决定未来50年中美命运的关键要塞: 全球基础设施_风闻

【文章转载自微信公众号“欧亚系统科学研究会”，原文来源 Mckinsey Global Institute，作者 Jonathan Woetzel, etc. 翻译 谈行藏、Karen】

****导读：****2023年夏季，全球气温再创新高，各地纷纷报告历史最高温度记录，高温导致的干旱让欧洲莱茵河水位告急。在东南亚等区域，洪水导致大面积严重灾害。气候灾害面前，许多城市、生活区的公共基础设施承担了过大压力，出现了断水、断电现象，航班、火车延误，道路堵塞的现象比比皆是。人们越来越认识到，气候变化会导致现代社会赖以维系的各项基础设施出现故障，使生活、工作停摆。那么，现代基础设施究竟要面对哪些风险？不同风险对不同设施的影响又是怎样的？我们又应当如何预防基础设施遭到大规模破坏，对经济、生活产生严重影响？本文中，研究人员调研了4大类，17种基础设施，研究了他们在7种不同类型气候危机下可能受到的损害，并提出了建议。

基础设施能否正常运行，是决定未来气候变化对人类文明影响后果如何的关键。最关键基础设施包括：交通、能源、通信、水利四个系统大类，不同系统具有不同特性，在各种气候风险之下，体现出不同程度的脆弱性。更危险的是，由于基础设施分布越来越复杂、密集，且相互关联，风险的损害后果可能向整个系统网络，甚至向其他系统溢出，再进一步相互纠缠，造成更大破坏。高温、老化、飓风、洪水……每种天气灾害都可能引发基础设施的综合性瘫痪，影响上百万人生活，带来数以亿计的经济损失。

**作者提出：人类必须积极筹备，保证基础设施能够应对可能加剧的气候变化。在设施设计时就将气候因素考虑进来，****提高技术参数标准，增加系统设计冗余等方案必不可少，对于当前系统的优化也非常必要，一些已经面临高危风险，或本身对气候危机有促进作用的设施，也应予以废弃。**由于基础设施的公共服务性，如何加强公、私合作，如何帮助私人运营商获得必要的资金并通过合作降低成本，是必须要考虑的问题。欧亚系统科学研究会特组织编译此文，供读者参考。本文英文版原刊于Mckinsey Global Institute，篇幅所限，有所删编，仅代表作者观点。

基础设施能否经受住气候变化的摧残？

**▲**利比亚德尔纳洪水后的景象。图源：路透社

基础设施是全球经济的支柱，也是推动繁荣和发展的关键。它帮助人们互相联系，提高生活质量，促进健康和安全。基础设施一般包括电力、运输系统，提供水和电信服务的建筑、设施。如今，全球每年在基础设施上的支出约为5万亿美元，与全球房地产支出大致齐平。基础设施故障的后果不仅是资产的直接损失，还包括服务中断带来的巨大社会经济连锁反应。

近年来，极端天气事件凸显了基础设施的脆弱性。

2012年10月，飓风桑迪袭击美国东海岸，地铁、机场和道路被淹，交通停摆。数百万人经历了几天到几周的断电，许多企业关闭，出现公共安全问题。飓风吹毁了的东北部四分之一的手机信号塔，断电又导致许多幸免于难的信号塔在耗尽应急电池后离线。洪水堵塞了城市废水系统，110亿加仑（约4163.5万吨）污水流入河流、海湾和沿海水域。这场风暴总共造成约700亿美元损失。而桑迪只是有史以来最具破坏性的风暴之一，过去15年中，造成有史以来最大损失的大陆飓风共发生9次。虽然损失增加的主要原因是沿海地区的持续增长和发展（预计2040年，全世界居住在沿海地区的人口将从目前的约55%跃升至65%），但分析表明，全球气候变化加剧了其中3场风暴的伤害，这表明了气候变化与自然灾害的叠加效应。

基础设施通常需要大量投资和长期运营。燃煤电厂的设计寿命为40至50年，水电大坝和大型岩土结构的设计寿命长达100年。目前，这些设施在设计时一般假设未来的气候条件与当下大致相同。然而，气候的变化和由此产生的极端的天气事件意味着：气候带不会保持不变，基础设施可能超负荷运营。这对基础设施构成直接威胁，也会严重影响这些设施服务的人群。

**气候危害小幅度增加，其威胁却可能因基础设施超负荷运营而产生非线性加剧。而慢性和急性气候灾害都反过来影响基础设施。**特定环境问题长期、反复发生会对基础设施产生慢性影响，例如每年夏季高温导致电网运行效率下降；较少发生的极端灾害则会造成急性影响，例如1%概率爆发的洪水导致城市整个电网关闭。更糟糕的是，气候危害可能产生复合效应，例如海平面上升和风暴加剧共同加强风暴潮，使更多设施受到波浪载荷溢出的损害。

**不同类型的基础设施面对不同类别的气候灾害会体现独特的弱点。几乎没有设施能完全不受影响。**高温会加剧停电，并使电网陷入级联故障；飞机与机场的温度超过阈值时，飞机也可能频繁停飞。基础设施系统及其组成方式多种多样。不同设施面临的最大威胁也会因其组件的技术规格，及其在气候危害中的暴露程度而有很大差异。了解这些差异对设施规划至关重要。下图展示了2030年以前，环境风险可能导致的基础设施风险。 

在四个主要基础设施类别包括：交通、通信、能源、水利系统。四大类下，共有17种设施：机场、铁路、公路、码头；设施、无线网络、固定设施、数据中心；核电厂、风力发电厂、光伏电厂、水电站、输电线路、变电站；净水设施、供水系统、废水处理系统。七种气候危害：海平面上升和潮汐灾害、洪水、飓风和台风、龙卷风和其他陆地风暴、干旱、高温（包括空气和水）、野火。

图注：全球基础设施资产面对不同气候风险的脆弱性，蓝色越深，风险程度越高。图片横轴为：基础设施资产；纵轴为：气候危害，项目前文已述。

A.海港面临所有类型的沿海洪水风险。海平面的小幅上升可以适应，强大的飓风却是重大风险。2005年，卡特里娜飓风将新奥尔良港摧毁了约30%。

B.废水处理厂往往毗邻水体，易受海平面上升和飓风风暴潮影响。2012年，飓风桑迪导致大量污水排放，污染了淡水系统。

C.许多邻水机场受洪水和飓风风暴潮的威胁。全球100个最繁忙的机场中，有25个海拔不到10米，12个（包括上海、罗马、旧金山和纽约）海拔不到5米。几毫米降水引发的洪水就可以对它们造成破坏。

D.洪水会导致铁路服务与信号中断。尤其是信号中断，会严重影响铁路的可靠性。英国7%的信号设施被淹没将扰乱40%的乘客旅程。洪水则会侵蚀轨道，导致重要路线移动。

E.很深的洪水或很强的水流才会对道路造成重大破坏，但5厘米积水就会使通行速度降低30%，0. 3米积水就能让道路完全无法通过。道路封闭的复合效应可以使城市的平均通行时间增加10-55%。

F.高速风对手机信号塔形成威胁。2018年，飓风玛丽亚高达175英里/小时（约281km/h）的风吹倒了波多黎各90 %以上的信号塔。低风速的危害也相对缓和，飓风桑迪风速为80英里/小时（约129km/h），约25%的塔楼被吹倒。

G.风力发电厂对干旱有很强抵抗力，热电厂（美国超过99%的电厂）需要水冷却，在干旱期间会面临风险。

H.淡水及相关设施极易受到干旱的影响。开普敦在2018年差点耗尽了饮用水。

I.太阳能电池板可能因高温而效率降低，气温每升高1°C效率损失约0.1-0.5%。

J.高温对输电和配电形成复合风险。温度上升降低电网效率，同时增加空调使用和电网负载。

我们运用气候模型计算，分析现有关于气候与基础设施相互作用的研究，并向不同领域专家了解不同基础设施组件的特定技术限制（如：能源分配网络在什么温度下会失去效率？机场跑道上有水有多少毫米的积水会导致航班取消？无线塔在什么风速下会被推倒？），评估了这些影响对基础设施运行和经济的影响。

1****电网：部件脆弱，容错率低

电网对现代经济至关重要。去年，全球消耗了超过2.5万太瓦时（TWh）电力，其中近78%来自热电厂（煤炭、石油、核能、天然气），16%来自水力发电，6%来自太阳能光伏和风力。电网将继续增长，因为现代经济不断发展，而目前还有约11亿人（世界人口的14%）还未通电，电气化也让许多行业开启脱碳战略。随着新电网建造和现有电网基础设施升级，了解气候风险的程度、设置风险防范措施，将至关重要。

气候相关灾害已经对电网造成了明显影响。澳大利亚2019年的热浪导致墨尔本20万用户用电减载。在欧洲和美国，热浪、野火风险，和冷却水排放的法规担忧，让许多热电厂和输电系统不得不关闭或减少运营。 

急性事件（洪水、火灾、风暴）和气候条件的慢性变化（例如高温）都会损坏电网。这些危害会直接导致设施大量损坏和严重的服务中断。降水变化、海平面上升和风暴潮，都可能淹没发电设施和输配电线路，造成重大风险。飓风桑迪登陆时，有69座发电厂位于洪水泛滥地区；2011年飓风艾琳造成的洪水威胁了44座发电厂。两次飓风中，8座核电站不得不关闭或减少运转。极端风暴则会跟大风、洪水相结合，对发电、输电和配电设施造成威胁。2017年飓风哈维带来的大风和洪水，损毁了超过6200个电线杆和850个输电设备。

**高温对电网造成的压力最大。这些压力包括：降低发电效率、增加输电和配电设施损耗、缩短变压器等关键设备的使用寿命、增加峰值需求，以及迫使部分热电厂关闭。**日复一日，压力带来运营成本上升、设施寿命缩短。极少数情况下，还会使电网不堪重负，导致减载和停电。高温还会增加冷却需求。冷却不足加上原本的效率下降，导致峰值发电能力降低，输配电网络效率损失，线路和变压器中给输电的分配降低。尤其夏季，极端的高温增加空调使用，导致峰值负荷增加。种种影响形成综合效应，会挤压电网的计划储备量。当储备量下降到5%，供电系统危急，储备量到0，就必须中断服务或降低电压，以甩掉负荷。 

2018年，芬兰国有企业富腾（Fortum Oyj）不得不在高温时暂停电力生产。几天后，瑞典能源公司（Vattenfall AB）出于同样的原因关闭了斯堪的纳维亚半岛最大发电厂的一台机组。此外，高温也可能导致机械故障。配电变压器可能停止工作，电线可能因气温而下垂、碰到树，而后跳闸，增加火灾风险。停电是在无法减载时采用的最终措施：如果一条线路发生故障，其负载必须转移到另一条线路上。但如果其他线路也拥塞或离线（计划维护或被树压塌）而不能承受负载，就会引起级联线路故障，导致系统级断电。

目前为止，极端高温和其他气候灾害相关的电网损失还不大。研究表明，非气候原因造成的停电每年给美国带来1040亿至1640亿美元的损失。完全停电是最严重的情况，会给公共事业、消费者和企业造成巨大损失，但这种情况不太常见。热浪造成的任何形式的停电都相对罕见，仅占美国记录停电次数的2%左右（相当于2000年至2020年每年一到两次）。

然而，随着温度上升，电网中断的次数和相关成本会随之上升。随着平均温度上涨，极端高温事件频发，高温持续时间延长，电网效率损失和损害严重程度都会增加。温度场超出系统承受范围，增加故障严重性，延长恢复时间、增加收入损失和维修成本。加利福尼亚州的第四次气候变化评估指出：到2060年，洛杉矶县每年的承受热浪的概率为5%，这会使整体电网容量减少2%至20%。变电站过载将明显增加，一些变电站会自动关闭，导致整个社区断连，并使其他变电站大量减载。

**有几种应对措施可以帮助提高能源系统的有效运作的能力，其中一些还可以推动减排。**比如：分布式发电系统可以减少消费者对中央发电、输电系统的依赖，而且往往使用低碳形式（如屋顶太阳能）。优化现有系统也是适应新气候的关键，可以确保电网能够在较高的温度下，特别是在急性热浪中有效运行。减少电网对环境威胁的暴露也是一个关键，可以将发电和输电设施建在不太容易受到火灾、洪水、风暴影响的地区；投资能够预防城市配电设施被淹没的基础设施，等。

2****交通：分布广泛，小干扰造成大问题

公路、铁路、机场、河流和港口连接全球经济，促进贸易和人员流动。2018 年，商业航班数量高达4500万架次；有6400万公里公路和100万公里铁路在运行中；107亿吨货物通过港口运输。交通基础设施覆盖面广、连接偏远地区，因此灵活性通常不足，难以规避气候灾害。所以，交通基础设施面临重大风险。美国的13个主要机场都至少有一条跑道距离海岸线不足12英尺（约3.7米），易受海平面上升影响。降水增加、洪水泛滥，以及北极永久冻土融化都可能损害运输系统的地基结构。极端大风会影响桥梁稳定性、损坏标牌、增加建筑碎片。

发达国家的部分交通基础设施，如道路、桥梁和港口，通常很坚固，足以抵抗除极端情况以外的重大物理损坏。然而，大多数交通基础设施对超出其设计阈值的损坏高度敏感。温度超过39摄氏度，城际列车轨道就不再安全；一个地铁站被洪水淹没即可导致整个地下系统关闭；极端热浪会使飞机停飞。洪水会破坏铁路和铁路通信——亚利桑那州1997年的洪水导致美国铁路公司（Amtrak）一列客运列车脱轨，造成183人受伤。道路和桥梁同样会受水位的威胁。研究表明，英国部分公路桥梁可能会因河水流量增长而发生故障，危机每2.6年发生一次。

由于交通网络相互关联，其中任意部分故障都有可能波及到整个网络。一条路被淹，车辆会转向其他路线，增加交通堵塞。轻度、中度洪水也会导致严重的道路拥堵，使城市出行时间延长30%。7%的英国信号设施被淹没，就会扰乱46%的乘客旅行。

可能缓解此类威胁的措施包括：致密化——减少家庭居住和工作场所的分散程度，降低交通基础设施需求以及维护成本；增加对交通基础设施潜在故障的检测——用最新的技术，比如检测铁路轨道网络裂隙，探测桥梁需要加固的位置并提供预警等，以便于运营商预防设施故障造成重大影响；合理利用自然资源也可以用最少的投资和极低的运营成本，为交通系统提供显著收益，例如适当规划交通基础设施来保护湿地或红树林。

3****水利系统：设施老旧，分布不均

**许多地区的水利基础设施已经老化，尤其是发达国家。美国约三分之二的市政基础设施已有30多年历史，而英国80万公里长的下水道和水管，平均年龄为70年。欧洲700万公里管道中，部分已有100多年历史。虽然新建工程中已经很少，但许多原有管道同时输送雨水、生活污水和工业废水。**雨水激增时，合流制的下水系统就会溢流。许多水利系统已经因社会发展而负荷过重，这进一步降低了它们应对气候危害的耐力。与正规卫生系统相比，非正规卫生系统更容易受气候风险影响。非正规卫生系统损坏极有可能造成废水和饮用水交叉污染。

（一）供水系统

水利基础设施能在特定的气候条件下提供足够用水，但现在，气候条件已经改变。就供水系统而言，世界许多地区干旱频率增加，将使供水系统不堪重负。随着基础设施退化、用户增长超过原始设计预期，供水系统的设计冗余被耗尽，进一步加剧供水不足。一些发达国家试图降低水库蒸发量，例如，2011-2017年，加利福尼亚在洛杉矶放置“遮阳球”。然而，制造“遮阳球”使用的水要比最终节省的多。因此，这个方案仅仅转移了耗水量。硬性限制用水量或提高水费等措施可以减少生活和工业用水量，但这些方案经常受到抵制，并可能产生更广泛的经济影响。

供水系统也可能因飓风和洪水等急性冲击而长期断供。2005年卡特里娜飓风过后两周内，70%受影响的饮用水设施仍处于离线状态。洪水也可能导致恢复期延长。2007年，英国经历了1776年以来5、6月最大降雨量。洪水淹没了污水处理厂，使某些地区17天没有洁净水供应。大型水利建筑受破坏则会给周边地区带来毁灭性威胁。2019年，英国德比郡一座大坝部分倒塌，危及1400人的生命。水源污染和暴雨径流造成的沉积物含量上升会增加净水厂成本。供水系统损坏在饮用水污染频发的发展中国家影响更为严重，洪水过后往往出现霍乱和大肠杆菌引发的腹泻。私人水源确实更安全，但是价格也是现有系统的10到100倍。家用或超本地化的水处理和系统可以降低成本，但可靠性更弱，也需要用户和供应商持续投资、维护。从偏远水源采水则会造成更广泛社会影响，例如加剧不平等。

（二）废水系统

废水系统也会受干旱影响，只是程度较小。下水道因水流量不足导致堵塞，会无法处理人体排泄物。堵塞还可能导致城市污水系统爆裂。2018年开普敦干旱时，9家废水厂的废水处理量下降了17%至52%。

废水系统面临的最大威胁是洪水。飓风桑迪登陆时，大量降水和风暴潮使废水系统不堪重负，超过100亿加仑（约3785万吨）污水被排放到纽约和新泽西州的河口、海湾和海岸线中。污水会导致疾病扩散，伤害野生动植物。废水系统的慢性压力也导致了类似的废水溢出。2018年，弗吉尼亚州里士满市的降雨量比平均水平高出50%以上，导致15500立方米未经处理的污水泄漏到詹姆斯河中。环境保护机构记录，2004年，有180万至350万美国人因在受污染的沿海水域里游泳而患上介水传染病。

可能的应对方案包括：建设分离的污水、雨水系统；管道延长和扩大整体系统容量；利用自然资源（如通过可渗透土壤将水引入地下，或通过河流系统将多余的水分散到多个方向）。

4****电信：指数增长，不确定性高

全球经济越来越依赖电信基础设施。数字通信连接系统的需求以指数方式增长，增加了其对气候干扰的脆弱性。1995年，全世界上网人数不及人口的1%，到2019年，超过一半的人口可以上网。公共安全网络依赖有效的信息和通信技术（ICT）基础设施，特别是无线网络。

2025年，ICT将进一步在欧洲推动10%的GDP增长，物理基础设施的恢复能力愈发重要。过去五年中，数据中心服务中断的平均损失上升至每分钟9000美元。数据中心故障还会带来全球性的连锁反应。过去三年中，短暂的数据中心故障已经使7.5万人无法出行，美国的主要新闻网站关闭，银行系统数小时无法访问。

全球气候变化给电信带来的风险都是非常严重的。大风能吹翻，树木会压塌手机信号塔和电线杆、电话线和基站，使微波接收器错位。架空电缆比地埋电缆面临更大的威胁，电线杆故障、坠落物（如树木）以及极端风速，都能造成损害。洪水和飓风构成的威胁最大。2015-2016年，英国的洪水淹没了许多关键的电信设施，切断了数千个家庭，企业的网络，警察等关键公共服务断线。飓风伊尔玛和玛丽亚破坏了加勒比地区包括波多黎各、圣马丁、多米尼克、安提瓜和巴布达内超过90%的通信基础设施。电信系统在灾难恢复时期也至关紧要，通信中断会妨碍救灾和基础设施维修工作的协调。在灾害中幸存的系统也可能出现拥塞，进而发生故障。

一些慢性影响也会波及电信系统。数据中心的冷却成本占其总能耗的40%，高温会增加这一成本。10千兆赫以上，信号会受到雨水影响。 

电信业与其他系统的相互依赖增加了气候风险。通信越来越依赖电力，容易受到停电影响。大多数手机信号塔的备用电池只能维持八小时。冷却需要水，谷歌、微软和苹果都投资了自己的水处理厂，以确保供应。许多用于缓解气候变化的影响的措施也依赖数字技术，例如居家办公（仅在英国就有450万人居家办公），智能能源网（包括存储）以及交通系统的高级分析。

电信行业也有一些独特的特征，可以随着时间的推移降低风险，并支持快速适应新气候。电信设施的一般设计寿命比其他基础设施更短（数据中心大约为25年），设施中的设备设计寿命可能更短（约每2到5年更换一次），这使得更快更换强恢复力设备成为可能。 由于某些领域（如GSM）的激烈竞争，电信行业可能比其他物理系统更快引入冗余。通过增加系统可暴露的气候危害类型范围，电信系统有更多机会适应气候风险。我们现在还不能充分理解所有系统的相互依赖关系，而快速发展可能会引入意想不到的脆弱。例如，与建造大坝所需的混凝土相比，许多专用电信设备更容易受到供应链风险影响。

电信系统面对的真正威胁可能是不确定性。与其他领域相比，气候风险的整体影响，和系统故障的具体后果，都十分模糊。现有的许多设施都较新，系统复杂性又在不断提高，越来越多的关键系统在数字化。这使得后果有可能严重而难以预测。

5****应对措施：增加投入，提升透明度

**未来50年，全球基础设施的发展情况，可能是决定气候变化对人类文明影响的主要因素。基础设施的建设与维护上，人类需要在更有价值的方向投入更多资金。如果基础设施的设计、建造和维护不考虑气候变化的影响，不仅会提升运营商的成本，还会使整个社会在面对危险时毫无防备。**优化现有基础设施可以降低气候造成的损耗和相关成本，并避免重大连锁社会反应，为投资带来丰厚的回报。

基础设施领域将首当其冲地承担气候变化适应成本，预计要占到全球气候变化适应总支出的60%至80%。到2050年，这类支出平均每年可达到1500亿至4500亿美元。优化现有基础设施的成本与基础设施投资规模相比非常小，只需要每年基础设施总支出的1%至2%，不同形类设施之间，也可能因技术、位置、使用年限、停机时间和其他因素，而存在优化成本的显著差异。

优化的回报也并不都相等。表现最好的基础设施优化可能带来五到十倍的回报。经济回报最大的措施选择，应当是最具战略意义的（例如调整基础设施位置和标准，而非简单强化现有设施），针对最有价值设施的，和同时有正面溢出效应的（例如电网效率改进，可以降低用电成本）。

优化过程要合理分担风险和回报，这可能需要在企业合作与公私合营方面做出重大改变。基础设施优化主要影响公共服务，私人运营商需要找到分享利益、分担成本的模式。基础设施密度越来越高，运营商可以通过合资实现规模经营。同样，不作为会严重损害其他利益相关者的努力，因此在考虑合作关系时，各方需要采取更广泛的概念定义价值，并用更概率性的方式进行价值衡量。这些价值可能包括社会连锁效应，和商誉等商业因素。

措施应针对具体危害和基础设施风险进行调整。一些适应措如下：

（1）通过增加透明度来减少风险暴露

减少基础设施建设和运营商在高风险地区的运营；阻止加剧气候影响的设施（如大面积的非渗透硬地面）。制定土地使用政策，减少易受影响地区的建设，利用湿地和红树林等自然资源。提高风险透明度，包括公开报告、资产评估、投资决策等方式。开发预警系统、疏散制度，增强公民参与和避险教育。将气候变化纳入基础设施的所有业务评估项目。

（2）加快韧性资产投资

分散能源网；提高电力、交通和电信系统的效率，为公共设施提供空间并设计多功能设施。应用现有最佳施工技术。投资弹性基础设施（如建设有引水能力的公园）。建设能最大限度提高能源、水和其他系统效率的设施（例如可以在电网停电期间运行建筑）。利用新技术提高基础设施的弹性（能电网、嵌入式传感器层）。审查设计标准和规范是否考虑到当前和未来的风险。模块化设计，以便快速更换损坏的组件。将弹性纳入采购标准，确保一些设施终身可用。

（3）调动资本，进行适应性建设

创建新运营模式，让基础设施运营商能够为适应措施筹集资金；允许运营商将部分风险转移给包括政府在内的第三方。允许适应性投资从土地增值中获得资金。建立地方投资、收益共享的适应措施的基础设施基金。延长受监管实体的政府资助期限。撤回对已面临气候风险的、可能加强气候风险的设施的投资，并将资金用于适应性基础设施。

*文章原刊于Mckinsey Global Institute，由欧亚系统科学研究会组织编译，有所删编。