中国民航飞机大气污染物排放测算及预测分析

费文鹏，熊羚利，欧阳斌，卞雪航，宋国华

(1.北京交通大学交通运输学院，北京100044；2.交通运输部科学研究院，北京100029；3.中国民航工程咨询有限公司，北京100621)

0 引言

民航飞机对大气污染的影响日益加剧，大气污染物排放测算及预测是评估大气污染、制定污染防控措施及相关法规的基础[1].民航飞机大气污染物排放测算一般分为LTO循环阶段和巡航阶段，LTO循环阶段污染物排放只包括机场附近区域的排放，范围为地表到大气边界层顶部3000 ft内，LTO循环外为巡航阶段.我国已有研究工作主要关注飞机LTO循环内的机场附近污染物排放[2]和巡航阶段的NOx等污染物排放测算问题[3-4]，对民航飞机生产全过程的污染物排放测算研究较少[5-6]，鲜有对我国民航飞机大气污染物排放未来发展趋势的研究[7].从已有对我国民航飞机污染物排放总量的研究来看，排放测算多采用燃油消耗总量和平均排放因子，未考虑机型、发动机型号、发动机工作模式等因素的影响，测算结果存在机理上的误差[5].因此，本文基于ICAO发动机排放数据库，结合我国民航飞行统计数据，采用LTO循环法和油流量法，测算并预测我国民航飞机大气污染物的排放情况，拟为我国大气污染评估、污染防控措施及相关法规的制定提供参考.

1 模型与方法

1.1 数据说明

采用数据均来自官方统计：油耗率、CO/HC/NOx排放因子数据来自于ICAO发动机排放数据库(Engine Emission Data Bank)，民航飞机总飞行时间、LTO循环数、机型分担数据来自于中国民用航空局发布的《从统计看民航》，各机型发动机数量、机型对应发动机型号来自于ICAO机型库，国内生产总值(GDP)数据来自于国民经济和社会发展统计公报.油耗率、排放因子演变趋势分析以ICAO发动机排放数据库为基础，分周期统计分析.ICAO排放数据库提供了1975—2017年的各类发动机油耗排放测试数据，以1980年以前作为一个统计周期，1980年后每5年为一个周期对油耗排放数据进行分类统计，如CO在1980年的排放因子以1980—1985年期间所有类型发动机的CO排放平均值代表.油耗率演变趋势考虑了发动机额定功率，以单位额定功率下的油耗率代表油耗水平.

1.2 计算原理

仅对我国航空公司飞机起飞到降落全过程的气体污染物排放进行测算，污染物种类包括SO2、HC、CO、NOx和细颗粒物(PM10、PM2.5)，计算方法如图1所示.污染物SO2、HC、CO、NOx的测算，采用国际通用的油流量法.细颗粒物测算分为两阶段，LTO循环阶段污染物排放采用生态环境部提供的测算方法及参数[8]，LTO循环包括4个工作模式，即起飞、爬升、进近和滑行；LTO循环之外为巡航模式，该阶段采用平均排放率乘以飞行时间测算.飞行生产过程中排放影响因素包括：机型(飞机/发动机匹配状况、发动机个数)，发动机型号，发动机工作模式，不同模式下油耗率、排放因子及运行时间.

图1 污染物排放测算及预测技术路线Fig.1 Technology roadmap of calculation and prediction for pollutant emissions

1.3 计算方法

(1)排放计算方法.

污染物SO2、HC、CO、NOx排放测算采用国际通用的油流量法，ICAO提供了航空发动机标准大气环境下的CO、HC和NOx排放因子数据，刘高恩等认为SO2排放因子取1 g/kg.据此，我国民航飞机SO2、CO、HC和NOx的排放计算公式为

式中：Em为m污染物的年度排放总量(t)；m为污染物类型(含SO2、HC、CO、NOx)；Fm,i,j为j机型i模式下m污染物的排放因子(g/kg)；i为发动机工作模式，包括起飞、爬升、进近、滑行和巡航；j为机型，包含A380、B747等30多种机型；Ri,j代表j机型i模式下油耗率(kg/s)；Ti,j为j机型i模式下运行时间(h).

民航飞机细颗粒物排放计算公式为

式中：EPM为PM年度排放量(t)；FPM为细颗粒物排放因子，采用生态环境部给出的参考值，即FPM2.5=0.53kg/LTO，FPM10=0.54kg/LTO；NLTO为LTO循环数；TLTO为单个LTO循环时间(h)；TC为巡航时间(h).

(2)飞机油耗率计算方法.

飞机油耗率由该机型对应的发动机数量、发动机型号、发动机工作模式决定，依据ICAO机型库实现机型与发动机型号、数量的匹配，得到不同机型不同工作模式下的油耗率为

式中：Nj,k为j机型发动机k的数量；Ri,k为k发动机i模式下油耗率(kg/s).LTO循环内各工作模式下的油耗率和排放因子从ICAO排放数据库提取，巡航模式油耗率和排放因子采用70%推力设置下的数值[5]，采用拉格朗日插值法确定.

(3)各机型各工作模式下飞行时间计算方法.

各机型各工作模式下飞行时间缺乏统计数据支撑，计算污染物排放时需要对总飞行时间进行拆分和匹配.标准LTO循环内各工作模式持续时间分别为：起飞0.7 min，爬升2.2 min，进近4 min，滑行26 min，则各机型各工作模式下飞行时间为

式中：Ti为模式i总飞行时间(h)；TLTO,i为单个LTO循环内模式i飞行时间；TC为巡航模式下总飞行时间(h)；T为我国民航飞机总飞行时间(h)；Pj为j机型分担率；TC,j为机型j巡航模式下飞行时间(h).

1.4 预测方法

(1)基于改进KAYA公式的排放预测.

KAYA公式常用来分解低碳经济的内涵，模型认为排放受到人口、人均GDP、单位GDP能源消耗量和单位能耗排放量的影响.由于我国污染物排放缺乏有效监测手段，能耗数据获取方式多为典型企业调查和填报，数据可靠度受人为因素干扰较大，而民航飞行时间统计手段和制度已经较为健全，统计数据具有更大的参考价值.研究发现，民航飞行时间与GDP存在正相关关系，改进KAYA公式来预测民航飞机污染物排放，即

式中：Gtotal为GDP值(109元)，总飞行时间T是关于Gtotal的函数(h)；R为油耗率(kg/s)；F为排放因子(g/kg).

(2)GDP发展趋势分析.

研究发现，民航飞行时间与GDP呈正相关关系，通过经济增长规律分析可预测民航飞行时间.经济增长规律可用生长曲线来描述，基于1970—2018年我国GDP统计数据，如图2所示，采用Origin软件进行参数估计，以普华永道对我国2030年GDP预测作为控制点，采用Logistic生长曲线对我国经济增长规律进行拟合，并据此预测未来走势，得到

式中：Y为年份，以1970年为拟合曲线的“0”点.

(3)飞行时间与GDP相关性分析.

研究发现，我国民航飞行时间与GDP之间存在线性相关关系，PEARSON相关系数达0.997 3，拟合得到

图2 GDP演变趋势Fig.2 Development trend of GDP

(4)油耗率演变趋势分析.

以5年为间隔，对1975年以来单位额定功率下的油耗率分段整合分析，如图3所示，观察发现，单位额定功率下的油耗率逐渐降低，如1975年起飞模式下单位额定功率油耗率为44.67 kg/s，2015年该值下降到26.97 kg/s.

图3 单位动力下的油耗率演变趋势Fig.3 Development of fuel consumption rate per unit power

通过PEARSON相关系数分析发现，不同模式单位额定功率下的油耗率与时间相关系数分别达到-0.94、-0.94、-0.91、-0.85，负相关性较强，以负指数函数拟合，则不同模式单位额定功率下油耗率分别为

式中：rTO、rCO、rApp、rIdle分别为起飞、爬升、进近和滑行模式单位额定功率下的油耗率(kg/(s·kN)).数据拟合时以1975年为“0”点，下同.

(5)排放因子演变趋势分析.

SO2和细颗粒物排放因子演变趋势缺乏数据支撑，以固定参考值进行计算.分析HC和CO排放因子演变趋势发现，HC和CO排放因子均呈下降趋势，不同模式下PEARSON相关系数分别达到-0.77、-0.91、-0.86、-0.76和 -0.90、-0.93、-0.74、-0.87，负相关性较强，采用负指数函数分别拟合HC和CO不同模式下排放因子演变规律，参数如表1所示.

由图4可知，NOx排放因子自1975年以来处于稳定波动态势，尤其起飞和爬升模式下PEARSON相关系数仅为0.35和0.24，故认为NOx排放因子在未来一段时间内将继续维持稳定波动状态.采用1975年以来平均值进行计算，起飞、爬升、进近和滑行模式下NOx排放因子分别为30.24，23.10，9.46，4.17 g/kg.

表1 排放因子演变趋势参数估计Table 1 Parameter estimation of development trend of emission factor

2 结果与讨论

2.1 燃油消耗

由图5可知，我国民航总飞行时间从1970年32.66万h增长到2018年1 153.52万h，并将继续增长，但增速放缓，2050年预计达到2 808.27万h.民航燃油消耗从1975年的307万t增长到2018年的6 280万t，增长超过20倍，年均增长率45.25%，巡航模式油耗量占比超过90%.未来我国民航燃油消耗先增长后下降，预计2040年达到峰值，油耗量达11 826万t，达峰之后年均下降率为0.22%，2050年油耗量为11 563万t.

图4 NOx排放因子变化趋势Fig.4 Development trend of NOxemission factor

2.2 污染物排放

由图6可知，1975—1990年，我国民航飞机HC排放缓慢下降，由1975年的9 087 t下降到1990年的7 131 t，主要原因是油耗率和排放因子下降的影响高于民航飞行时间增长影响.1990—2010年，HC排放快速增长，2010年达到峰值15 433 t.2010年之后，HC年度排放量持续下降，预计2050年下降为1 230 t.从HC排放的模式分布来看，HC排放集中在滑行和巡航模式，滑行模式下平均占比为58.01%，巡航模式下平均占比为39.36%.

图5 1975—2050年我国民航飞机燃油消耗Fig.5 Fuel consumption of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

图6 1975—2050年我国民航飞机HC排放Fig.6 HC emission of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

由图7可知，1975—1990年，我国民航飞机CO排放缓慢下降，由1975年的16 487 t下降到1990年的15 879 t，主要原因是油耗率和CO排放因子下降的影响高于民航飞行时间增长影响；1990年后，CO排放快速增长，预计2025年达到峰值141 038 t；2025年后，CO排放下降，预计2050年将下降到86 191 t.从CO排放的模式分布来看，CO排放集中在滑行和巡航模式，滑行模式下平均占比为46.72%，巡航模式下平均占比为50.29%.

图7 1975—2050年我国民航飞机CO排放Fig.7 CO emission of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

由图8可知，1975年以来，我国民航飞机NOx、SO2排放先增长后下降.NOx和SO2排放分别由1975年的6.09万t和0.31万t增长到峰值235.35万t和11.83万t，将在2040年达到峰值.细颗粒物排放持续上升，PM2.5、PM10排放分别由1975年的337 t、344 t增长到2050年的27 143 t、27655 t.

图8 1975—2050年我国民航飞机NOx/SO2/PM排放Fig.8 NOx,SO2and PM emission of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2050

2.3 污染物排放强度

由图9可知，1975年以来，我国民航排放强度逐年下降(排放强度指单位吨公里排放量)，降速先快后慢.1975—2018年，HC排放强度由38.06 g/(t·km)降至 0.11 g/(t·km)，年均下降0.84 g/(t·km)；CO排放强度由69.04 g/(t·km)降至0.72 g/(t·km)，年均下降1.52 g/(t·km)；NOx排放强度由25.52 g/(t·km)降至1.04 g/(t·km)，年均下降 0.54 g/(t·km)；SO2排放强度由 12.84 g/(t·km)降至 0.52 g/(t·km)，年均下降0.27 g/(t·km)；PM10排放强度由1.44 g/(t·km)降至0.09 g/(t·km)，年均下降0.03 g/(t·km).

2.4 结果误差分析

基于国际通用的油流量法及LTO循环法对我国民航飞机HC、CO、NOx、SO2和细颗粒物的排放进行了测算及预测，测算结果对于制定污染物排放控制措施具有一定的指导意义，由于民航飞机污染物排放缺乏官方统计数据，以定性的误差分析为主，选取典型因素进行定量分析.由于民航飞机污染物排放影响因素众多，测算方法仍然具有一定局限性，测算及预测结果与实际排放数据存在一定误差.

采用的排放因子数据是ICAO在标准大气环境下的测试结果，未考虑温度、大气压强变化等影响.温度低于标准温度时，实际油耗率高于标准大气环境下的油耗率，实际污染物CO/HC/NOx的排放因子低于标准大气环境下的排放因子，将导致油耗和SO2的测算结果偏低，而CO/HC/NOx的排放测算需要进一步定量分析才能确定.气压高于标准大气压时，实际油耗率高于标准大气环境下的油耗率，实际污染物CO/HC/NOx的排放因子低于标准大气环境下的排放因子，将导致油耗和SO2的测算结果偏高，对CO/HC/NOx的排放影响需要进一步定量分析才能确定.

图9 1975—2018年我国民航飞机污染物排放强度Fig.9 Emission intensities of pollutant of civil aviation aircrafts in China from 1975 to 2018

排放预测中，未考虑机型机构优化影响，随着未来机型结构不断优化，低能耗、低污染机型占比将逐步提高，核能、天然气等新能源、清洁能源不断推广应用，将导致油耗和污染物排放的预测结果偏高.

另外，机场运行管理技术不断优化，如滑行时采用单发动机、减推力起飞等技术应用，均会对排放测算产生影响，但由于数据获取的局限性及量化分析的可行性，本文在排放测算中未考虑此类管理技术应用的影响.减推力起飞时，输出功率低，单位功率下的油耗率低，CO/HC排放因子增大，NOx排放因子降低，SO2排放因子不受影响，减推力起飞将导致油耗率、SO2和NOx的测算结果偏高，对CO/HC排放影响需要进一步定量分析才能确定.

以滑行时所有飞机均采用单发动机为例，分析其对测算结果的定量影响，如图10所示.飞机滑行采用单发动机时，能耗、HC、CO、NOx和SO2均出现降低的情况，HC排放幅度平均达到30.91%，CO下降幅度平均达到24.09%，能耗平均降低仅1.85%，NOx和SO2降低幅度分别为0.47%和1.80%.

图10 测算结果误差分析Fig.10 Error analysis of calculation and prediction results

3 结论

本文基于国际通用的油流量法及LTO循环法，依托ICAO数据库、中国民用航空局等官方数据，对1975—2018年期间我国民航飞机HC、CO、NOx、SO2和细颗粒物排放进行了测算，并预测了2050年前我国民航飞机燃油消耗及污染物排放情况.从燃油消耗来看，我国民航飞机2018年油耗量达6 280万t，年均增长率45.25%，巡航模式下油耗占比维持在90%以上.未来我国民航飞机油耗仍将持续增长，但增速放缓，预计2040年达到峰值11 826万t.从排放来看，我国民航飞机HC排放已在2010年达到峰值15 433 t，CO排放预计将在2025年达到峰值141 038 t，HC排放在滑行和巡航模式的占比为58.01%、39.36%，CO排放为46.72%、50.29%.NOx和SO2排放预计将在2040年分别达到峰值235.35万t和11.83万t.PM2.5和PM10排放持续增长，预计2050年将分别达到27 143 t和27 656 t.从排放强度来看，我国民航飞机大气污染物排放强度逐年下降，NOx下降幅度在各污染物中最高，年均下降5.44 g/(t·km)，细颗粒物下降幅度最低，其中PM10年均下降0.03 g/(t·km).