首都國際機場航空器排放清單的計算分析

李 杰,趙志奇,劉新罡,周曉寧,王 凱,張 朋

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首都國際機場航空器排放清單的計算分析

李 杰1,2*,趙志奇1,2,劉新罡3,周曉寧4,王 凱1,2,張 朋1,2

(1.南京航空航天大學民航學院,江蘇 南京 211106；2.國家空管飛行流量管理技術重點實驗室,江蘇 南京 211106；3.北京師范大學環境學院,水環境模擬國家重點實驗室,北京 100875；4.南京航空航天大學金城學院,江蘇 南京 211156)

基于微脈沖激光雷達提取的混合層高度與首都機場的實際運行數據,采用美國EPA方法,更準確的估算了2016年首都國際機場航空器排放清單.結果表明:在航空器起飛著陸(LTO)循環排放的各種污染物中,NO和CO排放量最多,分別占排放總量的53.3%和38.5%.滑行階段和爬升階段的排放總量較多,占排放總量的49.7%和25.7%.滑行階段是航空器排放CO、SO、HC和PM的主要階段.在滑行階段的主要排放物是CO和NO,分別占滑行階段排放總量的71.7%和17.2%.混合層高度變化對航空器排放的NO與CO影響最大,對SO、HC與PM影響較小.在所有的起降航班機型中,A320對排放影響最小,B77W影響最大.航空器場面滑行時間是影響污染物排放量的一個非常重要的因素.優化航空器滑行效率,減少滑行時間,對減少機場排放量會有非常積極的作用.

首都國際機場；航空器排放；大氣污染；排放清單

隨著航空技術和經濟水平的發展,航空運輸越來越被大眾認可.在過去20年里,航空運輸以年均約5%的增長率快速發展[1],并將以年均5.6%的速率持續增長[2].隨著航空運輸量的不斷增長,航空以約2%~14%的貢獻率影響著全球氣候變化[3].

航空器是機場最主要的排放源[4-6].航空器起飛著陸(LTO)循環排放是指在大氣混合層高度下,航空器在進近、滑行、起飛、爬升內產生的CO2、H2O、NO、CO、SO、HC以及其他氣體和顆粒物[7],這些排放物改變了機場附近空氣的質量,對機場附近人類的生產生活構成直接的影響與威脅.建立機場航空器排放清單是評估機場對環境影響的基礎,是制定相關標準和航空器污染物控制策略的依據[8-9],排放清單的計算分析研究顯得尤為重要.

目前,航空器排放清單的計算國內外開展了不同程度的研究.Winther[6]、Song[10]、Turgut[11]、Stettler[12]對丹麥、韓國、土耳其、英國等國家的機場航空器排放清單進行計算,確定了航空器排放污染物在不同運行階段的排放特征.夏卿[13]、黃青鳳[14]、儲燕萍[15]和Fan[16]計算了全國、廣州和上海等機場的航空器排放清單,量化了航空器排放量,分析了其對附近空氣質量的影響.樊守彬等[17],伯鑫等[18]和徐冉等[19]分別建立了首都國際機場2007, 2012和2013年的排放清單,發現飛機在爬升和滑行/慢車兩種模式下污染物排放比例最大[17].機場造成的NO貢獻較大[18],NO排放主要在爬升階段[17],并且NO排放受混合層高度變化影響較大[19].

由于數據限制,上述很多研究中LTO循環各階段的運行時間是采用國際民航組織(ICAO)參考值.此參考值是以理想LTO循環為基礎,航空器運行到大氣混合層高度(固定為915m,3000ft)來推算航空器進近、爬升的運行時間.實際上,混合層高度隨時間和地點的不同而不同,導致最終計算結果存在一定的誤差.徐冉等[19]利用干絕熱線法估算日最大混合層高度,對進近、爬升時間進行了簡單線性修正,從而較準確地確定首都國際機場排放清單,但其使用了8:00的探空溫度廓線,仍存在一定的誤差.

本文基于2016年北京地區激光雷達觀測數據提取的混合層高度,采用美國EPA方法考慮了混合層高度的影響,使用修正的航空器進近、爬升時間和實際滑行時間,更準確的計算了首都國際機場排放清單,分析了首都國際機場航空器的排放清單以及混合層高度、不同機型、滑行時間對排放的影響,為我國機場航空器排放清單計算提供支撐,為機場航空器運行減排措施奠定理論基礎和科學依據.

1 數據與方法

1.1 研究對象

首都國際機場(IATA:PEK, ICAO:ZBAA)位于北京市東北方向(40°04.4'N, 116°35.7'E)與市中心直線距離25.4km,海拔高度為35.3m.首都國際機場的旅客吞吐量連續多年穩居我國之首,自2010年起,成為世界客運量第二的機場.2016年其旅客吞吐量達到9439.4萬人次、貨郵吞吐量達到194.3萬、航班起降架次達到60.6萬架次,分別比2015年增加了5%、2.8%和2.7%[20].

1.2 研究方法

1.2.1 航班架次與機型 歷史航班運行數據中只有航空器機型,利用歐控飛機性能建模工具BADA數據庫將機型與發動機匹配,得到機場起降航班機型、起降架次及比例(如表1),統計得出2016年首都國際機場起降航班600742架次(與民航局官方公布數據誤差不到1%).該年起降的機型達50多種,但以B738、A321和A320這3種機型為主,累計占總數的58.1%.其中少于0.1%的機型累計不超過11.0%.

表1 2016年首都國際機場起降航班架次及比例

1.2.2 混合層高度提取 混合層高度是大氣中的污染物能進行混合的高度.在此高度以上釋放的污染物不會對地面濃度產生影響.通過近地面氣象參數可以獲取混合層高度,但計算誤差大[21].傳統的探空氣球探測可以方便、準確的確定混合層高度,但受時間和空間的限制,難以實現自動、連續的監測.激光雷達由于其高精度、精細的時空分辨率,可自動、連續觀測等優點得到了廣泛應用.

本文使用的激光雷達是日本國家環境研究中心(NIES)的米散射激光雷達[22],安裝在北京師范大學環境學院樓頂(116°21.9'E,39°57.8'N).激光雷達每觀測一次持續5min,后休息散熱15min,激光雷達的垂直分辨率為6m.從激光雷達信號中提取邊界層高度的方法有梯度法、標準偏差法、小波協方差及曲線擬合法等[21].本文采用變異系數法,具體計算公式如下[22]:

式中:CV表示變異系數;為標準偏差;i為激光雷達信號;`為信號平均值;取5.如果變異系數最大,那么數組中心點所在的高度就是反演得到的邊界層高度.

1.2.3 航空器排放清單計算 航空器發動機會排放各種氣體和顆粒物,其中NO、CO、SO、HC以及PM是主要排放物[23],且對人類健康影響較大.因此,對上述幾種排放物建立排放清單.航空器在LTO循環期間的排放量與發動機數量、進近、滑行、起飛、爬升各階段時的燃油流率、排放指數以及運行時間等參數密切相關.不同階段的燃油流率、排放指數由ICAO發動機排放數據庫(EEDB)提供.

由于混合層高度會影響航空器進近、爬升階段的運行時間,本文采用美國EPA方法對ICAO定義的參考爬升、進近時間進行修正,基于混合層高度的修正公式如(2)~(3).航班滑行時間由實際運行數據(剔除錯誤或字段不全數據)統計得到.起飛時間使用ICAO全推力設置條件下的參考值(0.7min)[24].航空器LTO循環NO、CO、SO和HC排放量由公式(4)計算得到.

式中:TIM-app為型航空器進近階段運行時間,min;TIM-clm為型航空器爬升階段運行時間,min;MLH為混合層高度,ft;E為型航空器一個LTO循環內的類(NO、CO、SO、HC)污染物排放量,g;TIM為型航空器在階段運行時間,min;FF為型航空器在階段的燃油流率,kg/s;E為型航空器在階段類污染物的排放指數,g/kg;ICAO未提供SO的排放指數,由于SO排放量取決于燃料中的硫含量,參照EPA指導EISOx取1g/kg;Ne為型航空器的發動機個數.

由于ICAO的發動機排放數據庫中未包含PM的排放指數,因此,采用ICAO航空環境保護委員會(CAEP)的First-Order Approximation 3.0(FOA 3.0)方法[25]進行計算.FOA 3.0方法是基于發動機的煙度、空燃比以及旁通比計算出非揮發性顆粒物排放指數.結合揮發性硫化物、揮發性有機物排放指數,計算得到航空器顆粒物總排放指數EI,具體計算如式(5)~(10).將EI帶入式(4)即可得到PM排放量.

式中:EIC為碳排放指數,mg/m3;SN為煙度;mixed為尾氣體積流率,m3/kg;EIPMnvol為非揮發性顆粒物排放指數,g/kg;EIPMvolFSC為揮發性硫化物排放指數,g/kg;FSC為燃油硫含量;為燃油硫轉化率;MWout為氧化硫的分子量;MWs為硫的分子量;EIPMvolFO為揮發性有機物排放指數,g/kg;EIHCCFM56為CFM56發動機的總烴排放指數,g/kg;EIPMvolCFM56為CFM56發動機的揮發性有機物排放指數,g/kg;EIHC為航空器發動機的HC排放指數,g/kg;EI為顆粒物的總排放指數,g/kg.

2 結果與討論

2.1 不同方法獲取的混合層高度對比

通過激光雷達提取的北京2016年混合層高度與用國標法[26]和干絕熱法[27]得到的混合層高度對比如圖1.采用不同方法得到的混合層高度具有一定差異,3種方法得到的年平均高度分別為818、1248和1357m.國標法和干絕熱法得到的混合層高度明顯高于ICAO的參考值(915m)和激光雷達提取值.本文激光雷達提取值低于文獻[28]基于激光雷達得到的2002年混合層高度(約1500m)和文獻[19]基于干絕熱線法得到的2013年的結果(約1200m).但此混合層高度與文獻[21]的2014年冬季大氣混合層高度結果(818±319)m非常接近.國標法只要有總云量、低云量和風速即可,沒有考慮熱力因素和其他氣象條件對混合層高度的影響.而干絕熱法主要考慮熱力因子的影響,將太陽輻射造成的日間升溫的極大值作為混合層高度的主要影響因素.激光雷達的結果更能代表實際大氣的真實狀態[29].觀測站點與激光雷達的位置不同,以及北京環境變化也是導致這些混合層高度結果差異的原因.

雖然ICAO對混合層高度設定為固定值,但其值與激光雷達的提取值最接近.北京地區在無法獲取實測混合層高度的情況下,采用ICAO的建議值(915m)進行排放清單的計算,計算誤差較小,具有一定的參考意義.

圖1 幾種方法得到的混合層高度月均變化對比

2.2 排放清單分析

2.2.1 航空器排放清單分析 2016年首都國際機場航空器LTO循環排放清單如表2所示.其中NO、CO、SO、HC、PM分別為5332.9、3847.7、369.0、410.6和38.3,占排放總量的53.3%、38.5%、3.7%、4.1%和0.4%.估算的各污染物排放量低于傳統方法和文獻[19]的改進方法.差異主要原因是本文排放清單計算使用的大氣混合層高度低于其他文獻中的值,使LTO循環中進近和爬升時間減少,進而導致最終計算的各排放量減少.

在航空器LTO循環排放的各種污染物中,NO和CO排放量最多,分別占污染物總量比例的53.3%和38.5%.在其他文獻中首都國際機場2012年[18]和2013年[19]的排放清單中NO和CO排放量分別占排放總量的63.4%,37.9%和91.6%,28.7%.CO是僅次于NO的主要污染物.而HC、SO和PM相對較少,僅占4.1%、3.7%與0.4%.

在LTO循環各階段中,航空器污染物排放量具有明顯差異.滑行階段和爬升階段的排放總量較多,分別為4965.6 (占LTO排放總量49.7%)和2571.4t(25.7%),進近和起飛的污染物排放相對較少,分別為964.2 (9.6%)和1497.2t (15.0%)

在滑行階段的主要排放物是CO和NO,分別為3558.6和853.9t,占滑行階段排放總量的71.7%和17.2%.伯鑫等[18]基于模型分析2012年的結果也得出滑行階段是CO的主要排放階段,占排放總量的85.2%.并且,滑行階段是航空器排放CO、SO、HC和PM等污染物主要階段.在此階段排放的CO、HC、SO和PM分別為3558.6、363.1、174.8和15.3t,分別占各污染物排放總量的92.5%、88.4%、47.4%和39.9%.航空器在滑行時,發動機處于最低推力狀態,燃料未能進行充分燃燒.隨著發動機推力的上升,燃料得到充分燃燒,相應的排放也顯著減少.如在起飛階段,CO與HC的排放分別為13.0和42.4,分別僅占1.1%和0.3%.

表2 2016年首都國際機場航空器LTO循環排放清單(t)

2.2.2 混合層高度的影響分析 混合層高度隨時間改變,混合層高度的高低會影響航空器的進近和爬升時間,進而影響航空器排放量.航空器排放物成分比例如圖2所示.隨著混合層高度的月變化,排放中NO、CO的成分比例始終相對較高,為36.5%~ 55.4%;SO、HC較低,一般在4.0%左右;PM的比例更少,最大不超過0.4%.

混合層高度對排放中NO和CO的成分比例影響最大.隨著混合層高度的變化,航空器排放物中NO的比例的變化趨勢類似,兩者的相關系數高達0.8,為高度相關;而CO的比例隨著混合層高度的增加,呈現減少的趨勢,兩者的相關系數為-0.8.由于NO的排放在爬升階段比例最大,當混合層高度減少時,相應的爬升時間減少,NO的排放量和比例也呈減少的趨勢.而對于主要在滑行階段排放較多的CO,當混合層高度減少時,進近和爬升時間減少,而滑行時間不變,相應CO所占的比例會增加.影響各污染物排放成分變化的主要因素是由于混合層高度變化引起的爬升與進近階段運行時間變化,進而引起相應階段的排放物成分變化.由于SO、HC和PM的比例較少,混合層高度對排放中SO、HC和PM成分比例影響較小.

圖2 2016年航空器排放物成分比例的月變化

2.2.3 不同機型的影響分析 不同類型航空器排放的污染物比例如圖3所示.B738在起降航班機型中比例最高,為31.7%.該機型排放的NO、CO、SO、HC、PM占比也最多,分別為28.4%、27.4%、31.3%、26.2%和30.3%,均低于B738在起降航班機型中的比例.A321在起降航班機型中占14.2%,但其排放的CO、HC與PM占比較高,分別為23.7%、19.7%與12.9%.

根據BADA數據庫,B738在各階段的燃油流率略低于A321;B738的CO和HC的排放指數均明顯低于A321,在各階段中NO和PM排放指數各有優劣.此外,B738的滑行時間平均為29min,而A321的滑行時間平均為32min.導致起降航班機型比例多的B738的排放貢獻影響小于A321.綜合機型所占比例和污染物排放量的比例,在所有起降機型中A320對排放影響最小,而B77W的影響最大.

2.2.4 滑行時間的影響分析 以2016年激光雷達提取的混合層高度值,作為歷史混合層高度,結合首都國際機場2011~2016年歷史航班運行數據,得到首都國際機場航空器NO、CO、SO、HC、PM排放量的年變化(表3).由表3可見,NO、CO、SO、HC、PM排放量由2011年的4586.5、3563.1、325.7、462.1和36.0t增加至2016年的5332.9、3847.7、369.0和38.3t.2016年相比2011年起降架次增加了13.9%,NO、CO、SO、HC和PM排放量的變化率分別為16.3%、8.0%、13.3%、-11.2%和6.3%.

圖3 不同類型航空器污染物排放量比例

表3 2011~2016年首都國際機場起降架次與年航空器排放量(t/a)

由圖4可見,污染物排放量并未隨著航班起降架次的增加呈現增加的趨勢,而是有較大的波動.污染物排放量年變化率與滑行時間呈現較強的一致性(如圖5).如在2014年,航班起降架次575312,相比2013年的564644架次增加了1.9%,而其滑行時間由31.3min減少至29.5min(減少了約5.5%).在2014年各排放物都有明顯的減少.因此,航空器場面滑行時間是影響污染物排放量的一個非常重要因素.

優化航空器場面滑行效率,減少滑行時間,對減少機場排放量會起到非常積極的作用.以2016年的排放量為基準,假設起降架次不變,滑行時間為2011年的32min,各污染物排放量會增加8.3%~14.0%.如滑行時間減少1min(27min),各污染物排放量會減少2.6%~3.6%;滑行時間減少2min達到ICAO推薦的運行時間(26min)[24],各污染物排放量會減少5.3%~7.1%;如果滑行時間減少到24min,各污染物排放量會減少10.6%~14.3%(如圖6).

圖4 污染物年排放量變化率與起降架次變化率關系