环境学院张少君团队构建新航空排放模型 揭示中国民航二氧化碳和污染物排放特征

近日，清华大学环境学院张少君助理教授团队在航空环境影响领域取得新进展。团队研究开发了基于真实飞行轨迹的航空排放模型，对飞行全阶段的四维空间(时间、经度、纬度和高度)排放特征进行精细刻画;引入真实的航空飞行轨迹信息，从而显著提高航空排放清单的准确性和四维空间分辨率;大幅改善传统的大圆轨迹简化方法的理想设定带来的排放模拟误差。该排放模型可以拓展用于全球航空排放的衡量，进一步为量化航空对空气质量、健康和气候的影响提供重要的数据基础。

图1 研究入选《环境科学与技术》(ES&T)期刊封面文章

在全球化经济增长的背景下，航空运输需求激增。2000年以来，中国的民用航空客运量增长了12倍，增速位列世界主要经济体前列，预计很快将成为世界最大的航空市场。为了解中国航空排放的环境影响，团队研究开发了基于真实飞行轨迹的航空排放模型，构建了覆盖全飞行阶段的高时空分辨率中国航空业CO2和多污染物排放清单。

研究表明，2018年中国民航客运部门的燃油消耗量为3720万吨，CO2排放量为1.17亿吨(图2)。污染物方面，NOX排放753.7千吨，碳氢化合物(HC)排放19千吨，微颗粒物(PM)排放2.4千吨。CO2排放前五位的国内航线是北京-广州、北京-上海、北京-深圳、北京-成都和上海-深圳，单日CO2排放量可达2.2千吨～3.1千吨。国际航空CO2排放量中，亚洲航班所占比例最大，占43%(其中，日本占7.9%，泰国占7.8%，韩国占4.2%)，其次是北美(25%)和欧洲(23%)。

图2 中国航空业CO2排放的空间分布和国际航线的起终点(O-D)关系

本研究将开发的基于真实飞行轨迹的模型(ADS-B模型)与传统的基于大圆轨迹的简化航线模型(GCAP模型)比较(图3)。对短途航班的模拟结果表明，GCAP模型显著低估了15%～19%的燃油消耗和25%～28%的NOX排放量。差异最大的是巡航阶段，GCAP模型低估了20%～28%的燃油消耗和32%～39%的NOX排放。研究发现，差距主要来自飞机的飞行姿态，ADS-B实际轨迹的巡航高度通常比GCAP模型仿真的理论巡航高度低10%～15%，这导致巡航速度降低，从而持续时间更长。GCAP模型中较高的巡航高度造成较低的燃油消耗率(～15%)，这进一步降低了NOX排放因子(～16%)。另外，ADS-B模型能够真实捕捉阶梯式下降的真实航姿，其排放的空间分布与GCAP模型分布差别突出。本研究进一步将GCAP模型中的巡航速度和巡航高度从理想值调整为实际轨迹ADS-B的结果，两种方法之间的燃油消耗量和NOX排放量之间的差距可大幅缩小至6%以内。剩余差异来自于实际飞行信息(如气象)修正和其他阶段差异(如阶梯式下降)，目前GCAP模型仍难以反映这些复杂问题。

图3 GCAP和ADS-B模型的轨迹、飞行持续时间、燃油消耗和NOX排放比较

研究结果表明，航空业燃油消耗和CO2排放在垂直分布上呈现两个高峰：1km以下和8km～12km之间(图4)。国内航班的巡航阶段排放主要分布在8km～10km之间，国际航班的则主要分布在10km～12km之间。污染物的分布则受到生成机制的影响。其中，NOX受热力型机制主导，与CO2的分布相似，而HC则受不完全燃烧的低负荷机制主导，在低空阶段的比例显著高于CO2。国内航班起飞着陆(LTO)阶段(<914米)的燃油消耗占12%～15%，巡航阶段占56%～59%。由于ADS-B数据的LTO持续时间比推荐值长，LTO阶段的占比高于以往的研究(5%～10%)。

图4 中国航空的燃油消耗和污染物排放的垂直分布

目前，中国采用的《非道路移动污染源排放清单编制技术指南》中的民航LTO阶段排放计算方法基于起降循环次数，不区分机型和运行时间。本研究发现不同机场之间单次LTO循环的排放差异很大，可达2～4倍，造成差异的主要原因在于机队构成。这就使得《非道路移动污染源排放清单编制技术指南》中单一的平均指标难以反映具体机场的特征。以北京首都国际机场(PEK)为例，由于承担了大量的国际航线和国内干线运输任务，其宽体机占比较高，因此，单次LTO循环的NOX排放量约为指南推荐平均值的2倍，直接采用指南值将造成较大程度的低估。

该研究以“基于真实飞行轨迹构建中国航空业高分辨率排放清单”(Developing a high-resolution emission inventory of China’s aviation sector using real-world flight trajectory data)为题，于2022年5月3日在环境领域旗舰期刊《环境科学与技术》(Environmental Science & Technology)上正式发表，并入选为该期封面文章之一(Supplementary Cover)。

论文第一作者为清华大学环境学院2017级博士生张敬然。论文通讯作者为清华大学环境学院张少君助理教授。环境学院吴烨教授、郝吉明院士，苏黎世联邦理工学院王京(Wang Jing)教授和张小乐(Zhang Xiaole)博士等在结果讨论等方面提供了重要帮助。研究得到了国家重点研发计划等项目的资助。

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