中国国内民航飞机污染排放的时空分布特征研究

碳道小编 · 2019-11-04 09:11 · 阅读量 · 5325

摘要：本文分析了中国国内航班（除港澳台外）飞机污染排放的时空分布特征。

摘要：近年来，飞机污染物排放问题日益凸显。本文分析了中国国内航班（除港澳台外）飞机污染排放的时空分布特征。结果显示，2016年中国国内民航飞机活动产生的CO₂、NO_x、CO、SO_x、HC和PM排放量分别为9468万吨、46.4万吨、8.3万吨、2.6万吨、1.02万吨和0.46万吨。各飞行阶段污染排放分析表明，CO₂、NO_x、SO_x和 PM等排放主要集中在巡航阶段，而CO和HC在巡航阶段和起降循环阶段（LTO）的排放量相当。空间分析表明，飞机在起降循环阶段的排放主要集中在大型机场，飞机在航路上的排放主要集中在京沪、沪深等主要繁忙航路上。研究结果可为今后有效控制飞机大气污染排放提供研究基础。

关键词：民航飞机；大气污染排放；时空分布特征；巡航阶段；起降循环阶段

1 引言

我国民航运输业年均增速持续多年保持两位数高增长，从1980年的航空运输周转量4.29亿吨公里和旅客运输量343万人次增长至2017年的1083亿吨公里、旅客运输量5.49亿人次^[1]。随着民航运输量的快速增长，行业面临的节能减排压力越来越大，其污染排放越来越引起业界关注。根据航空燃料和飞机发动机的工作特点，国际上对航空排放的研究重点为二氧化碳（CO₂）、氮氧化合物（NO_x）、硫化物（SO_x）、碳氢化合物（HC）、一氧化碳（CO）以及颗粒物（PM）等，这些排放物会对区域空气质量和人类健康造成一定的影响^[2] ^[3]。为控制和降低飞机排放的影响，国际民航组织发布了附件16《环境保护》第II卷《航空器发动机的排放物》、第III卷《飞机二氧化碳排放》等^[4]。美国环保局也从多个方面制定了排放要求，1974年制定了黑烟排放标准，1984年制定了HC排放标准，1997年制定了NO_x和CO排放标准^[5]，2005年重新修订了NO_X排放标准^{[6] [7]}。

估算飞机各类大气污染物的排放量，了解排放趋势，明确排放特征，对有效控制污染物的排放具有重要参考价值^[8]。近年来，国内外很多学者对飞机污染排放进行了研究，取得了一些重要的研究成果，但多数研究是针对机场区域的排放，较少考虑航路上的排放问题，对全国范围污染排放则更少^[9]。T.Pejovic等人使用空中交通数据对2004年英国航空造成的CO2总量进行估算^[10]。黄勇等^[11]对1998年旺季的中国上空民航飞机的NOx排放及其分布进行估算。陈林利用ICAO发动机排放数据测算了2011-2016年中国航空运输在LTO和巡航阶段各污染物排放量^[12]。本文通过建立估算模型，对全国航班的飞机污染排放清单和时空分布特征进行了研究。

2 研究方法及数据来源

2.1 研究方法

目前计算航空领域排放的方法主要有3种：欧盟航空排放计算方法^[13]、IPCC移动燃烧源排放方法^[14]和ICAO标准排放量模型方法^[15] [16]。本研究采用欧盟方法对航班排放特征进行分析。根据各阶段排放特征，可以将航班排放分为标准着陆和起飞循环（Landing and Take-off，LTO）阶段和巡航阶段（Climb/Cruise/Descent flight phases，CCD）^[17]。LTO是ICAO实施航空发动机排放审定工作提出的重要概念^[16]，将循环划分为起飞、爬升、进近和滑行或地面慢车4个阶段(不包括巡航阶段)，并定义LTO循环的飞行上限为地面到大气层边界面914m高度内的空间。

全国航班污染排放的计算通常是在不同机型单次航班排放清单的基础上，加总各机型的全年航班量来实现的。本文结合EMEP/EEA排放指导手册及ICAO标准起降循环飞机污染排放的公式^[18]，得出改进的计算模型。如下：

式中，Ep为年度污染物P的总排放量，kg；N为机队中飞机数量；Fi为飞机i的年航班量；∑i,m为飞机飞行各阶段，包括起飞、爬升、进近、滑行和巡航阶段；Tm为飞行阶段持续的时间；ARi,m为飞机i在m阶段的燃油消耗量；EFi,m,p为飞机i在m阶段污染物p的排放因子[19]。

2.2 研究区域和范围

研究的区域为2016年我国境内民用航空218个颁证的民用运输机场（不含港澳台地区）以及国内航线。重点研究的排放物包括CO₂、NO_x、CO、HC、SO_x和PM等。CO₂虽然不属于污染物范畴，但由于其具有显著的温室效应，也被纳入本研究范围。

2.3 数据来源

为了估算全国航班污染排放量，需要获取全国航班数据、执飞机型以及各机型污染物在不同飞行阶段对应的排放因子等数据。其中，飞机发动机数据来自ICAO数据库^[20]和EMEP/EEA数据库^[13]。航线数据来源于IAIA航班计划^[21]。各机型的最大载客量和最远航程等参数来自飞机制造商。目前国内主要机型为B738、A320、A321、A319、B737等，发动机情况如表1所示。

表1 民航典型飞机相关参数

IATA代码	机型名称	发动机数量	发动机类型	常用发动机类型	最大座位数	最大航程（km）
B738	B737-800	2	J	CFM56–7B26, CFM56–7B22, CFM56–7B27	189	5370
A320	A320	2	J	CFM56–5B4/P, V2527-A5	150	5700
A321	A321	2	J	V2533-A5, CFM56–5B3/P	186	5600
A319	A319	2	J	CFM56–5B4/P, V2527-A5	124	6800
B737	B737-700	2	J	CFM56–7B24, CFM56–7B22, CFM56–7B20	140	6230
A333	A330-300	2	J	TRENT 772B-60, PW4168A, CF6–80E1A2	335	10500
A332	A330-200	2	J	TRENT 772B-60, CF6–80E1A3, PW4168A	293	12500
B77W	B777-300ER	2	J	GE90-115B	365	14685
A319	A319	2	J	CFM56–5B4/P, V2527-A5	124	6800

3 结果与讨论

3.1 污染物排放清单

基于模型估算，2016年全国航班（含国内航空公司和国外航空公司的所有航班）飞机活动产生的CO₂、NO_x、CO、SO_x、HC和PM排放量分别为9468万吨、46.4万吨、8.3万吨、2.6万吨、1.02万吨和0.46万吨，见表2。其中，CO₂、NO_x、SO_x和PM的排放量占全国各污染物排放总量的0.83%、2.13%、0.23%和0.04%^[22]。

表2 2016年全国航班飞机活动污染物排放清单

飞行阶段		CO2 （万吨）	NOx （万吨）	CO （万吨）	SOx （万吨）	HC （万吨）	PM （万吨）
LTO阶段		1328	6.1	3.9	0.4	0.5	0.05
巡航阶段	国内航班	4185	20.6	2.9	1.1	0.4	0.2
	国际航班	3667	18.2	1.3	1.0	0.1	0.2
	港澳台航班	288	1.5	0.2	0.1	0.02	0.01
总计		9468	46.4	8.3	2.6	1.02	0.46

3.2 飞行各阶段排放特征

飞机排放总体上与航程呈正相关，航程越远排放越大。巡航阶段污染物的排放与污染物种类、大气环境和发动机推力状态有关，还取决于巡航距离、巡航高度、巡航速度、飞机质量、外界温度偏差等条件。基于典型航班各阶段污染排放特征分析得出，CO₂、NO_x、SO_x和PM等排放主要集中在巡航阶段，约占各自总航程排放量的80%以上，而CO和HC在巡航阶段和起降阶段（LTO）的排放量相当，如图1所示。从统计数据来看，2016年国内城市对之间的航班飞行距离主要集中在1000至1200公里范围内^[23]。

图1 典型繁忙航线单班排放中LTO阶段和巡航阶段排放占比

以国内飞机起降占比最大的B738为例，在ICAO一个标准的LTO排放中，CO、HC的排放主要集中在滑出和滑入阶段，且滑行阶段单位时间排放量远高于起飞爬升和进近着陆阶段，如图2所示^[21]，对于繁忙机场其影响比较大，通过优化滑行路线、推迟飞机开车，可以有效降低CO和HC排放^[24]；NO_x和CO₂的排放主要集中在起飞爬升和进近着陆阶段，通过推广持续爬升和持续进近可以降低NO_x排放。

图2 标准LTO循环中各污染物在不同阶段的分担率

3.3 空间分布特征

3.3.1 机场区域排放

飞机发动机排放污染由于其对地面环境影响的局部性与集中性特点，在大型机场地面及机场附近造成局部地区排放污染物浓度相当高^{[25] [26]}。美国EPA公布的数字指出，在美国，飞机发动机产生的NO_x和CO排放占移动源产生的NO_x和CO总量的2%^[27]。从我国飞机的LTO排放情况看，主要集中在京津冀、珠三角、长三角等城市群中的主要机场^[28]。

2016年全国机场飞机LTO排放的CO₂、NO_x、SO_X、CO、HC、PM分别为1328万吨、6.1万吨、0.4万吨、3.9万吨、0.5万吨、0.05万吨。其中，旅客吞吐量排名前10位的机场污染气体排放约占全国机场飞机LTO排放总量的50%左右。

表3 我国前十大繁忙机场2016年飞机LTO污染气体排放清单

机场	CO2	NOx	SOx	CO	HC	PM	各机场贡献率
首都机场	1226357	6181	327	3194	333	38	10.6%
上海浦东	835690	4140	223	2280	293	27	7.2%
广州白云	712591	3389	190	2060	256	25	6.2%
成都双流	489188	2246	130	1439	206	28	4.2%
上海虹桥	472863	2300	126	1295	155	15	4.1%
昆明长水	455052	1921	121	1394	185	16	3.9%
深圳宝安	458206	2153	122	1237	162	17	4.0%
西安咸阳	403537	1776	108	1238	197	18	3.5%
重庆江北	373759	1628	100	1104	160	17	3.2%
杭州萧山	331596	1485	88	950	136	16	2.9%

可见，京津冀地区机场飞机LTO循环排放的NO_x、SO_x和PM分别占该地区污染物总排放量的0.39%、0.03%和0.003%，长三角地区机场飞机LTO循环排放的NO_x、SO_x和PM分别占该地区污染物总排放量的0.50%、0.05%和0.009%，珠三角地区机场飞机LTO循环排放的NO_x、SO_x和PM分别占该地区污染物总排放量的0.60%、0.08%和0.015%。飞机LTO排放对区域大气污染物总排放的贡献率虽然不大，但也不容忽视，大型机场所在城市情况尤为突出，重视并强化对飞机大气污染物排放的监管，将是未来持续改善空气环境质量的重要内容之一。

3.3.2 航路高空排放

从航路排放情况看，排放量较大的航路集中在我国的重要航路通道上，且方向性特征明显。航线航班的气体排放与执行机型、航程和航班频次等密切相关。表4列出了国内十大繁忙航线的污染物排放清单。

表2 国内十大繁忙航线污染物年排放清单（2016）

航线	物理距离（km）	实际飞行距离（km）	飞行班次（次）	旅客运输量（人）	污染物年排放量（吨）
航线	物理距离（km）	实际飞行距离（km）	飞行班次（次）	旅客运输量（人）	CO₂	NO_x	SO_x	CO	HC	PM
北京-上海	1074	1132	38344	7774448	818953	4559	218	862	83	32
上海-深圳	1210	1378	33910	5057874	451474	2346	120	411	47	25
成都-北京	1557	2471	25122	4968296	764663	4117	204	678	66	37
广州-上海	1173	1260	29043	4906852	547153	2978	146	661	82	23
广州-北京	1875	1948	22120	4679731	910993	5115	243	736	57	42
北京-深圳	1956	2050	23581	4070484	760713	4057	203	573	52	38
成都-上海	1662	1780	22117	3404317	215662	1059	58	201	27	12
广州-成都	1223	1948	18155	2860518	344851	1768	92	351	43	17
版纳-昆明	411	633	23481	2698364	176181	874	47	329	45	6
重庆-上海	1420	1537	18238	2631683	143058	700	38	142	21	7

3.4 不确定性

排放清单计算涉及燃油品质、活动水平和排放因子等众多因素，每个数值的选择都会影响排放清单的准确性^[29]。本次研究选用典型飞机的一个飞行周期进行研究，发动机功率、燃油活动水平均为确定值，故影响该排放清单准确性的主要因素是排放因子的影响，我国并未进行过系统的排放因子研究工作，选用国外的排放因子是不确定性的一个重要来源。此外，飞机巡航阶段排放受巡航距离、巡航高度、巡航速度、载客率等影响，本研究未进行修正，也是不确定性的一个重要来源。为提升民航飞机大气污染物排放清单估算的准确度，建议在后续研究中加强对在用民航飞机大气污染物排放因子实测和实际活动水平的调查，以降低排放清单的不确定性^[30]。

4 结论与建议

（1）根据本研究结果，2016年全国航班（含国内、国外航空公司的所有航班）飞机活动产生的CO₂、NO_x、CO、SO_x、HC和PM排放量分别为9468万吨、46.4万吨、8.3万吨、2.6万吨、1.02万吨和0.46万吨。其中，CO₂、NO_x、SO_x和PM的排放量占全国各污染物排放总量的0.83%、2.13%、0.23%和0.04%。

（2）飞机排放大部分集中在巡航阶段，航程越远巡航阶段占比越大。航程1000公里时，巡航阶段排放占80%左右。飞机在起降循环阶段（LTO）排放中，CO、HC、SO_x和PM的排放主要集中在滑行阶段，滑行时间每缩短1分钟，CO和HC可减排3%；NO_x和CO₂的排放主要集中在起飞爬升和进近着陆阶段，每缩短1分钟，CO₂可减排4%，NO_x排放可减少3%。建议在大型繁忙机场优化跑滑系统，使用地面电源替代APU，试点开展飞机单发滑行，逐渐推广持续进近和持续爬升等空管新技术，以降低飞机排放对区域空气质量的影响。

（3）从我国飞机起降循环阶段排放情况看，主要集中在京津冀、珠三角、长三角等城市群中的主要机场。北京首都、上海浦东、广州白云等旅客吞吐量排名前十位的机场是我国民航飞机起降循环排放最为集中的机场，约占全国机场飞机起降循环排放总量的50%左右，民航飞机起降频繁是其排放集中的最重要因素。

（4）从航路排放情况看，排放较多地集中在我国的重要航路通道上，且方向性特征明显。京沪、沪深等航线是排放最为集中的航线。飞机流量大是其排放集中的最主要因素。据估算，飞机实际飞行距离每缩短1%，单次航班排放总量可降低0.7%左右。建议对繁忙航线进行优化调整，通过开辟临时航线等措施缩短航路距离。

（5）飞机在LTO阶段排放中，CO、HC的排放主要集中在滑行阶段，滑行时间每缩短1分钟，CO和HC可减排3%；NO_x和CO₂的排放主要集中在起飞爬升和进近着陆阶段，进近时间每缩短1分钟，CO2可减排4%，NO_x排放可减少3%。建议在大型繁忙机场优化滑行路线、推迟飞机开车，并试点开展飞机关发或单发滑行。同时，逐渐推广持续进近和持续爬升等空管新技术。

（6）尽管飞机污染排放在全国及各区域污染排放中的占比相对较低，但将对机场周围区域空气质量造成一定的影响，应予以关注。重视并强化对飞机大气污染物排放的监管，将是未来持续改善空气环境质量的重要内容之一。

参考文献（略）

本文发表于2019年10月《综合运输》

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