苗英豪，刘卜宁，WANG Linbing，2，武佳祺

(1.北京科技大学 国家材料服役安全科学中心，北京 100083；2.弗吉尼亚理工大学 土木与环境工程系，弗吉尼亚 黑堡VA24061；3.北京工业大学 交通工程北京市重点实验室，北京 100124)

0 引言

公路建设于自然环境之中，并不断受到各种自然因素的影响，气候是其中最为活跃的因素，深刻影响着公路的使用性能和寿命。气候的影响一直是公路工程领域的重要研究课题，一方面需要掌握气候对公路工程材料、结构的影响机理；另一方面则需要了解不同地域影响公路的气候条件的具体状况。在认识气候条件的地域差异方面，区划方法是重要手段。苏联开展公路气候区划研究较早，并制定了全国公路气候分区[1]。自20世纪50年代起，中国研究人员提出并逐步完善了公路气候区划(分区)、公路自然区划[2－4]，并于1986年颁布了JTJ 003—86《公路自然区划标准》[5]。标准采用三级区划体系，一、二级区划由全国统一划分且在标准中给出，三级区划由各省自行划分。在随后的一段时期内，一些省份在标准的框架下，制定了三级区划[6－8]，同时也提出了一些针对具体应用的气候分区[9－10]。苗英豪等[11]在总结公路自然区划应用经验的基础上，对中国公路气候区划做了进一步研究。美国在实施长期路面性能(Long Term Pavement Performance，LTPP)研究计划时，制定了一个气候分区，用以区别气候条件影响的差异[12－13]。在公路气候区划相关研究中，研究人员也提出了一系列影响公路的气候条件评价指标，苗英豪等[14]对影响公路的气候条件评价指标进行了系统研究，建立了影响公路的气候条件指标体系。

气候变化是当前人类面临的严峻挑战，给自然界及人类社会带来了巨大影响。许多领域都在积极开展研究[15－18]，在寻求减缓气候变化的途径[19－20]的同时，也在探讨适应气候变化的策略[21－22]。气候变化的影响引起了公路工程领域研究人员的关注，一些研究人员结合调研归纳了气候变化对道路工程的潜在影响[23－26]:

(1)在冰冻区，冬季温度的上升将增加冻融变化的频率，加重冻胀相关病害，导致路面抗滑性能下降，影响到季节性冻土和永久冻土的承载力。长远的影响还包括风化加剧导致边坡落石发生概率的增加。

(2)夏季温度的升高，特别是极端高温出现频率和绝对值的增大，对沥青路面的车辙及耐久性有极大的影响。同时，高温升高导致的结构温度应力增大或伸长量的额外增加，还会影响到水泥混凝土路面、桥梁结构等的服役行为与安全。

(3)冰冻区冬季降水量的增多，将显著增加道路冬季运营费用，除冰盐的使用频次和使用量增加，还会加剧道路、结构材料的腐蚀。对于积雪地区，还会增加雪崩发生的风险。

(4)单日降水强度以及极端降水发生概率的升高，将显著增加洪水、冲刷、滑坡、泥石流等灾害发生的风险。总体降水量的升高，将增大路基土的湿度，影响路基稳定性和承载能力。湿度的升高还将加速桥梁等结构物病害的发生。

(5)夏季降水减少与高温升高的变化组合，将增加山火发生的风险，危及区域内道路。

(6)气候变化导致的海平面上升，将加重沿海地区海水、海浪对道路的侵蚀，增加道路淹没于海水的概率。

在气候变化对道路工程影响的相关研究中，大多聚焦于潜在影响、政策和个案研究[27－29]，影响公路的气候条件变化的客观状况研究还未见报道。文章利用1959年以来中国699个气象站点的观测数据，计算了影响公路的典型气候条件指标，进而分析了影响公路的中国气候条件客观变化状况，可为道路工程领域应对气候变化提供基础支撑。

1 气候指标及气象数据

1.1 气候指标

在众多气候要素中，热量条件和水分条件对公路的影响尤为显著。苗英豪等[11]在研究中国公路气候区划时，以高温过程、低温过程、非冰冻期降水和冰冻期降水作为影响公路的典型气候过程，选取了年≥20℃积温(TRA20)、年冰冻指数(IF)、年非冰冻期降水量(PNF)和年冰冻期降水量(PF)的累年年平均值作为宏观层区划指标，用以定量描述区域间影响公路的气候条件差异。文章亦选取上述4个指标，逐年计算指标值，用以考察中国影响公路的气候条件的变化状况。为了便于比较，具体计算中将年≥20℃积温修改为年≥20℃相对积温。

(1)年≥20℃相对积温(TRA20)

以自然年为计算区间，TRA20由式(1)和(2)表示为

式中n为计算区间内的天数；Ti为计算区间内第i 日的日平均气温，℃。

(2)年冰冻指数[11]

计算区间为计算年秋天日平均气温低于0℃的第一天，至第二年春天日平均气温低于0℃的最后一天。I由式(3)和(4)表示为

(3)年非冰冻期降水量(PNF)[11]

计算区间为春天日平均气温低于0℃的最后一天，至秋天日平均气温低于0℃的第一天。PNF由式(5)表示为

式中P i为计算区间内第i日的降水量，mm。

(4)年冰冻期降水量(PF)[11]

计算区间与IF相同，PF由式(6)表示为

1.2 气象数据及气候指标的计算

研究中使用的气象数据由国家气象科学数据中心提供，包括1959—2019年分布于全国699个气象站点的相关气候要素值，气象站点的分布如图1所示。文章所用地图的审图号为GS(2021)4041号。TRA20和PNF的分析使用了1960—2019年的气象数据，IF和PF的分析使用了1959—2019年的气象数据(由于这两个指标跨年计算，所以指标年份为1959—2018年)。由于不同年份气象站点的数量并不完全一致，而文章考察的重点是60年来气候条件的改变情况，气象站点的增加或减少，会影响对应区域的插值结果，导致气象条件变化分析的偏差，因此在研究中舍弃了观测年份不连续的站点。最终TRA20、PNF、IF、PF的分析分别使用了588、555、555和516个站点的数据。通过逐年逐站计算各个指标的值，进而利用协同克里格(CoKriging)插值方法，考虑高程的影响，对各个指标的逐年数据进行插值分析，并生成覆盖中国的5 km×5 km栅格指标数据，作为气候条件变化状况分析的数据基础。

图1 气象站点分布图

2 气候条件总体变化状况

为了考察中国影响公路的气候条件总体变化情况，利用TRA20、IF、PNF和PF等4个指标逐年5 km×5 km栅格数据，计算了各指标年度全国平均值，用以分析影响公路的气候条件总体变化状况。

2.1 温度条件变化状况

TRA20是描述高温过程的气候指标，根据1960—2019年间TRA20的年度全国平均值，绘制了TRA20随年份变化的曲线图(如图2所示)，用以分析影响公路的高温过程变化情况。可以看出，尽管随年份的变化表现出一定幅度的波动，但1993年之后的上升趋势仍清晰可辨。滑动平均值的方法有助于从随机波动的数据中抽提出变化的趋势，因此在图2中同时绘制了TRA20全国平均值的5、10、20年滑动平均值曲线。可以清晰地看出，1976年之前TRA20全国平均值呈小幅下降的趋势，以5年滑动平均值计，1964—1976年间，TRA20全国平均值下降了24.8℃，约为1964年的6.55%。1976—1993年间，TRA20全国平均值相对稳定，5、10及20年滑动平均值稳定约为363℃。1993年之后，TRA20全国平均值快速升高，以20年滑动平均值计，1993—2019年，TRA20全国平均值上升了74.0℃，约为1993年的20.44%。尽管自1993年以来TRA20全国平均值的20年滑动平均值基本呈线性增长，但2005年之后TRA20全国平均值的5年和10年滑动平均值增速明显减小，并向20年滑动平均值靠拢，表明近年来TRA20全国平均值的增长速度在逐渐放缓。

图2 全国平均T RA20随年份的变化趋势图

IF是描述低温过程的气候指标，1959—2018年间IF全国平均值随年份变化的曲线，以及对应的5、10、20年滑动平均值曲线如图3所示。可以看出，IF全国平均值呈波动下降趋势。1985年之前，IF全国平均值波动幅度较大，5年滑动平均值仍有较大幅度的波动，但从10年和20年滑动平均值来看，IF全国平均值下降的幅度并不大。以10年滑动平均值计，1968—1985年间，IF全国平均值下降了32.2℃，下降幅度仅为1968年的3.67%。1985年之后IF全国平均值快速下降，1985—2008年间，20年滑动平均值呈线性下降，期间IF全国平均值下降了140.2℃，下降幅度为1985年的16.35%。2008年之后IF全国平均值的10年和20年滑动平均值基本保持平稳，略有起伏，但IF全国平均值的5年滑动平均值波动较大，且近年呈进一步下降的趋势。

图3 全国平均I F随年份的变化趋势图

2.2 水分条件变化状况

1960—2019年间PNF全国平均值随年份变化的曲线，以及对应的5、10、20年滑动平均值曲线如图4所示。可以看出，尽管PNF全国平均值呈现一定幅度的波动，但总体保持稳定。以20年滑动平均值计，1979—2019年间，PNF全国平均值几乎没有变化，仅有19.8 mm的增长，增大幅度仅为1979年的3.37%。2015年之后，PNF全国平均值的5年滑动平均值偏离20年滑动平均值的幅度显著增大，表明近些年PNF全国平均值有增大的趋势，是否有长期的影响，仍需根据未来年份的数据进行分析。

图4 全国平均P NF随年份的变化趋势图

1959—2018年间PF全国平均值随年份变化的曲线，以及对应的5、10、20年滑动平均值曲线如图5所示。可以看出，1969年之前，PF全国平均值呈现出较大幅度波动，以5年滑动平均值来看，表现出明显的上升趋势。1969年之后，PF全国平均值的波动幅度明显减小，总体变化趋于平稳，以20年滑动平均值来看，1978—1982年间，PF全国平均值略有增大，之后一直到1997年基本保持稳定，1997年之后呈现缓慢下降的趋势。1997—2018年间，PF全国平均值下降了2.0 mm，下降幅度为1997年的6.40%。近年来，PF全国平均值的5、10、20年滑动平均值曲线趋于重叠，表明PF全国平均值逐渐趋于稳定。

图5 全国平均P F随年份的变化趋势图

3 气候条件变化的区域差异

由于气象状况具有较大波动性，某一年份的气象数据难以代表一个地方的气候条件，同样某一年份的气象状况的波动，也不能判定气候条件的变化。实践中常使用一个相对长期的气候指标均值表征一个地方的气候条件。由第2节的分析可见，TRA20、IF、PNF和PF等4个指标全国平均值的20年滑动平均值变化趋势相对单调。综合考虑数据的情况以及对气候条件表征的可靠性，在考察中国影响公路的气候条件变化的区域差异时，以各指标的20年滑动平均值为数据基础。对于TRA20和PNF，以2019年和1979年对应的20年滑动平均值的差值为依据，对于IF和PF，以2018年和1978年对应的20年滑动平均值的差值为依据，分别分析各指标40年间变化的区域差异。具体分析中，以各指标逐年5 km×5 km栅格数据为基础，逐栅格计算各指标对应年份20年滑动平均值，得到对应的20年滑动平均值5 km×5 km栅格数据，进而逐栅格计算各指标20年滑动平均值40年间的变化值，得到各指标40年间变化值的5 km×5 km栅格数据。在此基础上开展气候条件变化区域差异的分析。

3.1 温度条件变化的区域差异

根据40年间TRA20变化值的5 km×5 km栅格数据，绘制了其变化值的直方图和全国等值线图，分别如图6和7所示。由图6可以看出，自1979—2019年间，全国仅有不到15%的区域TRA20出现下降或没有变化，下降幅度主要分布在0～60℃区间。超过90%的区域TRA20出现不同程度上升，上升幅度在0～120℃区域分布最广，其中上升幅度在0～60℃和60～120℃的区域分别占全国面积的35%和37%以上，上升幅度超过120℃的区域占全国面积的18%以上。

图6 1979—2019年T RA20变化分布直方图

由图7可知，40年间TRA20降低的区域，分布于青藏高原的东南部，新疆西部部分区域，四川、甘肃、陕西交界区域，陕西东南、湖北西北和河南西部连接区域，以及云南、贵州、重庆等地散布的小片区域。总体来看，TRA20降低值大部分在50℃以下，仅新疆西部和西藏中南部小片区域的降低值超过50℃。

图7 1979—2019年T RA20变化等值线图

东南沿海、云南、西北地区、京津冀及山东沿渤海区域，40年间TRA20升高非常显著，升高值超过90℃的区域广泛分布，许多地区的升高值超过120℃，也有成片区域的升高值超过150℃，云南南部和华南沿海局部区域TRA20升高值超过200℃。东北大部分区域TRA20的升高值在60～90℃之间，中部部分区域的升高值超过120℃，东部和北部一些区域的升高值在60℃以下。

根据40年间IF变化值的5 km×5 km栅格数据绘制的直方图如图8所示。1978—2018年间，全国仅有不到2%的区域IF出现一定幅度上升，上升幅度主要分布在0～60℃区间。超过98%区域IF出现不同程度下降或保持不变，其中下降幅度超过60℃的区域占全国面积的69%以上。

图8 1978—2018年I F变化分布直方图

40年间IF变化值全国等值线图如图9所示。秦岭淮河以南主要为非冰冻区，冰冻指数变化非常有限，大多在10℃以内，冰冻指数出现增加的区域都分布于这些区域。在主要冰冻区，IF均表现出不同程度的减小。西藏中部、青海大部、新疆北部、东北北部、内蒙古大部，IF减小尤为明显，减小值均在200℃以上；西藏中南部、新疆东北部、东北北部的部分区域，减小值甚至超过400℃；青海东北部、甘肃大部、宁夏大部、陕西北部、山西大部、河北大部、山东北部、东北南部等大片区域IF减小幅度在100～200℃之间。

图9 1978—2018年I变化等值线图

3.2 水分条件变化的区域差异

根据40年间PNF变化值的5 km×5 km栅格数据，绘制了PNF变化值的直方图和全国等值线图，分别如图10和11所示。由图10可以看出，自1979—2019年间，全国超过68%的区域PNF出现上升，不到32%的区域PNF出现下降，77%以上的区域PNF的变化幅度在60 mm以内。

图10 1979—2019年P NF变化分布图

从图11给出的PNF变化分布可以看出，40年间西南大部、西藏东南部、广西西部及湖北西部PNF下降最为显著，大部分区域下降幅度在40 mm以上，其中西藏云南交界、云南贵州交界、四川中南部的部分区域下降幅度在120 mm以上。东北南部、华北大部、山东大部是PNF显著下降另一大片区域，其中辽东半岛、京津冀环渤海区域、山东半岛下降幅度在40 mm以上，其中河北东北、山东半岛东南局部下降幅度在120 mm以上。另外新疆中部、甘肃东南部、陕西东部、湖北河南交界局部区域PNF也有所下降。

图11 1979—2019年P 变化等值线图

东南区域PNF增加最为显著，其中江西中部、浙江、上海、江苏东南部、安徽东南部、福建沿海、珠江三角洲、雷州半岛及海南北部等区域PNF增加值在100 mm以上，部分区域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区域PNF也有较为显著的增加，增加值在50 mm以上，局部增加值在150 mm以上。西北大部、东北北部等区域PNF变化相对平缓，大部分区域的变化幅度在20 mm以内。

根据40年间PF变化值的5 km×5 km栅格数据绘制的直方图和全国等值线图分别如图12和13所示。由图12可以看出，1978—2018年间，全国PF上升的区域约占56%，下降的区域约占44%，超过85%的区域PF的变化幅度在10 mm以内。

图12 1978—2018年P F变化分布直方图

从图13给出的PF变化分布来看，40年间湖南、江西、浙江、福建等省大部以及广西东北部、广东北部PF出现明显下降，其中江西中部、浙江西部和东部沿海局部区域下降幅度超过30 mm，四川中部也有局部区域PF下降幅度超过30 mm。上述区域处于我国地理意义上的非冰冻区，文章定义的冰冻期为“计算年秋天日平均气温低于0℃的第一天至第二年春天日平均气温低于0℃的最后一天”。对于这些区域，冬季温度在0℃上下波动，降水形式也以降雨为主，文章定义的PF一定程度上放大了这些区域的“冰冻期降水量”。新疆北部、东北东部、西藏中南局部、安徽南部局部PF出现明显增大，部分区域PF增大值在15 mm以上，其他区域40年间PF没有明显变化。

图13 1978—2018年P F变化等值线图

4 气候条件变化特征

从气候条件全国总体变化状况来看，温度条件的变化较为显著，相关指标的20年滑动平均值变化速度虽有所不同，但基本呈单调变化。1979—2019年，高温过程指标TRA20的20年滑动平均值增长了70.6℃，增长幅度达到19.32%，低温过程指标IF的20年滑动平均值减小了143.2℃，减小幅度达到16.64%。水分条件相对稳定，40年间，非冰冻期降水量指标PNF的20年滑动平均值在波动中呈小幅上升，冰冻期降水量指标PF的20年滑动平均值在波动中呈小幅下降。

对于不同区域，气候条件的变化情况和变化幅度存在较大差异。东南地区温度条件和水分条件的变化均有非常显著的改变，沿海地区TRA20的增加尤为突出，从沿海向内内陆TRA20增加量逐渐减小。对于PNF，以东北部、中部、珠江三角洲区域、雷州半岛和海南北部增加幅度最大。

西北地区高温条件和低温条件均发生了非常显著的改变，局部区域降水有显著增加。其中，新疆中南部TRA20的增加幅度最为显著。IF表现为不同幅度的下降，以新疆东北部下降最为显著。另外，新疆北部地区PF有显著增加，以北部偏南增加较为显著，新疆南部局地PNF增加较为显著。

青藏高原东部TRA20的变化并不突出，西部和南部局地有较为明显的增加。低温条件改变显著，大部分区域IF呈现大幅下降。水分条件方面，大部分区域PNF呈现增加，西部部分区域最为显著，东南部分区域PNF出现较为显著的下降。对于冰冻期降水量，除散布的局部区域有显著增加外，大部分区域没有显著变化。值得注意的是，青藏高原地区气象站点非常稀疏，气候指标插值计算的偏差可能高于其他区域。

华北中原一带，TRA20在大部分区域表现为增大，京津冀、山东半岛等区域增加较为显著。IF均表现为减小，减小幅度在40～200℃之间，由南向北逐渐增大。PNF以减小为主，沿海地区减小较为突出。PF没有显著变化。

东北地区高温条件变化相对温和，TRA20表现为小幅上升，局部增加超过120℃。低温条件变化非常显著，IF显著减小，由南向北减小幅度逐渐增大。非冰冻期降水变化不大，北部地区PNF略有增大，南部地区略有减少。冰冻期降水量呈现一定幅度的增加，东北部PF增加较为明显，向西南增幅逐渐减小。

西南地区，云南西南部TRA20增加非常显著，四川中南部、重庆东北部也有比较明显的增加。西南地区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 结论

依托中国699个气象站点1959—2019年间的气象观测数据，选取年≥20℃相对积温、年冰冻指数、年非冰冻期降水量和年冰冻期降水量等4个气候指标，分析了影响公路的中国气候条件实际变化状况及区域差异，得到主要结论如下:

(1)总体来看，1959—2019年间影响公路的中国气候条件发生了显著变化，其中温度条件变化突出，水分条件相对稳定。过去40年间，全国平均年≥20°C相对积温显著升高，升高幅度达19.32%，全国平均冰冻指数显著降低，降低幅度达16.64%。

(2)气候条件的改变表现出显著的地域差异，不仅变化幅度差异明显，变化特征也不尽相同。东南、西北、云南、京津冀及山东半岛区域的高温条件变化最为显著，高温影响大幅加重。青藏高原大部、新疆北部、东北北部、内蒙古大部低温条件变化显著，冰冻显著减轻，潜在的冻融循环影响加剧。西南和东南地区的水分条件变化最为显著，西南地区降水量显著减小，东南地区降水量大幅增加，水毁风险加剧。

(3)大部分区域气候条件的变化幅度足以对公路工程产生显著影响，应当引起行业的高度重视。在研究气候对公路影响的同时，应加强影响公路的气候条件变化现状及预测研究。在公路规划、设计、建造及运营养护中，应充分考虑气候条件的动态变化，提升公路的气候韧性。

致谢:感谢国家气象科学数据中心为研究提供了详实的气象数据。