首都国际机场飞机排放清单的建立

徐 冉,郎建垒,杨孝文,程水源,吕 喆



首都国际机场飞机排放清单的建立

徐 冉,郎建垒,杨孝文,程水源*,吕 喆

(北京工业大学,区域大气复合污染防治北京市重点实验室,北京 100124)

将基于标准起飞着陆(LTO)循环各阶段工作时间的飞机排放量计算方法加以改进,利用AMDAR资料计算飞机的有效排放高度,进而准确计算出基于逐架飞机的大气污染物排放总量.结果表明,首都国际机场2013年飞机NO、CO、HC、SO2和PM2.5排放总量分别为7042.1t、3189.9t、295.3t、429.4t和150.4t.与传统的基于LTO循环的方法相比,修正后的首都机场飞机NO、CO、HC和SO2排放增加了23.5%、2.3%、2.1%和18.1%.飞机排放的CO、HC、SO2和PM2.5月变化较小,NO排放受飞机有效排放高度影响月波动较大.1~2月飞机污染物排放量处于全年最低水平,8月各污染物排放达到峰值.此外,飞机在爬升和滑行/慢车两种模式下污染物排放比例最大,分别占排放总量的37.7%与36.8%.

首都国际机场；飞机；大气污染物；排放清单

当前,交通运输业是我国大气污染物的重要来源之一,道路交通、火车运输、内河航运在一定程度上对大气环境和气候变化有显著影响[1].中国民航业正在经历一个飞速发展阶段,公报显示2013年我国机场旅客吞吐量75430.9万人次、货邮吞吐量1258.5万t,分别是2005年的2.65倍和1.99倍[2].飞机的能源消耗和废气排放量相当惊人,世界最大的双层运输客机——空中客车A380可以运载550名旅客,其发动机功率约等于3500辆轿车,相当于在航空旅行途中每名乘客同时乘坐6辆轿车.而一架喷气式客机从英国伦敦飞往澳大利亚悉尼消耗的汽油约为400辆越野车各自行驶1.6万km的能源消耗量,因此商用飞机能源消耗及相应的人均废气排放量已远远高于任何一款汽车[3].此外,Isaksen等[4]在20世纪末首次发现亚音速飞机排放的NO等大气污染物能够改变对流层中O3和凝结尾迹的生成从而引起气候变化.Lee等[5]发现航空排放尾气(CO2、NO、颗粒物等污染物)对大气气溶胶辐射强迫效应有突出贡献.由此可见,飞机污染物排放已逐渐成为影响空气质量的重要贡献源.

建立污染物排放清单是评估大气污染、模拟空气质量、制订污染控制措施及相关法规的基础且高效的途径之一[6-7].目前,我国对于机场大气污染物排放的研究尚处于起步阶段,仅有广州白云机场、上海浦东机场等少数机场建立了初步的飞机排放清单[8-10].为此,本文选取国内最繁忙的国际空港——北京首都国际机场,以2013年为基准年建立飞机排放清单,以期为复合型大气污染研究提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区域与对象

北京首都国际机场是我国地位最重要、运输生产最繁忙的大型国际航空港.2013年旅客吞吐量达到8371.2万人次,货邮吞吐量184.3万t,全年航班起降达56.8万架次,连续4年稳居世界第二,仅次于美国亚特兰大哈兹菲尔德国际机场[2].其位于北京市顺义区天竺镇,距离市中心25.4km.机场基准点为40°04.4'N、116°35.7'E,海拔高度35.3m.本文以首都机场的民用航空飞机为研究对象,2013年为基准年,研究的大气污染物包括CO、NO、HC、SO2和PM2.5.

1.2 估算方法

飞机的飞行过程一般分为起飞着陆(LTO)循环和巡航阶段.因此,飞机排放估算也相应地从两方面进行:一是估算基于机场活动飞机排放的地面大气污染物,二是估算巡航状态排放的以NO为主的气态污染物.国际民航组织(ICAO)规定,飞机在机场的活动可由LTO循环描述,一个理想的LTO包括进近、滑行、起飞和爬升4个工作模式.其中,爬升模式被定义为起飞结束至飞机冲到大气边界层顶部3000英尺(约915m)的高度[11].有研究表明,飞机在机场的活动是机场污染排放的根源[3],飞机冲出大气边界层后对人类生活环境的影响较小,所以本文仅考虑飞机在边界层以内的排放,不包括巡航阶段.影响飞机排放的决定性因素包括:①飞机类型(机队组成,飞机/发动机匹配状况);②发动机类型;③边界层高度;④发动机工作模式(推力设置);⑤每种模式的燃油消耗率、排放因子及运行时间.

目前,国内外一般的计算方法是采用ICAO推荐的标准LTO循环各阶段工作时间估算从地表到大气边界层顶部高度约915m之间的飞机排放.这种定义固定高度的计算方法忽略了大气边界层高度实时变化的客观性.本研究充分考虑了大气边界层高度随时间的变化,结合AMDAR资料对日最大边界层高度进行计算,从而更准确地确定飞机有效排放高度;进一步分阶段估算飞机的排放量,得到改进后的计算模型.

1.2.1 计算模型 本文主要采用排放因子法计算飞机的排放,各阶段排放因子选自ICAO推荐的发动机数据库.但由于其中不包含PM2.5,基于前期大量文献[12-18]调研,目前尚未发现各类型发动机PM2.5不同模式下的排放因子,无法分阶段对其进行估算,因此本研究依据我国《非道路移动源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[19]中的指导方法,另外采用LTO循环数估算PM2.5的总体排放.飞机排放的大气污染物总量计算公式如下:

式中:E为首都国际机场飞机污染气体排放总量,g;E为污染物在工作模式下的排放量, g;为飞机PM2.5排放总量,g;为污染物类型(包括NO、CO、HC、SO2);为发动机工作模式.

各模式飞机污染气体排放量计算见下式:

式中:E为飞机污染气体在工作模式下的排放量,g;n为型飞机的发动机数量,台;F为型飞机在模式下的燃油消耗率,kg/s; EI为型飞机在模式下污染物的排放因子,g/kg;t为型飞机在模式下的工作时间,s;为飞机类型;其他符号同上式.其中,起飞、滑行模式的工作时间采用本地化LTO循环规定时间.进近和爬升模式的实际工作时间基于将ICAO定义的大气边界层高度915m折算成有效排放高度后进行计算,具体见式(3):

式中:t为型飞机在进近、爬升模式的实际工作时间,s;t为对应模式ICAO所规定的标准时间,s;H为型飞机的有效排放高度,m;为进近、爬升模式.

对于飞机PM2.5排放,基于LTO循环计算:

=LTO×EIPM2.5´103(4)

计算过程中,首先根据式(3)计算得到某型飞机进近、爬升模式的实际工作时间;再根据首都机场各类型飞机的燃油消耗率、排放因子和LTO循环次数,按式(2)和(4)计算得到飞机在各模式下NO、CO、HC、SO2和PM2.5排放量;最后根据式(1)得到首都机场飞机排放的大气污染物总量.本文用Matlab语言编程,所有计算由计算机程序完成.

1.2.2 参数来源及确定 大气边界层会随着气象条件的不同而发生变化.Davies等[20]通过统计探空资料发现日混合层高度在500~2000m范围内波动.边界层高度早晚较低,在14时左右达到最高.对于飞机排放而言,在边界层达到最高之前边界层以上的污染也会随着高度的抬升而扩散,影响大气环境.因此,本文在研究中将日最大边界层高度定为飞机的有效排放高度.由于白天混合层高度近似于边界层高度,可利用较易获取数据且相对准确的干绝热线法确定日最大混合层高度近似作为日最大边界层高度来计算飞机相关排放.

本文基于飞机气象观测(AMDAR)数据所确定的8时探空温度廓线,结合机场跑道气象站提供的日地面最高温度,通过干绝热线法对2013年首都国际机场每日最大混合层高度进行了计算, 图1为月均变化.

我国民航在役航空器类型繁多,以波音和空客系列为主流机型[21].本文通过收集整理2013年飞机进出港型号和架次,图2统计了首都国际机场常见机型及其起降架次比例.

由于飞机的制造时间不同,所属航空公司不同,飞机与发动机匹配并不固定,一种型号飞机可能对应多种型号发动机.在对飞机制造商和国内外相关文献进行充分调研的基础上,本文建立了不同航空器与各类发动机的对应关系,应用ICAO推荐的发动机排放数据库中各工作模式下的燃油消耗和污染物排放指数值,对同一机型的不同发动机组成进行加权平均,得到首都国际机场飞机排放因子数据库.飞机排放的污染物不仅含有发动机排放数据库中所提供的HC、CO、NO,还应包括SO2.假设航空煤油中的硫在燃烧过程中全部与氧结合生成SO2[22],可见SO2的排放指数仅依赖于航空煤油成分,与发动机性能无关,此处根据MEET计划选取为1g×kg-1[23].表1为排放因子(部分).

表1 首都国际机场飞机排放因子数据表(部分) Table 1 Factor of emissions from commercial aircraft in Beijing Capital International Airport

飞机在机场的全部活动过程可以由起飞、爬升、进近和滑行/慢车四个阶段来描述.ICAO规定了标准LTO循环各阶段的工作时间,如表2所示.本文依据首都机场长期飞行数据得到,飞机在滑行/慢车阶段实际工作时间为26min,其中包括进港滑行9min以及出港滑行17min.

表2 LTO循环下各阶段的工作时间(min) Table 2 LTO cycle in terms of time spent in the specific modes (min)

注:“-”为无固定时间,需根据公式(3)计算.

2 结果与讨论

2.1 大气污染物排放量

表3 2013年首都国际机场飞机大气污染物排放清单与国内外其他机场的对比(t) Table 3 Aircraft emissions of Beijing Capital International Airport in 2013 compared with other airports at home and abroad (t)

注: “ [a]”按VOCs排放量的(1.15)-1进行折算[13].

本文通过文献调研、实地调查等手段获取直接、高精度的首都机场飞机进出港活动水平,首先采用传统的基于LTO标准循环的方法估算,再依据上述改进模型进行估算,分别得出飞机大气污染物排放清单(表3).2013年,首都机场飞机的NO、CO、HC、SO2和PM2.5排放量依次为7042.1、3189.9、295.3、429.4和150.4t,占排放总量的63.4%、28.7%、2.7%、3.9%和1.3%.其中,NO和CO的贡献尤为突出.由于首都机场飞机起降活动频繁,高峰时段日均起降航班可达1600多架次,航空运输飞速发展导致了机场区域非道路移动源污染物排放迅猛增加.对比结果可知,修正后的首都机场飞机NO、CO、HC和SO2排放分别增加了23.5%、2.3%、2.1%和18.1%,各污染物的估算结果均高于传统方法,差异主要体现在NO和SO2.这是由于改进模型充分考虑了飞机有效排放高度随大气边界层高度发生变化,导致飞机在爬升和进近模式的实际工作时间并不固定,同时考虑了飞机的本地化进、出港滑行时间,而传统方法直接采用ICAO推荐的标准LTO循环各阶段工作时间对排放量进行估算.

针对不同机场间的飞机排放情况进行比较,如表3所示.对比国外可知,本研究结果高于土耳其的伊斯坦布尔(Ataturk)和安塔利亚(Antalya)机场,低于美国亚特兰大机场.与国内相比,首都机场的飞机污染物排放量均大于上海浦东、深圳宝安和广州白云机场的研究结果,其NO排放量呈逐年上升趋势.各民航机场飞机排放总量的大小与对应的LTO循环数排序基本相同,说明首都机场的飞机估算量处于较为合理的水平.

2.2 飞机排放特征分析

2.2.1 各阶段排放分布 进一步分析了飞机排放量与运行模式的关系,结果表明不同工作模式下污染物排放比例差异较大.由图3可以看出在LTO循环中,起飞、爬升、进近与滑行/慢车模式所排放的大气污染物分别占飞机排放总量的13.7%、37.7%、11.8%与36.8%,其中,爬升和滑行/慢车两种模式污染物排放最大.对于不同污染物,NO排放主要集中在爬升阶段,占该污染物总排放量的55.6%,进近、滑行/慢车和起飞阶段依次占14.0%、10.0%和20.4%.Stettler等[13]通过研究也发现飞机在起飞、爬升等发动机高推力模式下,NO排放显著.而CO和HC主要在滑行/慢车阶段排放,分别占其排放量的91.4%.这是由于低推力环境下,燃烧室入口处压力、温度都较低,导致燃油燃烧不完全,HC和CO大量排放;相反地,随着发动机推力上升,排放强度将会大幅降低,起飞阶段CO和HC的排放比例已骤减至0.4%和0.8%.

2.2.2 时间分布特征 由于航班进出港活动频次及大气边界层高度不尽相同,飞机排放量也会随时间变化发生波动.本文利用可获取的活动水平数据,建立了首都国际机场飞机排放量月均变化时间特征图,结果如图4所示.可以看出,首都机场的民航飞机在1~2月各污染物排放水平相对较低,这主要是由于春节通常集中在这两个月,节假日北京市流动人口大幅下降,客货运输航班数量减少;此外,冬季北京地区太阳辐射减弱,边界层高度较低[26],有效排放高度也较低,爬升和进近阶段的排放受到影响,从而使得飞机污染物排放量在此期间处于全年最低水平,HC、CO、SO2和PM2.5平均排放比例均在7%左右.从3月开始,飞机各污染物排放量呈现逐渐上升趋势,在8月达到峰值,主要是因为这6个月天气情况渐趋稳定,飞机活动正常;夏季日照时数增加,太阳总辐射和直接辐射均为一年中高值区,利于大气边界层的发展,导致有效排放高度升高,污染物排放量也随之上升.9~12月受低温影响飞机排放量有所下降,寒潮过境,不利于航空输送活动的进行.总体而言,除NO以外,首都国际机场飞机其他污染物月排放量变化较小,主要是每日进出港航班大多具有固定的时间及线路安排,全年飞行活动频次没有明显变化,因此,其污染物月均排放量维持较为稳定的水平;而由上述分析可知NO排放主要集中在爬升阶段,排放情况随有效排放高度的变化而变化,导致其月排放量波动较大.

2.3 不确定性分析

在编制过程中,排放因子和活动水平等关键数据缺失、数据代表性不足或估算方法存在局限性等因素,使得大气污染物排放源清单具有一定的不确定性[27].由于我国机场移动源的活动水平数据和本地化排放因子尚属匮乏阶段,本研究采用定性方法对首都国际机场飞机大气污染物排放清单的不确定性进行初步分析.

本清单在估算过程中涉及参数众多,飞机排放的不确定性主要来源于以下3方面:①确定有效排放高度时,采用的是干绝热线法计算每日最大混合层高度,并将其近似作为日最大边界层高度,这与真实的大气边界层条件有一定差异,故引入了不确定性.②建立首都机场在役航空器与各类发动机对应关系时,主要是依据飞机制造商相关统计资料,用主流飞机/发动机匹配数据作为代表,并未涵盖机队的所有组成类型,因此存在一定的不确定性.③由于本地化飞机发动机排放因子的匮乏,估算所用的基础排放因子大多来源于ICAO飞机发动机排放数据库,是在海平面静态条件和7%、30%、85%、100%额定推力设置下发动机的测试数据.但在实际飞行过程中,受到天气条件和飞机具体工作模式等因素的影响,飞机每个阶段的工作时间、燃油消耗率和排放因子与理想值并不相同,因此这些参数具有较大的不确定性.

3 结论

3.1 首都国际机场2013年飞机排放的NO、CO、HC、SO2和PM2.5总量分别为7042.1、3189.9、295.3、429.4和150.4t,占排放总量的63.4%、28.7%、2.7%、3.9%和1.3%.其中,NO和CO的贡献尤为突出.与传统的基于LTO标准循环的方法相比,修正后的首都机场飞机NO、CO、HC和SO2排放增加了23.5%、2.3%、2.1%和18.1%.

3.2 飞机在爬升和滑行/慢车两种模式下污染物排放比例最大,占飞机排放总量的37.7%与36.8%.对于不同污染物,NO在起飞、爬升等发动机高推力模式下排放显著;而CO和HC主要在滑行/慢车阶段排放,分别占其排放总量的91.4%,且排放强度将会随发动机推力上升而大幅降低,起飞阶段CO和HC的排放比例已骤减至0.4%和0.8%.

3.3 飞机在1~2月污染物排放量处于全年最低水平,8月各污染物排放量达到峰值,9~12月飞机排放量再次下降.总体而言,首都国际机场飞机排放的CO、HC、SO2和PM2.5月变化较小,而NO月排放量受飞机有效排放高度影响波动较大.

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* 责任作者, 教授, chengsy@bjut.edu.cn

Establishment of aircraft emission inventory for Beijing Capital International Airport

XU Ran, LANG Jian-lei, YANG Xiao-wen, CHENG Shui-yuan*, LV Zhe

(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2016,36(8)：2554~2560

The calculation method of aviation emissions based on time spent in various modes in LTO cycles was improved. The effective emission height was calculated based on AMDAR data, instead of using the height (915m) proposed by ICAO. Then, the total amount of atmospheric pollutant emissions from aviation was estimated accurately. The total emissions of NO, CO, HC, SO2and PM2.5from aviation in Beijing Capital International Airport (BCIA) were about 7042.1, 3189.9, 295.3, 429.4 and 150.4t, respectively. As compared with the traditional method based on LTO cycles, the result estimated with the improved method revealed that emissions of NO, CO, HC and SO2had increased by 23.5%, 2.3%, 2.1% and 18.1%, severally. Monthly emissions of CO, HC, SO2and PM2.5from aircraft in BCIA presented a relatively steady trend, but NOwas fluctuated on a large scale. Emissions from aviation were lower in January to February; and monthly emission was peaked in August. Moreover, as for different operation modes, the climbing and taxiing course were found with the largest emission. Approximately 37.7% and 36.8% of the total aircraft emissions were produced in climbing and taxiing, respectively.

Beijing Capital International Airport；aircraft；atmospheric pollutants；emission inventory

X831

A

1000-6923(2016)08-2554-07

徐 冉(1990-),女,北京市人,硕士,主要从事环境规划管理与污染防治研究.

2016-01-13

国家自然科学基金项目(91544232);国家环保公益性行业科研专项(201409006,201409007)