张 田,田 勇

中国民航飞机大气污染物和碳排放清单估算

张 田,田 勇*

(南京航空航天大学民航学院,南京 江苏 211100)

基于2019～2021年中国民用航空飞机起降数据､国际民航组织(ICAO)飞机发动机排放因子数据库和EUROCONTROL的飞机数据基础数据库(BADA)等数据,自下而上编制了2019～2021年中国民航飞机在飞行全过程的高分辨率大气污染物和碳排放清单,在此基础上探究中国民航飞机大气污染物和碳排放在不同地理区域的空间分布特征,分析2019～2021年新型冠状病毒感染疫情对民航大气污染物和碳排放的影响.结果表明,2019年中国民航飞机的HC、CO、NO和CO2排放量分别为0.74,6.38,33.98,7785.05万t,飞机起飞着陆(LTO)循环阶段的HC、CO、NO和CO2排放量分别占总排放量的37.84%、55.02%、18.83%、18.31%,华东地区的航空碳排放量最高,约占全国排放总量的27.20%.2019～2021年我国国内民航飞机大气污染物排放总量总体呈下降趋势.其中,2020年航空碳排放量下降17.26%,2021年的航空碳排放量相比2019年下降10.38%.

LTO循环；CCD循环；排放因子；排放清单

在新型冠状病毒感染疫情暴发前,国内和国际航空运输所消耗燃料的二氧化碳排放量约占所有能源相关二氧化碳排放量的2.5%[1].与地面排放源不同,飞机尾气直接排放到对流层上层和平流层,会造成更严重的温室效应[2].中国已经正式宣布力争2030年前实现碳达峰､2060年前实现碳中和[3],并且已将实现双碳目标的责任分配给省级环境管理部门.各省需结合实际情况编制碳达峰规划,将碳达峰和碳中和相关指标纳入经济社会发展综合评价体系[4].然而中国大多数省份和几乎所有城市却不明确航空二氧化碳排放的现状和变化.为了分析未来航空业的排放情景､探索最佳排放路径､实施精细化减排措施和制定碳达峰方案,需要准确核算航空二氧化碳排放量,制定民航飞机大气污染物和碳排放清单.

航空排放物的计算一般以国际民用航空组织(ICAO)定义的两个标准化循环阶段来划分阶段,ICAO将地面以上3000英尺(914.4m)范围内发生的飞行活动定义为起降(landing and take-off,LTO)循环阶段,3000英尺以上的部分称为巡航阶段(cruise, climb and descent,CCD)[5].由于LTO循环阶段的单位里程排放量最大,且对近地面的影响更为突出,因此大多数排放清单只针对机场LTO循环阶段,如国内的天津机场[6]、浦东国际机场[7]、长三角区域机场[8]的大气污染物排放清单.这些研究大多数采用ICAO标准起降模型来计算LTO循环阶段的排放量,由于ICAO标准起降模型规定了固定的各飞行阶段持续时间,而实际的混合层高度会影响航空器进近和爬升阶段的运行时间,因此对大气混合层高度和飞机实际运行时间进行修正可以提高计算精度,如首都国际机场[9]、粤港澳大湾区机场群[10]、京津冀机场群[11]的LTO循环阶段大气污染物排放清单.另一种更为精确的方法是采用飞机快速存取记录器(quick access recorder,QAR)数据来计算污染物排放量[12-13].QAR数据中包含存储飞机燃油流量、飞机质量、发动机转速、飞行速度等参数,可以较为精确地计算航班燃油消耗量和污染物排放量,然而QAR数据收集困难且数据繁杂,不适合大范围的排放量计算.

LTO循环阶段的排放只占飞机总排放的一小部分,大部分排放集中在CCD循环阶段,然而我国针对CCD循环阶段排放清单和飞行全过程排放清单的研究还比较少[14-17].这些研究对于排放量的计算通常是由总的燃油消耗量结合固定的排放系数得来的,并没有区分不同发动机类型的不同排放系数,并且一些方法中使用的数据集是专有的,需要高水平的专业技术知识才能理解和使用,使得大多数人无法使用这些方法进行计算.

综上,现有研究对我国民航飞机大气污染物和碳排放清单的计算仍不够全面,并没有对各省市机场和航线的大气污染物和碳排放量进行更细致的划分和总体估算.本研究通过收集2019～2021年的航班信息数据,结合ICAO的飞机发动机排放数据库(EEDB)和欧洲航行安全组织(EUROCONTROL)的飞机数据基础数据库(BADA)中已测试的发动机排放相关数据,精确估算了2019～2021年间我国国内民航飞机大气污染物和碳排放清单,包括LTO循环和CCD循环阶段的排放量,使用空间分配法计算了全国各省市的航空碳排放量,并结合计算结果分析新型冠状病毒感染疫情对排放量的影响.

1 材料与方法

1.1 数据来源

收集2019～2021全年的国内客运航班飞行数据(不包括货运航班、国际航班和港澳台航班),数据内容包括每个航班的日期、出发机场、到达机场、飞机类型、出发时间、到达时间.研究区域包括我国27个省、自治区及直辖市(中国香港、澳门和台湾地区暂不考虑),2019年共有机场235个,2020年有236个,2021年有244个.

表2 V2527-A5型发动机在LTO循环阶段的污染物和碳排放因子(kg/s)

飞机起降数据来源于中国民用航空局;ICAO的飞机发动机排放数据库中包括每种飞机发动机在LTO循环阶段的各种污染物(CO、NO、HC)和碳排放系数.EUROCONTROL的BADA数据库中记录了不同机型的大气污染物和碳排放量与CCD循环阶段飞行时间的对应关系.根据2019年的航班信息数据统计,超过94%的航班使用了20种最常用的机型.为了简化计算,对于同一机型,本文为其匹配一种最常用的发动机型号进行计算(表1),其中,A320机型是国内中短程航线上最受欢迎的机型之一,本文为A320系列飞机匹配V2527-A5型号的发动机,并给出其在LTO循环(表2)和CCD循环阶段的污染物排放因子(表3).

表3 A320机型在CCD循环阶段的飞行时间与污染物和碳排放量

1.2 计算方法

1.2.1 LTO循环阶段排放量 由于不同航班的飞行时间和飞行状态均存在差异,为了方便计算,ICAO规定了在标准LTO循环中各飞行阶段的发动机推力设置和标准时间(表4).

表4 LTO循环各阶段的推力设置和持续时间

从航班信息数据中提取某机场作为出发机场和到达机场的全部航班数据,以不同的飞机类型进行划分,匹配对应的发动机类型,不同类型发动机在LTO循环阶段的大气污染物和碳排放量的计算公式如下:

该机场在LTO循环阶段的飞机发动机大气污染物和碳排放量计算公式为:

1.2.2 CCD循环阶段排放量 由航班信息数据中每个航班的出发时间､到达时间以及LTO循环标准时间,可以得到飞机在CCD循环阶段的持续时间.EUROCONTROL的BADA数据库中提供了大多数商用飞机的污染物排放量与CCD循环阶段飞行时间的对应关系.然而由于不同高度的大气环境变化复杂,难以对不同的天气进行精确建模,所以BADA数据库中的表格数据是针对一组特定情况测算出来的[18].因此,为了计算特定航班在CCD循环阶段的排放量,需要对表格中的数据进行线性插值[19].计算公式如下:

1.2.3 空间分配法 本研究使用空间分配法将单个航班在LTO循环和CCD循环阶段的排放分配给出发机场和到达机场,其中,滑出､起飞和爬升阶段的排放属于出发机场,下降、进近、着陆和滑入阶段的排放属于到达机场.CCD循环阶段的排放平均分配给出发机场和到达机场[20],计算公式如下:

式中:d为出发机场;a为到达机场;CCD为该航班在CCD循环阶段的排放量.

基于上述方法,机场在一定时间内的大气污染物和碳排放量是所有在该机场的起飞航班和降落航班的排放量之和.其中,有些城市可能包含不止一个机场,因此,每个城市的排放量是该市所有机场的排放量之和.没有机场的城市没有被分配航空排放,因为这些城市对航空运输不承担任何责任[21].各省份民航飞机大气污染物和碳排放量是该省内所有城市的排放量之和.计算公式如下:

式中:为机场;d为在机场起飞的所有航班;a为在机场降落的所有航班;为城市;N为市内的所有机场;为省份;N为省内所有拥有机场的城市.

2 结果与讨论

2.1 全国排放清单结果

图1所示为2019～2021年全国的民航飞机大气污染物和碳排放清单计算结果.由2019～2021年的民航行业发展统计公报了解到,2019～2021年国内航线完成运输起飞架次分别为439.40,355.64,384.28万架次(不包括港澳台航班),国内航线完成的旅客运输量分别为57460.43,40725.17,43848.77万人次.从整体上看,民航飞机大气污染物和碳排放量与旅客运输量成正比.2019年中国民航飞机的HC、CO、NO和CO2排放量分别为0.74,6.38,33.98,7785.05万t,LTO循环阶段的HC、CO、NO和CO2排放量分别占总排放量的37.84%､55.02%、18.83%、18.31%.2020年新型冠状病毒感染疫情在全国暴发,国内民航旅客运输量大幅减少,从而导致由飞机产生的大气污染物和碳排放量也大幅减少.其中,2020年的航空碳排放量比2019年降低17.26%.随着疫情得到一定的控制,2021年旅客运输量有所回升,航空碳排放量比2019年降低10.38%,比2020年增加8.31%.

图1 2019～2021年中国国内民航飞机大气污染物和碳排放清单

Fig.1 Inventory of air pollutants and carbon emissions from China’s domestic civil aircrafts from 2019 to 2021

不同的大气污染物在不同飞行阶段的排放占比存在较大差异.其中,HC和CO在LTO循环阶段的排放率较高,2019年的HC和CO在LTO循环阶段的排放量分别占其总排放量的38.10%和55.06%,这主要是由于LTO循环阶段飞机发动机的负荷相对较低,容易导致燃料不完全燃烧,从而产生较高的HC和CO排放.NO和CO2的排放主要集中在CCD循环阶段,这是因为在一次飞行任务中,LTO循环阶段的飞行时间往往在飞行总时间中占比较小.根据国际航空运输协会的数据,LTO循环阶段的单位飞行距离排放量最高[22],短途飞行比长途飞行对环境的危害更严重.

2.2 LTO循环阶段排放结果

LTO循环阶段的排放对机场及其周边环境的影响较大,机场排放清单一般是指该机场的起落航班在LTO循环阶段的大气污染物和碳排放清单.2019年民航机场在LTO循环阶段的大气污染物和碳排放清单如表5所示,排放总量最高的5个机场分别是北京首都国际机场、上海浦东国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场和成都双流国际机场.排放总量前20位机场的HC、CO、NO和CO2的总排放量为8898984t,占全国排放总量的62.07%.各机场的单次LTO循环阶段平均排放量也存在一定差异,其中平均排放量最高的机场是上海浦东国际机场,其单次LTO循环阶段的平均排放量是全国平均排放量的1.9倍,出现这种情况的原因可能是往返大型国际机场的航班多使用干线飞机,单次飞行的排放量更高.

表5 民航机场2019年飞机LTO循环阶段大气污染物和碳排放清单

航空运输以其快速､舒适､空间跨度大的特点,成为现代旅游业的重要支撑,而旅游对于民航增加客源也起着积极的拉动作用.根据国家统计局的数据, 2020年是中国旅游业受到疫情影响最严重的一年,国内旅游人数和收入都出现了历史性的下滑,分别下降了52.1%和61.1%,远低于2019年的水平.2020年中国国内80%以上的机场在LTO循环阶段的排放量都呈下降趋势,下降率超过50%的机场有23个,这些机场大多为4C级的民用或者军民合用的旅游支线机场(表6).随着疫情防控的常态化和政策的适时调整,2021年中国旅游业逐步进入恢复阶段,国内旅游人数和收入都有了一定程度的回升,分别增长了12.8%和31.0%.全国超过50%的机场在LTO循环阶段的排放量都呈上升趋势,其中上升幅度最大的三个机场分别是大兴安岭鄂伦春机场､济宁曲阜机场和乌兰察布集宁机场,其增长率均超过100%.

表6 2020年LTO循环阶段排放总量下降率超过50%的机场及其排放量

2.3 CCD循环阶段排放结果

从总体上看,2020年航班飞行次数减少的航线占航线总数量的75.19%,CCD循环阶段的HC、CO、NO和CO2总排放量减少的航线占航线总数量的69.88%.2021年民航整体运输情况有所好转,航班飞行次数增加的航线占当年航线数量的45.23%, 45.55%的航线在CCD循环阶段的排放量总量比2020年有所增加.

一条航线上的飞机飞行次数越多,其大气污染物和碳排放量就越高.以CO2为例,对于不同的航线,CO2排放量不仅取决于飞行次数,还和飞行距离有关.如图2所示,2019年从北京首都国际机场到广州白云国际机场和杭州萧山国际机场的航班飞行次数分别为11382和14596次,而从北京首都国际机场到广州白云国际机场和上海虹桥国际机场的直线距离分别为1170和670英里,因此两条航线在CCD循环阶段的CO2排放量相差很大,前者排放量更高.

对于同一条航线,相同的飞行距离,不同的飞机类型也会造成大气污染物和碳排放量的差异.如表7所示,2019年从北京首都国际机场到广州白云国际机场的所有飞机类型共有35种,其中飞行次数最多的机型是A333,但该机型每次飞行的HC、CO、NO和CO2的平均排放总量却不是最低的.在该航线最常用的几种机型中,A333、A332、A359、B789、B788均属于250座级的机型,其中B788的平均排放总量最低;A388、B744、B748同属于400座级的机型,而A388每次飞行的平均排放总量却远高于另外两种机型.可见,航班数量、飞机类型和飞行距离都会影响CCD循环阶段的大气污染物和碳排放量.

图2 2019年飞行次数最多的30条航线的在CCD循环阶段的CO2排放量

Fig 2 CO2emissions of the 30most frequently flown routes ( CCD cycle phase, year 2019)

表7 2019年北京首都国际机场到广州白云国际机场的常用机型和每次飞行的污染物平均排放量

2.4 航空碳排放量的空间分布

将飞机在CCD循环阶段的排放量按照空间分配法分配到各机场,分别按照机场、城市、省份和地理大区四个级别统计分析航空碳排放量的空间分布.2019～2021年中国民航飞机CO2排放量分布地图如图3所示.拥有机场的城市绝大多数分布在中国的中部和东部地区,2019年CO2排放量前10的城市分别是北京、上海、广州、成都、深圳、西安、昆明、重庆、杭州、乌鲁木齐,其中,上海的航空碳排放量是浦东和虹桥两个国际机场的排放量之和,北京的航空碳排放量包括首都机场､南苑机场和大兴机场的碳排放量,重庆的航空碳排放量是江北国际机场、万州五桥机场、武陵山机场和巫山机场的排放量之和.值得注意的是,只考虑LTO循环阶段排放量的机场排名与将CCD循环阶段排放量进行空间分配之后的机场排名有所差别.例如,当只考虑LTO循环阶段的排放量时,南京禄口国际机场的碳排放量高于乌鲁木齐地窝堡国际机场的碳排放量,但是由于每个机场运营的航线不同,在将CCD循环阶段的排放量进行空间分配之后,乌鲁木齐的航空碳排放量比南京更多.

(a)2019年中国民航飞机CO2排放量(t)分布地图

(b)2020年中国民航飞机CO2排放量(t)分布地图

(c)2021年中国民航飞机CO2排放量(t)分布

2019年航空碳排放量最高的5个省级行政区域分别是广东省､北京市､上海市､四川省和浙江省,各地区的年航空碳排放量占全国的比例分别为11.29%、8.04%、7.22%、5.45%和5.14%.宁夏、青海和西藏是我国西部的三个人口小省(区),也是2019年机场旅客吞吐量和航空碳排放量最低的3个地区,其年航空碳排放量分别占全国排放总量的0.89%、0.65%和0.63%.而新疆作为边疆省区,省域面积大,修建公路和铁路的成本过高,为了保障新疆的民用交通和国防运输能力,2021年新疆共有23个民用机场,是全国拥有机场数量最多的省级行政区,其航空污染物排放量位居全国中列.

除西藏自治区以外,2020年全国各省(区､市)的航空碳排放量均有所下降,其中,降幅在0～10%的省(区､市)有4个,降幅在10%～20%的省(区､市)有16个,降幅在20%～30%的省(区､市)有8个,新疆维吾尔自治区和湖北省的降幅超过30%,分别为35.93%和35.55%.2021年除河北､河南和福建省以外,大部分省份的民航飞机CO2排放量都开始增长,其中涨幅最大的省份是湖北省,其航空碳排放量比上年增长50.62%.这说明随着新型冠状病毒感染疫情得到控制,一些航班开始恢复,大部分省份的民航旅客运输量开始增加.按照中国地理大区划分,2019年华东地区的航空碳排放量最高,约占全国排放总量的27.20%,华南､西南和华北区域的碳排放量相当,分别占全国排放总量的16.98%、16.64%、14.61%,华中和东北地区的航空碳排放量最低,分别占全国排放总量的7.32%和6.54%.西北地区虽然有很多机场,但大多数机场都是4C级的支线机场,机场起降架次少,所以飞机污染物排放量并不多,约占全国排放总量的10.71%.

3 结论

3.1 2019～2021年我国国内民航飞机大气污染物和碳排放量整体呈下降趋势.2020年航空碳排放总量下降17.26%,2021年的航空碳排放总量比2019年下降10.38%,比2020年增加8.31%.HC和CO的排放主要集中在LTO循环阶段.

3.2 各机场在LTO循环阶段的排放量差别较大,平均排放量高的机场对周边地区的环境影响更为严重.2020年新型冠状病毒感染疫情对旅游业造成严重打击,排放量下降率高的机场多为旅游业繁荣的支线机场.

3.3 飞机的大部分排放集中在CCD循环阶段,该阶段的飞机大气污染物和碳排放量与航班数量、飞机类型和飞行距离有关,不同飞机类型在同一条航线上的排放量不同.

3.4 LTO循环阶段的机场排放量排名与将CCD循环阶段排放量进行空间分配之后的机场排放量排名有所不同.广东省是航空碳排放量最高的行政区域,华东地区是航空碳排放量最高的地理大区.

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Estimation of both air pollutants and carbon emission inventories from civil aircrafts in China.

ZHANG Tian, TIAN Yong*

(College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211100, China)., 2023,43(10)：5614-5623

Based on the take-off and landing data of Chinese civil aviation aircrafts from 2019 to 2021, the aircraft engine emission factor database of International Civil Aviation Organization (ICAO), and Aircraft Data Base database (BADA) of EUROCONTROL, the high-resolution air pollutants and carbon emission inventories during the entire flight process of Chinese civil aviation aircrafts from 2019 to 2021 were developed from bottom to up. Next, their spatial distribution characteristics in different geographical regions in China were analyzed, where the emerging impacts of the novel coronavirus infection from 2019 to 2021 was further explored. According to the results, the total HC, CO, NO, and CO2emissions of China’s civil aviation aircrafts in 2019 were 0.74, 6.38, 33.98, and 7785.05million tons, respectively. Also, during the take-off and landing (LTO) cycle stage, the HC, CO, NO, and CO2emissions made up 37.84%, 55.02%, 18.83%, and 18.31% of the total emissions, respectively. Specially, Eastern China region had the highest aviation carbon emissions, accounting for 27.20% of the whole country’s emissions. Last, the total air pollution emissions decreased from 2019 to 2021, where the CO2emissions in 2020 and 2021 were reduced by 17.26% and 10.38%, respectively.

LTO cycle；CCD cycle；emission factor；discharge inventory

X511

A

1000-6923(2023)10-5614-10

2023-03-22

南京航空航天大学科研与实践创新计划项目(xcxjh20220731)

* 责任作者, 教授, tianyong@nuaa.edu.cn

张 田(2000-),女,安徽宿州人,南京航空航天大学民航学院硕士研究生,主要从事航空碳排放研究.zhangtian@nuaa.edu.cn.

张 田,田 勇.中国民航飞机大气污染物和碳排放清单估算 [J]. 中国环境科学, 2023,43(10):5614-5623.

Zhang T, Tian Y.Estimation of both air pollutants and carbon emission inventories from civil aircrafts in China [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5614-5623.