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。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c08741
供稿：环境学院
题图设计：梁晨
编辑：李华山
审核：吕婷
2022年05月07日 10:37:42
