 [107] 。

图3 估算区域总海平面上升危险度的建议框架

每种海平面上升成分的海平面上升指纹也因来源地点不同而估算不同。冰川和冰盖的海平面上升指纹可以利用重力和恢复气候实验（ GRACE ）的陆地 - 水质量变化数据进行估算。另一方面，根据参考文献 [114] 的建议，利用挪威地球系统模式（即  NorESM1-M ）中的海洋底压（ OBP ）变化数据估算立体动力海平面上升  FGSTR 。假定  OBP  变化数据为静态加载数据，并利用参考文献 [113] 中的海平面方程求解器，将其转换为与自吸引和加载（ SAL ）效应相关的区域海平面上升，并以其相关的全球平均值进行归一化处理。最后，使用蒙特卡罗模拟（ MCS ）将每个全球平均海平面上升  PDF  乘以其相应的海平面指纹，得到每个组成部分的区域海平面上升  PDF ，如图  3  所示。假定每个海平面上升成分之间完全相关，因为随着时间的推移，它们与全球变暖同时增加。根据文献 [107] ，运用概率分布的卷积概念，并结合定义为代表性浓度路径（ RCP ）的气候变化情景的发生概率，可以评估区域海平面上升危害的累积分布函数（ CDF ）。考虑到每种未来气候变化情景的可能性都取决于能源和土地利用趋势，因此尚未就其可能性达成共识。今后的研究应进一步考虑  RCP  情景的可能性。

图 4  展示了澳门特别行政区  2100  年区域总海平面上升危害图和海平面上升危害评估图。图  4  所示的海平面上升危害是根据图  3  所示的程序计算得出的。为了说明问题，根据参考文献 [101] ，选择澳门特别行政区作为分析区域，以研究建议框架的潜在应用（稍后讨论）。如图 4  所示，可以推断出海平面上升的危害因海洋位置的不同而有很大差异。因此，应根据相应的分析沿海区域，评估适当的海平面上升危害。可以利用所评估的海平面上升危害来研究海平面上升可能导致的沿岸危害的加剧。

图4  (a)区域总海平面上升风险图 (b)位置及分析网格、澳门 (c)海平面上升风险  

与其他沿岸灾害相结合    

为了将海平面上升的不确定性影响与海啸和风暴潮等其他沿岸灾害结合起来，应进行严 格的数值模拟，考虑不同的海平面上升情况。参考文献[101]对澳门特别行政区海平面上升引起的海啸灾害增加进行了研究。在进行海啸模拟之前，他们确定性地降低了水深和地形，以模拟海平面上升的影响。作为研究的补充，根据文献[107]提出的总概率定理，可以将图 4 中提供的条件海啸危害与海平面上升危害结合起来。图 5a 显示了参考文献[101]根据大量海啸资料估算出的海平面上升的具体值，得出的条件海啸危害曲线。[101] 根据大量的海啸传播分析估算出的条件海啸危害曲线。澳门半岛东北部的海啸危害曲线是在海平面上升0.0 米、0.5 米和 1.0 米的情况下评估的。为便于演示，将重现期表达式转换为超概率并进行内插，以方便对总概率定理进行数值评估（如 MCS、数值积分），如图 5b 所示。将条件海啸危害曲线与图4c 中提供的海平面上升危害进行卷积，就可以得到考虑海平 面上升影响的海啸危害曲线，如图 5c 所示。当考虑到海平面上升的影响时，海啸危害曲线会增加。根据所分析的基础设施的暴露程度，不应低估小海啸的潜在影响，因为它可能造成可观 的经济损失、人员伤亡和灾害废物，从而阻碍灾后恢复进程。需要进一步研究海平面上升对其他地区海啸灾害的时间影响。将沿海灾害与海平面上升的影响结合起来，可以提供更适当的气候变化适应战略。在海啸风险方面，应通过适当的海岸防御结构设计来实施减灾计划，以尽量减少相关的 后果。应根据海岸防护的相应水力标准、抵御一定程度海啸冲击的固有能力（包括几种可能的失效模式，如海堤被冲垮和堤坝因逐渐侵蚀而失稳），以及海平面上升导致的海啸重现期延长等因素，重新考虑当前海岸结构安全等级的理念。由于以前的研究已经指出，海平面上升也会在空间上扩大海啸的影响，因此，对于人口较多、资本密集的地区，应该提高海岸防御的安全级别。除了海岸防御这一系统性的减灾措施外，还应通过更充分的设计标准来控制海啸对桥梁结 构的破坏，使其能够迅速恢复。在海平面上升影响导致海啸冲击加剧的情况下，桥梁下部结构的设计应达到令人满意的性能，使其在紧急运输时仍能保持功能和完好无损（例如，控制过度变形和良好的防冲刷设计）。因此，上述问题意味着，在海平面上升影响下的海啸风险需要对结构设计或评估的标准进行更全面的重新评估，以促进具有抗灾能力的沿海社区。  

图5 (a)澳门半岛东北部条件海啸灾害曲线，(b)考虑海平面上升影响的插值条件海啸灾害曲线(c)综合海啸灾害曲线  

结论

通过考虑气候变化可能导致负荷模式变化的具体实例，本文提供了在三个不同大陆地区应对气候变化影响时的一些关键议题：欧洲、北美和亚洲。常见的工程经验表明，针对可预见的气候变化影响立即调整设计策略比在未来过度投资于耐久性和可靠性不足的结构升级更为有效。目前设计程序中的不确定性条款为气候变化影响的早期表现提供了缓冲。因此，利用先进的气候模型来解决这些不确定性，是调整设计程序以考虑气候变化即将和预期影响的第一个合乎逻辑的步骤。通过概述气候变化对基础设施建设的各种影响，可以得出以下结论：  

(i) 气候变化会影响未来极端环境对建筑物的影响，应予以考虑。然而，为了更好地预测未来的环境作用，例如风、飓风、热、雪和洪水作用，需要更多的数据、模型和其他信息；  

(ii) 气象学家和统计学家对土木工程的 重要贡献包括改进对当地天气事件的趋势和极端情况的预测，以及说明与100 至 1000年重现期有关的事件的不确定性；  

(iii) 需要定期审查与环境行动有关的统计数据和概率模型；  

(iv) 建议修订设计和评估标准，以减少气候变化对结构性能的影响。此类修订的范围应包括有限状态失效验证、全球失效方面以及极端天气事件对已建基础设施的可预见后果。由于目前接受的决定会对未来的建筑环境产生惯性影响，因此应尽快采取措施。然而，这些修订应谨慎进行，因为近期的短期数据可能显示短期（如十年）的气候变化，这可能被错误地解释为长期变化的一部分。例如，ASCE117 在分析降雨记录时提到 40-50 年，而世界气象组织则根据30 年的平均值计算气候正常值；  

(v) 受气候变化影响的结构行为模型将变得更加重要，因为预计未来某些结构会因气候变化而在某种程度上 "超载"；应提供足够坚固的结构，以承受这种超载而不会造成过度损坏。  

关键基础设施是所有经济部门（如交通、能源）的关键要素，其持续运行至关重要。气候变化会严重影响基础设施，尤其是沿海环境基础设施（如桥梁、沿海能源发电厂等），但不仅限于此，气候变化不仅会增加极端事件的发生率/严重程度，威胁基础设施的预期结构性能（如风暴潮与海平面上升），增加潜在损失，还会影响基础设施的结构状况（如建筑材料退化）。因此，一个主要目标是确定灾害等级和结构脆弱性与气候变化影响之间的具体关系。这种认识将有助于制定综合风险评估方法和更好的设计与评估准则，同时考虑抗力和载荷过程的变化，以及不确定情况下的成本效益优化，以便就保护关键基础设施的必要行动做出知情决策，并提高基础设施在短期、中期和长期极端天气事件中的抗灾能力。