气候变化对阿拉斯加公共基础设施的破坏和主动适应的经济学

文|探墓秘史

前言

高纬度地区的气候变化正在导致迅速而前所未有的环境变化，近几十年来，整个北极的温度上升速度是全球平均水平的两倍，海冰和陆地冰已经减少，海岸侵蚀、永久冻土融化和野火活动增加，

模型预测这些变化将继续，相应的社会影响将更大近期全球温室气体排放量没有实质性减少，在阿拉斯加州和更广泛的北极圈北部，这些变化加剧了现有的挑战并给社区带来了新的风险，包括对关键基础设施的破坏增加。

气候变化通过增强环境压力来增加基础设施的脆弱性，从而对结构造成超出正常条件和使用预期的额外压力，之前已经针对一些环境压力源研究了与北极气候变化相关的基础设施风险。

与气候变暖相关的近地表永久冻土融化增加已被广泛认为是基础设施破坏增加的原因，这种气候驱动的解冻可以与自然干扰引起的解冻同时发生，例如野火和人类活动，包括基础设施建设。

永久冻土融化和随后的地面沉降，特别是在永久冻土富含冰的地方，会对建筑物、道路、铁路、管道以及石油和天然气基础设施产生负面影响。

在阿拉斯加，Hong 等人发现内部不连续永久冻土带中相对温暖的永久冻土融化沉降的近期风险最大，而该州北部连续永久冻土带的长期风险最大。

温度升高还会改变冻融循环 (FTC) 的频率，影响地基和地下基础设施的稳定性和脆弱性，受海冰流失、永久冻土融化和内陆洪水影响的广泛侵蚀威胁着阿拉斯加的众多沿海和河流社区。

并影响大多数基础设施类型，随着气候变化的持续，基础设施损坏的程度以及维护、更换和适应建筑环境的成本预计会增加。

全州基础设施损坏

预计本世纪气候变化对基础设施（没有适应）造成的累计（贴现）损失总额估计约为 RCP8.5 的 55 亿美元和 RCP4.5 的 42 亿美元，对于这两个 RCP，与降水变化相关的洪水约占损失的 45%。

近地表永久冻土融化占 38%（尽管在 GCM 中观察到高度可变性），降水量的变化约占累计损失的 17%。

道路（RCP8.5 和 RCP4.5 分别为 3.1 美元和 24 亿美元）和建筑物（分别为 1.7 美元和 14 亿美元）的总损失最大；然而，造成损害的环境压力因素不同，在两个 RCP 下。

约 75% 的道路损害是由洪水造成的，90% 的建筑物损害是由近地表永久冻土融化造成的，机场、铁路和管道在整个公共基础设施库存中所占比例较小，这有助于大大降低预计损失，合计仅占总损失的 10% 以上。

RCP8.5 的总损失比 RCP4.5 观察到的损失多 13 亿美元，这表明全球温室气体排放量的减少为阿拉斯加的公共基础设施带来了经济效益。

在本分析中考虑的几乎所有基础设施类型和环境压力因素中都观察到了这种模式，一个例外是冻融损害观察到的负值。

这表明与未缓解的气候变化相关的变暖可能会将这种环境压力因素（尤其是对道路）造成的未来损害降低到历史报告水平以下，然而，这种好处几乎无法抵消其他压力源造成的总预计损害。

阿拉斯加各地的损失分布

本世纪累积（贴现）损失的分布在全州各不相同，预计 RCP8.5 在内陆和中南部自治市镇的损失最大，包括费尔班克斯北极星、瓦尔迪兹-科尔多瓦和育空-科尤库克。

在布里斯托尔湾、湖泊和半岛以及科迪亚克岛的西南行政区观察到的预计损失最小，在阿留申群岛东区，没有观察到明显的损害，这可能是由于该州这部分地区的相对气候变化较小以及基础设施库存较少所致。

对于每个行政区，RCP4.5 的累积损失都小于 RCP8.5，表明全球温室气体减排可以为全州带来好处，Fairbanks North Star 和 Yukon-Koyukuk 行政区的收益最大。

估计 RCP4.5 的累计损失分别减少约 286 美元和 1.91 亿美元，对于所有行政区，RCP8.5 的累积人均损失大于 RCP4.5，在育空-科尤库克、东南费尔班克斯和德纳利区，RCP 之间的人均损失减少幅度最大。

适应

对于存在有效适应方法且成本可量化的基础设施类型-气候压力源组合，主动适应的成本被量化，因此，这些适应成本是针对基础设施类型的子集 - 报告损害的气候压力源组合建模的。

这些适应成本包括在气候相关损害发生之前的前期投资和基础设施改造，对于降水和洪水，只有在根据设计变更阈值确定基础设施易受气候变化影响时，才在 IPSS 中应用适应措施。

没有发现比完全更换基础设施更便宜的永久冻土解冻适应措施，因此，我们在此仅报告此压力源造成的估计损失，当在 IPSS 中应用适应措施时，与该适应相关的成本被量化。

在调整了一个基础设施单元后，假设该基础设施未来对未来气候损害的脆弱性是无关紧要的，并且从适应到预期设计寿命的剩余时间不会发生与气候有关的损害。

对于本分析中呈现的累积成本，我们将适应成本与未采取适应措施的基础设施单元所遭受的损害相加（以及近地表永久冻土融化造成的损害，因为发现适应成本更高）以提供总计本世纪应用适应时的估计支出。

适应的好处

对主动适应进行建模时，RCP8.5 和 RCP4.5 的累计预计发生成本（贴现）分别为 29 亿美元和 23 亿美元（对主动适应进行建模时的成本）。

这些值表明，与没有适应的损害相比，RCP8.5 的支出减少了 26 亿美元，RCP4.5 的支出减少了 19 亿美元。

适应洪水（为道路和跑道建模）和降水（为道路、跑道、建筑物和机场建筑物建模）降低了两个 RCP 在本世纪气候变化的预期累积（贴现）成本。

然而，RCP8.5 的适应效益始终较大在 RCP8.5 下，适应的好处最大的是道路洪水，适应将总经济影响从预计的 23 亿美元累积损失减少到 3.4 亿美元的适应成本。

尽管对建筑物的破坏相对较小，但对降水的适应几乎使道路总费用减半，并大大减少了建筑费用，相比之下，使基础设施适应近地表永久冻土融化的具有成本效益的选择有限。

我们的分析考虑了与道路、跑道和铁路的永久冻土融化相关的适应成本，并确定适应比累积预计损失估计更昂贵。

在整个研究时代，使道路和跑道适应洪水以及建筑物和机场建筑物适应降水的平均年度（未贴现）成本在 2030 年最高，并且随着时间的推移，这两个 RCP 普遍下降。

这一成本估算假设在本世纪初采取了精心设计的适应措施，并在以后的时代继续提供经济效益，适应成本的下降与这些压力源造成的预计损害增加同时发生，导致随着时间的推移适应的相对收益增加。

对于道路和跑道，适应的好处（以及未考虑适应的预计损失）对于洪水的影响始终大于降水，对于建筑物和机场建筑物，降水造成的年度总损失远小于道路和跑道。

然而，适应的好处很大，所有研究时期的支出节省百分比（即损害和适应成本之间的差异）在 95% 到 105% 之间（其中值超过 100% 表示适应成本低于历史维护成本）。

特定社区海岸侵蚀率的变化

在南部（ 56 °N 至 60°N）、中部（60°N 至 65°N）和北部（> 65°N) 区域，分别为 RCP8.5 和 8、13 和 10 d decade -1在南部、中部和北部区域，分别为 RCP4.5。

这一发现表明，到 2095 年，在 RCP8.5 下，中部和北部地区的沿海无冰天数增加了约 80-90%，而在 RCP4.5 下增加了 60% 以上，在南部。

RCP8.5 和 RCP4.5 预计分别增长 39% 和 31%，所有区域的 RCP 之间的无冰季节长度差异都随着时间的推移而增加, 2095 年北部地区观测到的情景之间的最大差异是 36 天。

预计 2095 年侵蚀造成的累积土地损失因社区而异，并且受到用于计算未来变化的当前侵蚀率的强烈影响，预计 Newtok 的损失最大。

RCP8.5 的土地损失一直高于 RCP4.5，并且预测普遍表明，与北部地区相比，位于中部和南部地区的社区可能会因更长的无冰季节而遭受更大的侵蚀驱动的土地损失。

例如，对于南部的地点，RCP8.5 的侵蚀率比当前基线侵蚀率高约 22%，RCP4.5 高约 18%，中部地区的可比值分别约为 44% 和 34%，北部地区的侵蚀率分别为 51% 和 35%，高于目前的速度。

方法

使用降尺度气候模型预测和 IPSS 软件工具评估了气候变化对公共基础设施的估计损害和使用适应措施时的成本，IPSS 模型经过修改以包含高纬度地区气候变化的独特影响。

估算了四个 20 年时代的损害和适应成本，其中年平均时代值与中心年份一起呈现：2030 (2020-2039)、2050 (2040-2059)、2070 (2060-2079) 和 2090 (2080) –2099）。

该分析依赖于为本研究编制的公共基础设施清单，我们还对 12 个脆弱的沿海社区的预计海岸侵蚀率进行了一级估计，并评估了全球温室气体减排措施如何影响这些速率。

气候和近地表永久冻土解冻预测

这些 GCM 对阿拉斯加和北极具有最多的技能并基于地球物理研究所永久冻土，为每个研究时代、GCM 和 RCP 预测了活动层厚度 (ALT) 的变化，这表明近地表永久冻土融化实验室模型。

预测的最低和最高年温度、降水量、年平均地温变化 (MAGT)、地冰含量 (GIC) 和 ALT 以及基线永久冻土和 GIC 地图 (51) 被输入 IPSS 模型以确定对基础设施的影响。

近地表永久冻土融化

近地表永久冻土融化影响所有类型的基础设施，但影响方式不同，具体取决于基础设施是位于地面之上还是地下，以及如果存在永久冻土，则底层永久冻土融化的可能性。

永久冻土融化会影响结构下方的土壤承载力，并可能削弱地基，从而产生与土壤承受基础设施支撑结构重量的能力直接相关的风险，建筑物的广泛基础可能会受到不同于线性元素的影响。

例如铁路和管道，它们具有将基础设施固定到位的特定支撑点，如果近地表永久冻土融化且 GIC 减少，土壤将下沉，当下沉量超过建筑材料承受应力弯曲的容许量时，基础设施将发生故障。

结论

我们的研究结果表明，最大的气候破坏将由道路洪水造成，然后是近地表永久冻土融化对建筑物造成的大量破坏，随之带来的就是阿拉斯加的基本公共设施被破坏，以及污染附近河流的危害。

参考论文：

【1】RV Bekryaev, IV Polyakov, VA Alexeev, Role of polar amplification in long-term surface air temperature variations and modern arctic warming. J Clim 23, 3888–3906 (2010).

【2】eds MO Jeffries, J Richter-Menge, Arctic in state of the climate in 2012. Bull Am Meteorol Soc 94, S111–S146 (2013).

【3】E Berthier, E Schiefer, GKC Clarke, B Menounos, F Remy, Contribution of Alaskan glaciers to sea-level rise derived from satellite imagery. Nat Geosci 3, 92–95 (2010).

【4】 J Brown, VE Romanovsky, Report from the International Permafrost Association: State of permafrost in the first decade of the 21(st) century. Permafr Periglac Process 19, 255–260 (2008).

【5】BM Jones, et al., Increase in the rate and uniformity of coastline erosion in Arctic Alaska. Geophys Res Lett 36, L03503 (2009).