城市客運交通規劃的碳排放估算方法

金 昱，蘇紅娟

（上海市城市規劃設計研究院，上海 200040）

0 引言

降低交通運輸活動碳排放是一個復雜的系統工程，涉及規劃、建設、運營、管理等各個階段。在規劃階段對交通碳排放量進行合理計算，有助于從交通和用地一體化角度提前規避高排放空間布局模式，減少高排放交通出行方式占比。為了從碳排放的視角評估交通規劃方案的優劣，更好地指導規劃編制，亟需開展規劃階段交通碳排放估算方法研究。

聯合國政府間氣候變化專門委員會發布的《2006 IPCC 國家溫室氣體清單指南》[1]（以下簡稱《IPCC 指南》）為各個國家和地區開展現狀碳排放計算提供了詳細的操作方法和規則。根據《IPCC 指南》，現狀交通運輸活動碳排放計算方法主要有兩類：一類是“自上而下”法，通過匯總計算各種類型燃料使用量和對應的碳排放因子進行計算；另一類為“自下而上”法，通過匯總計算不同交通方式活動量和對應碳排放因子進行計算[1]。目前學界針對規劃階段碳排放的計算仍處于探索階段，尚未形成相對成熟的方法。如，葉祖達在針對低碳城市規劃碳排放量評估方法的研究中，提出規劃年基于公交車和小汽車平均運輸距離和碳排放強度的估算方法[2]；王雅捷等提出規劃年交通碳排放由城市客運碳排放、城際客運碳排放和貨運碳排放構成[3]；鄭德高等提出基于規劃年不同交通工具平均通勤距離和碳排放系數的估算方法[4]；Hiroko 等在預測規劃年路網交通運行狀況的基礎上，開展了規劃年道路網碳排放計算[5]；Gan 等基于綜合移動源排放（Motor Vehicle Emission Simulator,MOVES）模型，開展了規劃道路交通碳排放預測，探討了路網方案、車流量、車速分布、車輛類型、能源類型等對規劃年碳排放的影響[6]。整體來看，國外研究更多關注道路交通規劃方案的碳排放預測，但對于客運交通的整體性分析略顯不足；國內研究更多聚焦于規劃年碳排放估算，而對規劃年碳排放因子的影響因素、取值等分析相對有限。從支撐客運交通規劃編制角度，僅僅估算道路交通碳排放量是有局限的，無法有效發揮客運交通規劃在道路交通、軌道交通等各類客運交通方式規劃方案上的統籌作用，需要以客運交通的整體視角分析各類型客運交通方式及其碳排放。同時，從更加合理地計算規劃交通碳排放的角度，應在對現狀各類型客運交通工具碳排放因子分析的基礎上，充分考慮未來科技進步對交通工具碳排放因子的影響。

基于以上分析，為了在城市客運交通規劃階段合理計算規劃年碳排放量，提高規劃方案編制的科學性，本文擬以上海城市客運交通為例，借鑒《IPCC 指南》現狀碳排放計算方法，按現狀參數標定、規劃參數推算、規劃排放預測三個步驟估算未來交通碳排放。首先基于現狀客運交通運營數據，標定現狀城市客運交通活動量和碳排放量間的相互關系，進而結合科技發展趨勢，梳理影響客運交通工具能耗強度因子和碳排放強度因子的相關因素，在此基礎上結合城市客運交通規劃方案，采用多情景分析法，估算未來城市客運交通活動量以及對應的交通能耗、碳排放情況。

1 交通碳估算三階段法

1.1 計算公式

考慮到城市客運交通規劃階段較難估算各類交通能源的使用量，而在規劃編制前期研究階段通常會對交通出行需求、交通方式結構等開展定量預測，因此本研究參考《IPCC 指南》基于交通活動量“自下而上”的現狀碳排放計算公式，提出規劃年城市客運交通碳排放基本估算公式：

式（1）中：Q為規劃年城市客運交通碳排放量（tCO2）；Ti為規劃年第i種交通工具的活動水平，可用交通周轉量、運營里程等指標表征；N為城市客運交通工具類型數，本文取N=10；fi為規劃年第i種交通工具的碳排放因子；f1i為規劃年第i種交通工具單位活動量的能耗強度因子；f2i為規劃年第i種交通工具單位能耗的碳排放強度因子。

1.2 計算步驟

基于以上規劃年城市客運交通碳排放基本估算公式，按照現狀參數標定、規劃參數推算、規劃排放預測3 個步驟對交通碳排放進行估算，如圖1所示。

圖1 規劃階段交通碳排放估算流程示意圖

首先基于現狀不同類型交通工具數據，分別建立交通活動量、能耗強度因子、能耗間的定量關系，以及能耗、碳排放強度因子、碳排放間的定量關系。其中，能耗強度因子主要與不同類型交通工具日常行駛過程中平均能源消耗情況相關；碳排放強度因子主要與能源類型相關。隨后，綜合考慮科技發展趨勢，對相關規劃參數進行合理推算：能耗強度因子方面，主要考慮未來交通工具技術進步帶來交通工具能耗降低，進而修正得到規劃年能耗強度因子f1i；碳排放強度因子方面，主要考慮未來能源結構改變和能源技術進步引起單位能耗產生的碳排放水平降低，進而修正得到規劃年碳排放強度因子f2i。最后，基于交通規劃方案預測規劃年不同交通工具活動量、能耗值和碳排放量。

2 現狀參數標定

本文以上海城市客運交通為例，基于燃油和電動私人小客車、出租車、公共汽（電）車，軌道交通、輪渡、摩托車、助動車等10種代表性城市客運交通工具的數量、平均行駛距離、日行駛距離和單位活動量能耗等計算各自對應的年碳排放量（本文僅計算CO2排放量，下同），結果如表1所示。為了計算方便，研究假設現狀清潔能源小客車、大客車均為純電動模式，不考慮油電混合情況，輪渡、摩托車均為燃油模式，助動車為電動模式。

表1 上海城市客運交通現狀碳排放估算表

表1 （續）

根據表1 中的估算數據，得出2020 年上海客運交通碳排放量約為1 118.7萬t，其中私人小客車碳排放占比約為76.1%，出租車約為7.7%，軌道交通約為8.9%，公共汽（電）車約為5.2%，助動車約為1.8%，摩托車約為0.2%，輪渡排放量很小，不足0.1%，如圖2 所示。根據《2021 年上海市綜合交通運行年報》[7]，2020年上海交通碳排放量約為4 814 萬t，較2019 年降低約為13%，其中客運交通碳排放量約為1 107 萬t，約占全市交通碳排放量的23%。邵丹等人計算了2019年上海客運交通碳排放量約為1 290 萬t，其中私人小客車碳排放占比約為77%，軌道交通約為9%，出租車約為9%，公共汽（電）車約為5%，輪渡、摩托車和助動車占比未予明確[11]。經比對發現，根據本次計算得出的上海客運交通碳排放值及各子類型排放占比情況與相關報告和研究成果較為接近，由此推斷上述計算過程中對于上海各類客運交通方式交通活動量的估算、各類交通工具單位活動量能耗值的估算相對合理。

圖2 現狀上海不同類型城市客運交通碳排放估算占比

3 規劃參數推算

3.1 能耗強度因子修正系數

3.1.1 道路交通工具

綜合考慮汽車車輛技術、節能技術發展等因素，中國汽車工程協會預計到2035年乘用車銷售量中傳統能源動力汽車和新能源汽車將各占50%。在能耗方面，預計至2035 年，傳統能源乘用汽車（不含新能源汽車）新車平均油耗可降低至0.04L/km，乘用車（含新能源）新車平均油耗可降低至0.02L/km；與此同時，客車油耗有望較2019 年下降20%～25%，預計到2035 年技術領先的車長12m 的純電動客車綜合工況電耗將小于0.55kW·h/km[8]。上述行業預測值可作為規劃年私人小客車、出租車、公共汽車能耗強度因子的參考。

3.1.2 軌道交通

軌道交通主要涉及列車牽引用電和設施設備用電，可借鑒上海市地方標準《城市軌道交通合理用能指南》（DB 31T 676—2012）提供的線路級牽引系統能耗指標先進值1.711kW·h/標準車公里[12]和現狀上海軌道交通線路中牽引能耗較小的幾條新建線路（如17 號線1.956kW·h/標準車公里，9 號線1.752kW·h/標準車公里[8]），估算規劃年能源使用量。

3.1.3 輪渡

根據上海輪渡運營企業調研數據，上海輪渡現狀主要采用柴油作為動力，未來新能源動力輪船有望全面替代傳統燃油輪船。本研究選用載客人數為270 的純電動客渡船作為典型船型，其每公里耗電為15.5 度左右，用于估算規劃年輪渡能源使用量。

3.2 碳排放強度因子修正系數

考慮到化石能源燃燒技術的日漸成熟，同一類型的化石能源產生同樣能量所排放的二氧化碳量差別變化幅度有限。因此本節重點分析電力能源變化對碳排放強度因子的修正。火電、水電、核電、風電、太陽能發電是當前我國電能的主要來源，電網排放因子的大小主要與當地電網內各種類型的電力來源結構配比相關。根據《中華人民共和國2020年國民經濟和社會發展統計公報》，2020 年末全國發電裝機容量為22.0 億kW，其中火電裝機容量占比約56.6%，較2015 年64.0%下降超7%[13]。現狀我國火電比例仍較高且煤炭使用比例較高，導致電網排放因子相對較高。根據中共中央、國務院印發的《關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》，到2030 年非化石能源消費比重將達25%左右，到2060 年非化石能源消費比重將達80%以上[14]。歐洲環境署（European Environment Agency,EEA）統計數據顯示，歐盟生產單位電力產生的CO2已 由1990年的509g/kW·h 降低至2017年的296g/kW·h，降幅近58%，其中法國已由1990 年的210g/kW·h降低至2017年的67g/kW·h；英國已由1990年的681g/kW·h降低至2017年的269g/kW·h；可再生能源比例較高的瑞典、挪威等國，甚至已經降低至10g/kW·h 以下[15]。在一項針對我國香港電力部門凈零排放路徑的研究報告中[16]，研究人員開展了使用可再生能源、引入內地清潔電力、使用核能、使用氫能源、碳捕獲與封存等不同能源技術組合的多情景預測，認為隨著可再生能源占比的大幅提高，生產單位電力的碳排放將大幅降低，預計當地電網排放因子可從2020 年429g/kW·h降至2050年的30g/kW·h 以下。類似地，隨著更多的風電、光電等清潔能源電力的接入，我國其他地區的當地電網排放因子也有望合理降低。

4 規劃排放預測

4.1 交通活動量估算方法

各類交通工具活動量是交通碳排放估算的關鍵指標。傳統客運交通規劃編制階段主要涉及出行總量、方式結構等指標的預測，與碳排放測算所需的各類交通工具活動量數據相比，還不夠全面。如果在規劃編制過程中同步搭建四階段交通需求模型，可以直接獲取交通工具活動量，否則需要合理估算不同交通工具的數量和平均出行距離，進而估算交通活動量。考慮到國內交通需求模型尚未全面推廣，本研究將以未建設交通模型作為前提開展碳排放估算研究。

本研究將城市客運交通根據服務類型劃分為兩類，一類是政府提供定時定點服務的公共交通，包括常規公交、地鐵、輕軌、市域鐵路、有軌電車、輪渡等；另一類是更體現私人出行特征的客運交通，以小客車、摩托車、助動車為主。公共交通工具的交通活動量主要由網絡規模、服務水平等因素決定，高峰時段服務頻率與高峰時段需求相關，平峰時段即使客流量不足，也需要提供一定頻率的公共交通服務；私人交通工具的交通活動量則更多與個體交通需求相關。因此，兩類城市客運交通在計算方法上略有差異。假設規劃年公交車、出租車、輪渡全面實現電動化，摩托車仍為燃油模式，則不同交通方式活動量的具體計算公式如表2所示。

表2 規劃年不同交通工具活動量預測方法

表2 （續）

4.2 碳排放預測多情景分析

本文將涉及客運交通規劃階段碳排放的影響因素歸并為職住空間結構、交通方式結構、清潔能源應用3 類，并依次選取居民出行距離、公共交通出行占比以及私人小客車電動化比例和當地電網排放因子3 個關鍵指標代表3 類影響因素，開展碳排放預測多情景分析。各情景下碳排放量計算結果如表3所示。

表3 上海城市客運交通規劃碳排放預測多情景分析表

（1）職住空間結構方面。基準情景維持現狀各類交通方式出行距離，增強情景通過加強職住平衡、產城融合，合理控制出行長度，將各類交通方式出行距離縮短10%。

（2）交通方式結構方面。基準情景堅持對于個體機動出行適度發展，合理管控車輛使用率，交通方式結構達到公共交通出行占比40%，慢行交通出行占比40%，私人小客車等占比20%的發展目標；在增強情景下，通過交通政策引導，降低個體機動出行比例，私人小客車等占比降低至16%，公共交通服務水平進一步提高，公共交通出行比例提升至44%，慢行交通比例維持不變。

（3）清潔能源應用方面。基準情景公交車、出租車等公共交通工具全面實現電動化，私人小客車電動化比例達到35%左右，維持現狀電網碳排放因子；在增強情景中，私人小客車電動化比例增至38.5%，同時設定當地電網排放因子降低10%。

基準情景下，預計2035年全市城市客運交通碳排放量約為865 萬t，在職住空間結構增強情景中，居民出行距離縮短10%可導致碳排放量降低8.5%左右；在交通方式結構增強情景中，公共交通方式占比增長10%可推動碳排放量降低近6.5%；在清潔能源應用增強情景中，私人小客車電動化比例增長10%和當地電網排放因子降低10%兩個指標疊加影響下，可實現碳排放降低約9.1%；僅僅依靠私人小客車電動化比例增長10%或當地電網排放因子降低10%，可分別降低碳排放1.9%和7.0%。可以看出，3 類因素對于交通碳排放均有整體性減碳降碳作用。在清潔能源應用方面，私人小客車電動化比例增長和當地電網排放因子降低兩個要素協作可取得最好的減碳效果，碳排放對其的彈性高達0.91；縮短出行距離的減碳效果明顯，碳排放對其的彈性達0.85；提高公交出行比例的減碳效果亦較為明顯，碳排放對其的彈性為0.65。

5 結語

本文以上海城市客運交通為研究對象，借鑒IPCC 現狀交通碳排放“自下而上”的計算方法，提出基于規劃年交通活動量和碳排放因子預測的碳排放估算公式和現狀參數標定、規劃參數推算、規劃排放預測三階段碳排放估算方法。在此基礎上，立足“上海2035”總體規劃用地空間布局和城市客運交通需求預測，從職住空間結構、交通方式結構、清潔能源應用3 個方面開展客運交通碳排放的多情景預測。研究以居民出行距離、公共交通出行占比以及私人小客車電動化比例和當地電網排放因子3 個指標代表上述3 方面因素進行多情景預測。結果顯示，3 個指標均可減少客運交通碳排放，按從高到低的順序，碳排放對私人小客車電動化比例和當地電網排放因子、居民出行距離、公共交通出行占比3 個因素的彈性分別約為0.91,0.85,0.65。

鑒于本研究收集的數據局限于城市客運交通，因此研究僅對城市客運交通的規劃碳排放進行了分析和計算。從綜合交通系統完整性角度，未來應進一步收集貨運交通、對外交通相關的運營數據和排放數據，開展涵蓋客運和貨運、城市交通和對外交通的規劃年城市綜合交通系統碳排放測算研究，更好地指導綜合交通體系規劃的編制。