中國(guó)航空器碳排放測(cè)算與演化特征研究*

朱佳琳 胡 榮 張軍峰 朱昶歆 鄭麗君

(南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院 南京 211106)

0 引 言

民航碳排放的準(zhǔn)確測(cè)算是開展民航碳減排工作的前提和基礎(chǔ).國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)民航碳排放的研究已十分豐富，主要涵蓋了航空器碳排放核算方法、特定區(qū)域內(nèi)碳排放量核算等內(nèi)容[1-2].在計(jì)算航空器全航程碳排放時(shí)，由于飛行過程的特征差異，通常將整個(gè)航空器運(yùn)行過程劃分為兩個(gè)階段：起飛著陸(landing and take-off，LTO)階段與爬升巡航下降(climb cruise and descent，CCD)階段.現(xiàn)有研究中，既有單獨(dú)測(cè)算LTO或CCD階段碳排放的，也有測(cè)算全航程碳排放的.LTO階段的碳排放一般基于國(guó)際民用航空組織(international civil aviation organization，ICAO)標(biāo)準(zhǔn)排放計(jì)算模型來核算，Kurniawan等[3]將ICAO標(biāo)準(zhǔn)排放計(jì)算模型與其他國(guó)際組織頒布的核算方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)其他核算模型與ICAO計(jì)算模型相似度很高，且ICAO模型已被廣泛應(yīng)用于LTO階段的碳排放計(jì)算，可靠性高.Stettler等[4-6]學(xué)者均利用此模型估算了特定機(jī)場(chǎng)的LTO階段碳排放量.CCD階段相較LTO階段而言具有涉及范圍廣、數(shù)據(jù)不易獲得等特點(diǎn)，因此這一階段的碳排放核算難度也較大，核算方法更具多樣性.Pham等[7]使用雷達(dá)數(shù)據(jù)、飛行計(jì)劃，以及飛機(jī)特定的空氣動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建較為準(zhǔn)確的航班飛行軌跡，并用弦來表示，弦的起點(diǎn)和終點(diǎn)表示該飛行的有效雷達(dá)位置，通過使用空氣動(dòng)力學(xué)模型對(duì)飛機(jī)位置隨時(shí)間進(jìn)行前向積分來計(jì)算燃料流量和排放，建立了澳大利亞2008年10月—2009年3月的排放清單.Pagoni等[8]基于飛機(jī)性能數(shù)據(jù)庫(kù)(base of aircraft data，BADA)的飛機(jī)性能模型，結(jié)合飛行數(shù)據(jù)獲得飛行路徑的典型高度剖面，以此確定CCD階段的CO2排放，并通過航路網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建排放圖，對(duì)航路網(wǎng)絡(luò)上的污染水平進(jìn)行評(píng)估.但上述的方法只適用于已知具體可用的飛行數(shù)據(jù)的情況下，陳林[9]認(rèn)為，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的碳排放主要取決于發(fā)動(dòng)機(jī)的推力等級(jí)設(shè)置，目前我國(guó)航空公司運(yùn)營(yíng)的主流機(jī)型巡航階段的發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)一般為85%左右，這與飛機(jī)在爬升階段的發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)相同，因此選取爬升工作狀態(tài)下的燃油消耗率作為巡航階段污染物排放量測(cè)算的依據(jù)，這為缺少具體飛行數(shù)據(jù)情況下的CCD階段碳排放核算提供了思路.

縱觀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有文獻(xiàn)，雖然在民航碳排放核算方面取得了豐碩的成果，但仍有以下內(nèi)容值得深入拓展：①國(guó)內(nèi)民航碳排放相關(guān)文獻(xiàn)多集中于“自上而下”(基于總?cè)加拖牧?的核算，“自下而上”(基于具體運(yùn)行數(shù)據(jù))的民航碳排放核算較少；②現(xiàn)有文獻(xiàn)多集中于某機(jī)場(chǎng)或航線的民航碳排放總量的核算，尚未見文獻(xiàn)對(duì)CCD階段碳排放開展省域空間分配研究.因而，本文進(jìn)行了如下工作：①采用“自下而上”基于具體運(yùn)行數(shù)據(jù)的方法，測(cè)算我國(guó)2007—2016年航空器碳排放量；②對(duì)我國(guó)2007—2016年航空器LTO及CCD階段的碳排放進(jìn)行省域分配，以期得到我國(guó)航空器碳排放的空間分布結(jié)果，并以此為基礎(chǔ)研究全國(guó)、區(qū)域，以及省域民航碳排放的分布狀況及演化特征.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文研究的數(shù)據(jù)及其來源主要有：①2007—2016年全國(guó)(除港澳臺(tái))機(jī)場(chǎng)航班運(yùn)行數(shù)據(jù)，來源于航空數(shù)據(jù)和航班信息提供商(official airways guide，OAG)數(shù)據(jù)庫(kù)；②發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)參數(shù)，來源于ICAO飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(kù)(aircraft engine emissions databank)；③全國(guó)(除港澳臺(tái))機(jī)場(chǎng)經(jīng)緯度坐標(biāo)，來源于機(jī)場(chǎng)圖；④大圓航線距離，由兩個(gè)機(jī)場(chǎng)經(jīng)緯度坐標(biāo)計(jì)算得到.考慮到數(shù)據(jù)的不完整性及計(jì)算的便捷性，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理.

1) 對(duì)航班運(yùn)行數(shù)據(jù)的選擇 OAG數(shù)據(jù)庫(kù)中的航班運(yùn)行數(shù)據(jù)包括了在國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)起飛或降落的所有國(guó)內(nèi)和國(guó)際航班，LTO階段的碳排放核算范圍包括了國(guó)內(nèi)和國(guó)際所有客貨運(yùn)航班(國(guó)內(nèi)航班指出發(fā)和到達(dá)機(jī)場(chǎng)均為國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)的航班，不含港澳臺(tái)；國(guó)際航班指出發(fā)和到達(dá)機(jī)場(chǎng)中有一個(gè)為國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)，另一個(gè)為國(guó)外或港澳臺(tái)機(jī)場(chǎng))，但在CCD階段的碳排放核算范圍僅為國(guó)內(nèi)客貨運(yùn)航班.

2) 對(duì)缺失數(shù)據(jù)的處理 在收集各運(yùn)行機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，存在一部分機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)為渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)或ICAO發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)中未包含其匹配發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的情況(具體機(jī)型為：A4F，ANF，ATR，A40，AN4，DH4，AT7，DHT，F(xiàn)50，MA6，SF3，YN7，IL8，S76，AWH，EQV)，由于這部分機(jī)型運(yùn)行頻次占總運(yùn)行頻次比例極低，本文未將這部分運(yùn)行機(jī)型納入計(jì)算與分析.

3) 對(duì)機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的確定 相同的機(jī)型可能相對(duì)應(yīng)的有幾種發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，為便于統(tǒng)計(jì)計(jì)算，每一種機(jī)型本文均盡可能選取國(guó)內(nèi)航司使用數(shù)量較多的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào).本文研究所涉及到的機(jī)型與發(fā)動(dòng)機(jī)匹配情況見表1.

表1 機(jī)型-發(fā)動(dòng)機(jī)匹配表

4) LTO異常數(shù)據(jù)的處理 同一機(jī)型每年在同一機(jī)場(chǎng)的進(jìn)離港架次可能不一致，在LTO階段的計(jì)算中，本文取進(jìn)離港架次的平均值作為各機(jī)型的LTO循環(huán)數(shù).

5) 對(duì)航程距離的簡(jiǎn)化 利用航班出發(fā)和到達(dá)機(jī)場(chǎng)經(jīng)緯度坐標(biāo)之間的大圓航線距離代替航程距離，經(jīng)過驗(yàn)證，大圓航線距離與OAG數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)際航程距離之間的誤差極小，因此，對(duì)航班航程距離簡(jiǎn)化處理帶來的誤差在可接受范圍內(nèi).

1.2 研究方法

1.2.1LTO階段碳排放測(cè)算模型

飛機(jī)在進(jìn)近、起飛,以及滑行階段的排放對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊居民、環(huán)境等有顯著影響.因而，ICAO在附件16第二卷給出了飛機(jī)在混合高度層以下的運(yùn)行(即LTO循環(huán))的排放測(cè)算模型，一個(gè)典型的LTO循環(huán)包括飛機(jī)在3 000 ft以下運(yùn)行的4個(gè)階段：滑行、起飛、爬升和進(jìn)近.并確定了各個(gè)運(yùn)行階段下的推力設(shè)置等級(jí)和工作時(shí)間，以CFM56-7B22發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其基準(zhǔn)參數(shù)見表2.CO2的排放量只與燃油消耗量有關(guān)，其排放指數(shù)通常取常數(shù)3.115(kg/kg).

表2 LTO循環(huán)下CFM56-7B22發(fā)動(dòng)機(jī)基準(zhǔn)參數(shù)

因此，先計(jì)算出總?cè)加拖牧浚俪艘訡O2排放指數(shù)即可得到碳排放總量.LTO階段碳排放總量為

(1)

式中：ELTO為總CO2排放量；mj為j機(jī)型LTO循環(huán)數(shù)；nj為j機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)；i為飛機(jī)的飛行階段；tij為j機(jī)型在第i個(gè)飛行階段運(yùn)行的時(shí)間；Fij為j機(jī)型在第i個(gè)飛行階段的單發(fā)燃油流量；I為CO2排放指數(shù).

1.2.2CCD階段碳排放測(cè)算模型

CCD包括了爬升、巡航和下降三個(gè)階段，各階段的推力水平并不一致，但由于爬升和下降階段都不是標(biāo)準(zhǔn)化的，在核算大量航班的燃油消耗、碳排放量時(shí)就需要做一些假設(shè)[10].因此，本文將CCD階段碳排放的核算簡(jiǎn)化為巡航階段的碳排放核算.

通常情況下，巡航階段的推力設(shè)置參考值為80%[11].本文結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)在LTO階段推力設(shè)置下的燃油流量，比較線性、多項(xiàng)式等擬合方式后，選擇R2最高的二項(xiàng)式擬合計(jì)算得出各發(fā)動(dòng)機(jī)在80%推力設(shè)置下的燃油流量.此外，OAG數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了全國(guó)運(yùn)行航班的運(yùn)行時(shí)間，本文將整個(gè)航班運(yùn)行過程分為L(zhǎng)TO和CCD兩個(gè)階段，參考ICAO設(shè)置的LTO運(yùn)行時(shí)間，即可得到航班在CCD階段的運(yùn)行時(shí)間：

tCCD=tTOTAL-tLTO

(2)

式中：tCCD為CCD運(yùn)行時(shí)間；tTOTAL為總運(yùn)行時(shí)間；tLTO為L(zhǎng)TO運(yùn)行時(shí)間.

因此，結(jié)合航班CCD運(yùn)行時(shí)間、發(fā)動(dòng)機(jī)80%推力設(shè)置時(shí)的燃油流量以及CO2排放指數(shù)就可以計(jì)算得到某航班CCD階段的碳排放量.

ECCD=ntCCDFCCDI

(3)

式中：ECCD為某航班CCD階段的碳排放量；n為航班機(jī)型發(fā)動(dòng)機(jī)個(gè)數(shù)；tCCD為航班在CCD階段的運(yùn)行時(shí)間；FCCD為航班機(jī)型在CCD階段的燃油流量；I為CO2排放指數(shù).

1.2.3碳排放的省域分配方法

根據(jù)航空器的運(yùn)行階段，碳排放可分為L(zhǎng)TO與CCD兩個(gè)階段.為了研究省域的碳排放演化特征，需研究碳排放的省域分配.

1) LTO階段碳排放的省域分配方法 省域范圍內(nèi)所有機(jī)場(chǎng)LTO階段碳排放量的總和即為該省域LTO階段的碳排放.

2) CCD階段碳排放的省域分配方法 目前，尚未見文獻(xiàn)對(duì)國(guó)內(nèi)航班CCD階段的碳排放進(jìn)行省域分配，本文創(chuàng)新性地提出在ArcGIS軟件中，用航班出發(fā)和到達(dá)機(jī)場(chǎng)經(jīng)緯度坐標(biāo)之間的大圓航線代替航班飛行航跡，利用中國(guó)地圖的省界線對(duì)大圓航線進(jìn)行分割，得出航線在經(jīng)過的各個(gè)省域范圍內(nèi)的距離長(zhǎng)度占整個(gè)航線的比例，再將航班CCD階段的碳排放按上述比例進(jìn)行省域分配.

以北京首都機(jī)場(chǎng)(PEK)—成都雙流機(jī)場(chǎng)(CTU)航線為例，整個(gè)飛行過程經(jīng)歷5個(gè)省市，利用上述方法將航線分段可得該航線在各個(gè)經(jīng)過省域的長(zhǎng)度及其占總航線長(zhǎng)度的比例，見表3.

表3 PEK—CTU航線省域長(zhǎng)度占比表

PEK—CTU航線CCD階段的碳排放即可依據(jù)此比例進(jìn)行分配.省域的碳排放可由省域LTO階段碳排放和分配到該省的CCD階段碳排放加總得到.

2 結(jié)果與討論

2.1 全國(guó)視角的碳排放量分析

依據(jù)上述LTO、CCD階段的碳排放計(jì)算公式和數(shù)據(jù)，計(jì)算得出2007—2016年全國(guó)范圍內(nèi)的航空器碳排放量.圖1為2007—2016年全國(guó)LTO、CCD階段碳排放量、全國(guó)碳排放總量以及碳排放總量和運(yùn)輸總周轉(zhuǎn)量的增長(zhǎng)率.

圖1 全國(guó)2007—2016年航空器碳排放總量及增長(zhǎng)率圖

由圖1可知，2016年全國(guó)航空器碳排放總量為1.36×108t，是2007年的3倍，其中，CCD階段碳排放量占總排放量的比例一直維持在90%左右，同樣是2007年的近3倍，而LTO階段碳排放量?jī)H占碳排放總量的10%左右，增長(zhǎng)速度較為緩慢；全國(guó)碳排放總量增長(zhǎng)率與全國(guó)總周轉(zhuǎn)量增長(zhǎng)率趨勢(shì)逐漸趨于一致.

由此可見，由于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、發(fā)動(dòng)機(jī)推力等級(jí)較高等原因，CCD階段碳排放是航空器運(yùn)行過程中的主要排放，發(fā)展綠色民航、有效控制航空器碳排放需從減少航空器CCD階段碳排放入手.

2.2 區(qū)域視角的碳排放量分析

將我國(guó)除港澳臺(tái)外的31個(gè)省(自治區(qū)、直轄市)依據(jù)自然條件、經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)以及對(duì)外開放程度劃分為東部、中部和西部三大地區(qū)，東部地區(qū)包括北京、天津、河北、遼寧、上海、江蘇、浙江、福建、山東、廣東、海南11個(gè)省(直轄市)，中部地區(qū)包括黑龍江、吉林、山西、安徽、江西、河南、湖北、湖南八個(gè)省，西部地區(qū)包括內(nèi)蒙古、廣西、重慶、四川、貴州、云南、西藏、陜西、甘肅、青海、寧夏、新疆12個(gè)省(自治區(qū)、直轄市).各地區(qū)2007—2016年的排放量及占全國(guó)碳排放總量的比例見圖2.

圖2 東中西部地區(qū)碳排放量及占比圖

由圖2可知，10年間東、中、西部地區(qū)碳排放量均逐年增長(zhǎng)，且東部地區(qū)的排放量一直最高，其次為中部、西部地區(qū).但值得注意的是，東部地區(qū)的排放占比從2007年將近50%下降到2016年的40%，與此同時(shí)，中部和西部的占比均有所提升，從占比趨勢(shì)線可以看出三個(gè)地區(qū)之間的排放差異在逐漸縮小.這一現(xiàn)象與國(guó)家實(shí)施西部大開發(fā)等方針戰(zhàn)略有緊密的聯(lián)系，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展也帶動(dòng)了旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加速了人口流動(dòng)，使得中西部地區(qū)航空運(yùn)輸市場(chǎng)得以開拓.

2.3 省域視角的碳排放量分析

根據(jù)碳排放分配方法，得出2007—2016年全國(guó)各省(自治區(qū)、直轄市)碳排放量，其中2016年省域碳排放量見表4.

并將2007、2016年全國(guó)各省(自治區(qū)、直轄市)的碳排放量在ArcGIS軟件中可視化，見圖3.

圖3 典型年份省域航空器碳排放量分布圖

由圖3可知，10年間全國(guó)各省碳排放量均大幅增長(zhǎng)，廣東、山東、江西等省份排放水平一直保持在前列，黑龍江、西藏、青海等省份排放水平較低，而北京、上海雖然機(jī)場(chǎng)的繁忙程度在國(guó)內(nèi)名列前茅，但碳排放量卻處于國(guó)內(nèi)較低水平.

省域內(nèi)碳排放除了在省內(nèi)起降的航班所造成的排放外，還包括了途經(jīng)該省域的航班造成的碳排放.為了深入探究省域碳排放的演化特征，本文將在省域內(nèi)起降的航班LTO及CCD階段在該省域內(nèi)產(chǎn)生的碳排放稱為該省的主動(dòng)排放，其余途經(jīng)其省域的航班CCD階段的碳排放稱為被動(dòng)排放.分別核算各省2007—2016年的主被動(dòng)排放，并計(jì)算各省的主被動(dòng)排放占總排放量的比例，其中，2007年、2016年各省主動(dòng)排放占比見圖4.

圖4 2007、2016年各省份主動(dòng)排放占比圖

結(jié)合圖3～4可知，主動(dòng)排放占比與省份排放總量并非成正比.2007年和2016年上海、北京、黑龍江、云南、海南等地主動(dòng)排放占比均較高，在50%以上；河北、安徽、江西等地的主動(dòng)排放占比則很低，幾乎不到5%.而黑龍江、云南、海南及上海、北京等地主動(dòng)排放占比雖高，碳排放總量卻是國(guó)內(nèi)較低水平；相反，河北、安徽、江西等地主動(dòng)排放占比低，總排放量卻名列前茅.這主要是因?yàn)椋邶埥⒃颇?以及海南等省份均處于我國(guó)邊境地區(qū)，省域內(nèi)途經(jīng)的航班較少，而上海、北京則由于直轄市面積相較其他省份而言較小，且多為始發(fā)/終點(diǎn)航班，途經(jīng)航班CCD階段排放少，因而主動(dòng)排放占比高、排放總量低；河北、江西、安徽等省份處于我國(guó)中部，省域內(nèi)途經(jīng)的航班多，因而主動(dòng)排放占比低、排放總量卻高.

主動(dòng)排放在一定程度上可體現(xiàn)省份航空運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展程度，一般認(rèn)為主動(dòng)排放越多，航空運(yùn)輸業(yè)越發(fā)達(dá).而由上述內(nèi)容可見，省域內(nèi)碳排放量高并不完全代表該省份的航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)達(dá)(如江西、安徽等省份)，同樣，省域內(nèi)碳排放量低也不完全代表該省份的航空運(yùn)輸業(yè)不發(fā)達(dá)(如北京、上海等直轄市)，碳排放量的大小不僅和省內(nèi)航空運(yùn)輸業(yè)是否發(fā)達(dá)有關(guān)，還與其地理位置、省域面積大小有關(guān).數(shù)據(jù)證實(shí)，對(duì)多數(shù)省份而言，主動(dòng)排放對(duì)省份總排放量的影響要低于被動(dòng)排放，這也解釋了為何山東、江西以及一些中部省份能成為航空碳排放大省.因此，在制定減排目標(biāo)時(shí)，要區(qū)分各省主被動(dòng)排放情況，才能科學(xué)、公正、合理地分配民航碳減排任務(wù).

3 結(jié) 論

1) 全國(guó)碳排放總量持續(xù)快速增長(zhǎng) 全國(guó)航空器碳排放總量由4.58×107t增長(zhǎng)至1.36×108t，年平均增長(zhǎng)率達(dá)11.5%，且未見放緩趨勢(shì).

2) CCD階段碳排放占總排放的比例高 相比較LTO階段而言，航空器在CCD階段運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、推力等級(jí)較高，是整個(gè)運(yùn)行過程中的主要排放，平均占據(jù)總排放的90%.

3) 東中西部地區(qū)碳排放占比依次遞減，但地區(qū)間排放差異逐步縮小 東部地區(qū)排放占比由47.14%降至40.19%，中西部地區(qū)占比分別由28.7%、24.16%提升至31.98%、27.82%，體現(xiàn)出中西部民航的快速發(fā)展.

4) 省域碳排放量的大小不僅與省內(nèi)航空業(yè)發(fā)達(dá)程度有關(guān)，還與省份地理位置、省域面積大小相關(guān) 省域碳排放可分為主動(dòng)排放與被動(dòng)排放，主動(dòng)排放量與省內(nèi)航空業(yè)發(fā)達(dá)程度有關(guān)，被動(dòng)排放量則與省份地理位置、省域面積相關(guān)，兩者共同決定省域碳排放總量.

5) 多數(shù)省份主動(dòng)排放占總排放量的比例低于被動(dòng)排放 除上海、北京、黑龍江、云南和海南外，其余省份主動(dòng)排放占總排放量的比例均不足50%，河北、安徽及江西等省份甚至不足5%，分配減排任務(wù)時(shí)應(yīng)區(qū)分主被動(dòng)排放，充分考慮省域碳排放的特征與差異.

未來可對(duì)全國(guó)航空器碳排放的驅(qū)動(dòng)因素進(jìn)行深入研究.