综述：气候变化对路面性能的影响：压力因素、建模方法及适应策略的综述

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Impacts of Climate Change on Pavement Performance: A Review of Stressors, Modeling, and Adaptation Strategies

　　

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  本系统综述综合了2000至2025年间发表的99篇关于路面与气候关系的研究。
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  八种气候压力因素与路面的性能和适应性相关。
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  对各种模型在不确定性、校准以及气候非平稳性方面的表现进行了比较。
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  现有证据主要来自柔性路面和数据丰富的地区。
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  适应性措施涵盖了材料、结构、维护以及基于气候信息的模型。

引言

气候变化日益扰乱着路面系统的性能和服务寿命，加速了结构损坏，并提高了路面管理的成本和复杂性[[1], [2], [3]]。作为最直接受到环境条件影响的资产，道路交通系统由于气候压力因素的非平稳性而面临越来越严重的结构损坏和功能退化[1]。与气候相关的路面影响可以通过两条相互作用的途径来理解：长期气候条件的逐渐变化以及由极端事件引起的突发性损害。

长期变暖主要通过改变材料性质和病害发展进程来影响路面性能。在美国的机制-经验模拟中，高排放情景下柔性路面的使用寿命有所缩短[4]，而欧洲范围的评估表明，随着变暖程度的增加，与热相关的路面风险呈非线性增长，特别是在南部地区[5]。基于CMIP6的更多近期研究表明，即使是中等程度的变暖也会改变主要城市地区的冻结指数和最高路面温度[6]。在寒冷地区，冻融次数的变化仍然很重要，因为它们会加速低温开裂、剥落和结构削弱[7]。同时，极端降水、洪水、风暴潮和长时间淹没等突发性事件会导致路面承载能力突然下降。先前的研究表明，洪水会降低路面的韧性模量并削弱结构支撑[8]，而洪水灾害可能导致性能突然下降、结构破坏、表面粗糙度增加以及路面寿命缩短[9]。在沿海地区，海平面上升和地下水上升通过增加地下水分暴露以及需要适应性维护规划，进一步加剧了路面的损坏[10]。

气候变化引起的路面损坏还具有重要的经济和环境影响[11,12]。Underwood等人[13]估计，如果不采取工程适应措施，仅温度升高就可能使美国每年的路面维护成本增加约358亿美元。Qiao等人[14]报告称，每升高1°C，每年的路面维护支出可能会增加6.5亿至7亿美元。这些估计表明，即使是微小的气候变化也可能转化为长期的机构成本。适应研究的证据还表明，尽管初始投资较高，但主动策略可以降低长期的生命周期成本[15]。除了直接的经济成本外，与气候相关的路面损坏和突发性事件还可能因受影响的道路链接中断网络连通性而产生更广泛的服务后果。例如，综合洪水影响评估显示，大规模洪水事件可能引发运输网络的连锁故障，导致间接经济损失超过直接的修复成本[16]。气候适应还涉及环境权衡。加速修复和重建可能会增加生命周期内的温室气体（GHG）排放[17]，而适应气候的路面设计虽然初始投资较高，但在高排放情景下可以通过延长路面使用寿命来减少总生命周期排放[18]。这些发现表明，评估路面适应措施时应不仅考虑其结构性能，还应考虑生命周期成本、服务中断和环境影响。

尽管取得了这些进展，但相关文献在三个方面仍然存在碎片化。首先，不同研究之间选择的气候情景差异很大。尽管最近的研究开始使用CMIP6和共享社会经济路径（SSP）情景来描述未来的气候条件[6]，但许多路面研究仍然依赖于CMIP5/RCP为基础的预测或历史气候记录。这种不一致性使得难以在不同地区之间比较结果，并可能限制某些研究模拟复杂或极端气候条件的能力。其次，路面性能结果使用的数据指标各不相同。一些研究主要关注功能指标，如国际粗糙度指数（IRI）[19]，而其他研究则强调结构疲劳、车辙、裂缝、服务寿命或维护需求。因此，现有的研究成果难以在不同研究之间进行比较，因为路面物理完整性、功能适用性、生命周期性能和更广泛的服务后果往往被分开处理，而不是在一致的评估框架内进行分析。第三，建模方法在其假设、数据要求和适用性方面存在显著差异。包括机制-经验路面设计指南（MEPDG）在内的机制-经验模型提供了气候输入、材料性质、结构响应和病害发展之间的物理可解释联系[20]，但其使用可能受到高输入要求、本地校准需求和计算负担的限制。统计和概率方法，如分层贝叶斯回归和蒙特卡洛模拟，有助于表示损坏和维护结果的不确定性[21]。最近，机器学习和基于AI的方法已被应用于路面状况预测、材料选择和在气候变异性下的维护优化[[22], [23], [24], [25]]。然而，许多数据驱动的模型仍然难以解释，并且尚未充分测试其在非平稳未来气候条件下的适用性。这些差距表明需要一个结构化的综述，将气候相关因素、路面性能指标、建模方法和适应措施连接在一个共同的分析框架内。

为了解决这些差距，本研究对2000至2025年间发表的99篇经过同行评审的出版物进行了系统综述，并开发了一个综合分析框架，将气候压力因素、路面性能、建模方法、相关服务后果和适应措施联系起来。具体目标包括：

1)

系统地综合关键气候压力因素（如温度极端值、降水量、冻融过程、洪水和海平面上升及地下水上升）如何影响路面性能和服务寿命，并研究气候预测框架（如GCMs/RCMs和RCPs/SSPs）及降尺度方法如何影响路面影响评估。

2)

从物理可解释性、校准负担、不确定性表示以及在非平稳未来气候条件下的适用性等方面，对机制-经验、统计/概率和机器学习/AI建模方法进行关键比较。

3)

综合气候变化的生命周期和适应影响，包括经济和环境影响，并评估材料、结构、维护以及基于气候信息的决策支持策略，同时识别服务可达性和分配后果方面的证据缺口。

章节摘录

文献识别

本研究遵循系统综述和荟萃分析的优先报告项目（PRISMA）框架，确保了对相关文献的识别、选择和综合采用严格、透明和可复制的方法[26]。以下小节概述了咨询的数据来源、实施的系统搜索策略、预定义的纳入和排除标准以及在整个综述过程中采用的多阶段筛选程序。

气候变化对路面性能的影响的批判性回顾

本研究进行了全面回顾，综合了关于气候变化对路面系统影响的研究进展。该回顾围绕图2所示的总体分析框架组织，该框架阐明了从气候驱动因素到路面相关压力因素路径、病害机制、建模方法和适应解决方案的因果过程。具体来说，讨论分为四个主要方面：

1)

气候因素：本节

未来研究方向

基于气候数据来源、建模方法、路面性能指标和适应措施的综合分析，本研究确定了几个限制当前基于气候信息的路面规划能力的差距。这些差距并非脱离所审查证据的广泛研究议程；相反，它们源于在审查研究中反复出现的限制，包括在非平稳气候条件下的适用性不足

结论

本研究系统地回顾了99篇经过同行评审的出版物，综合了气候相关因素如何影响路面性能、建模方法如何用于评估这些影响，以及文献中如何处理生命周期和适应措施的影响。审查证据表明，气候变化通过物理、机械、水文和管理相关的途径影响路面系统。温度是最常被研究的因素

数据可用性声明

有关本研究的所有数据可在合理请求下从相应作者处获取。

利益冲突

作者声明与本研究的发表没有任何利益冲突。

CRediT作者贡献声明

Chenqing Xiong：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、概念化。Tarek Zayed：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、数据管理。Rui Xiao：撰写——审阅与编辑、调查、正式分析。

Chenqing Xiong|Tarek Zayed|Rui Xiao