中国航空器碳排放测算与演化特征研究*

朱佳琳 胡 荣 张军峰 朱昶歆 郑丽君

(南京航空航天大学民航学院 南京 211106)

0 引 言

民航碳排放的准确测算是开展民航碳减排工作的前提和基础.国内外学者对民航碳排放的研究已十分丰富，主要涵盖了航空器碳排放核算方法、特定区域内碳排放量核算等内容[1-2].在计算航空器全航程碳排放时，由于飞行过程的特征差异，通常将整个航空器运行过程划分为两个阶段：起飞着陆(landing and take-off，LTO)阶段与爬升巡航下降(climb cruise and descent，CCD)阶段.现有研究中，既有单独测算LTO或CCD阶段碳排放的，也有测算全航程碳排放的.LTO阶段的碳排放一般基于国际民用航空组织(international civil aviation organization，ICAO)标准排放计算模型来核算，Kurniawan等[3]将ICAO标准排放计算模型与其他国际组织颁布的核算方法进行比较，发现其他核算模型与ICAO计算模型相似度很高，且ICAO模型已被广泛应用于LTO阶段的碳排放计算，可靠性高.Stettler等[4-6]学者均利用此模型估算了特定机场的LTO阶段碳排放量.CCD阶段相较LTO阶段而言具有涉及范围广、数据不易获得等特点，因此这一阶段的碳排放核算难度也较大，核算方法更具多样性.Pham等[7]使用雷达数据、飞行计划，以及飞机特定的空气动力学模型构建较为准确的航班飞行轨迹，并用弦来表示，弦的起点和终点表示该飞行的有效雷达位置，通过使用空气动力学模型对飞机位置随时间进行前向积分来计算燃料流量和排放，建立了澳大利亚2008年10月—2009年3月的排放清单.Pagoni等[8]基于飞机性能数据库(base of aircraft data，BADA)的飞机性能模型，结合飞行数据获得飞行路径的典型高度剖面，以此确定CCD阶段的CO2排放，并通过航路网络构建排放图，对航路网络上的污染水平进行评估.但上述的方法只适用于已知具体可用的飞行数据的情况下，陈林[9]认为，飞机发动机产生的碳排放主要取决于发动机的推力等级设置，目前我国航空公司运营的主流机型巡航阶段的发动机推力等级一般为85%左右，这与飞机在爬升阶段的发动机推力等级相同，因此选取爬升工作状态下的燃油消耗率作为巡航阶段污染物排放量测算的依据，这为缺少具体飞行数据情况下的CCD阶段碳排放核算提供了思路.

纵观国内外现有文献，虽然在民航碳排放核算方面取得了丰硕的成果，但仍有以下内容值得深入拓展：①国内民航碳排放相关文献多集中于“自上而下”(基于总燃油消耗量)的核算，“自下而上”(基于具体运行数据)的民航碳排放核算较少；②现有文献多集中于某机场或航线的民航碳排放总量的核算，尚未见文献对CCD阶段碳排放开展省域空间分配研究.因而，本文进行了如下工作：①采用“自下而上”基于具体运行数据的方法，测算我国2007—2016年航空器碳排放量；②对我国2007—2016年航空器LTO及CCD阶段的碳排放进行省域分配，以期得到我国航空器碳排放的空间分布结果，并以此为基础研究全国、区域，以及省域民航碳排放的分布状况及演化特征.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文研究的数据及其来源主要有：①2007—2016年全国(除港澳台)机场航班运行数据，来源于航空数据和航班信息提供商(official airways guide，OAG)数据库；②发动机基准参数，来源于ICAO飞机发动机排放数据库(aircraft engine emissions databank)；③全国(除港澳台)机场经纬度坐标，来源于机场图；④大圆航线距离，由两个机场经纬度坐标计算得到.考虑到数据的不完整性及计算的便捷性，对原始数据进行以下处理.

1) 对航班运行数据的选择 OAG数据库中的航班运行数据包括了在国内机场起飞或降落的所有国内和国际航班，LTO阶段的碳排放核算范围包括了国内和国际所有客货运航班(国内航班指出发和到达机场均为国内机场的航班，不含港澳台；国际航班指出发和到达机场中有一个为国内机场，另一个为国外或港澳台机场)，但在CCD阶段的碳排放核算范围仅为国内客货运航班.

2) 对缺失数据的处理 在收集各运行机型发动机数据时，存在一部分机型发动机为涡桨发动机或ICAO发动机数据库中未包含其匹配发动机型号的情况(具体机型为：A4F，ANF，ATR，A40，AN4，DH4，AT7，DHT，F50，MA6，SF3，YN7，IL8，S76，AWH，EQV)，由于这部分机型运行频次占总运行频次比例极低，本文未将这部分运行机型纳入计算与分析.

3) 对机型发动机型号的确定 相同的机型可能相对应的有几种发动机型号，为便于统计计算，每一种机型本文均尽可能选取国内航司使用数量较多的发动机型号.本文研究所涉及到的机型与发动机匹配情况见表1.

表1 机型-发动机匹配表

4) LTO异常数据的处理 同一机型每年在同一机场的进离港架次可能不一致，在LTO阶段的计算中，本文取进离港架次的平均值作为各机型的LTO循环数.

5) 对航程距离的简化 利用航班出发和到达机场经纬度坐标之间的大圆航线距离代替航程距离，经过验证，大圆航线距离与OAG数据库中实际航程距离之间的误差极小，因此，对航班航程距离简化处理带来的误差在可接受范围内.

1.2 研究方法

1.2.1LTO阶段碳排放测算模型

飞机在进近、起飞,以及滑行阶段的排放对机场周边居民、环境等有显著影响.因而，ICAO在附件16第二卷给出了飞机在混合高度层以下的运行(即LTO循环)的排放测算模型，一个典型的LTO循环包括飞机在3 000 ft以下运行的4个阶段：滑行、起飞、爬升和进近.并确定了各个运行阶段下的推力设置等级和工作时间，以CFM56-7B22发动机为例，其基准参数见表2.CO2的排放量只与燃油消耗量有关，其排放指数通常取常数3.115(kg/kg).

表2 LTO循环下CFM56-7B22发动机基准参数

因此，先计算出总燃油消耗量，再乘以CO2排放指数即可得到碳排放总量.LTO阶段碳排放总量为

(1)

式中：ELTO为总CO2排放量；mj为j机型LTO循环数；nj为j机型发动机个数；i为飞机的飞行阶段；tij为j机型在第i个飞行阶段运行的时间；Fij为j机型在第i个飞行阶段的单发燃油流量；I为CO2排放指数.

1.2.2CCD阶段碳排放测算模型

CCD包括了爬升、巡航和下降三个阶段，各阶段的推力水平并不一致，但由于爬升和下降阶段都不是标准化的，在核算大量航班的燃油消耗、碳排放量时就需要做一些假设[10].因此，本文将CCD阶段碳排放的核算简化为巡航阶段的碳排放核算.

通常情况下，巡航阶段的推力设置参考值为80%[11].本文结合发动机在LTO阶段推力设置下的燃油流量，比较线性、多项式等拟合方式后，选择R2最高的二项式拟合计算得出各发动机在80%推力设置下的燃油流量.此外，OAG数据库中包含了全国运行航班的运行时间，本文将整个航班运行过程分为LTO和CCD两个阶段，参考ICAO设置的LTO运行时间，即可得到航班在CCD阶段的运行时间：

tCCD=tTOTAL-tLTO

(2)

式中：tCCD为CCD运行时间；tTOTAL为总运行时间；tLTO为LTO运行时间.

因此，结合航班CCD运行时间、发动机80%推力设置时的燃油流量以及CO2排放指数就可以计算得到某航班CCD阶段的碳排放量.

ECCD=ntCCDFCCDI

(3)

式中：ECCD为某航班CCD阶段的碳排放量；n为航班机型发动机个数；tCCD为航班在CCD阶段的运行时间；FCCD为航班机型在CCD阶段的燃油流量；I为CO2排放指数.

1.2.3碳排放的省域分配方法

根据航空器的运行阶段，碳排放可分为LTO与CCD两个阶段.为了研究省域的碳排放演化特征，需研究碳排放的省域分配.

1) LTO阶段碳排放的省域分配方法 省域范围内所有机场LTO阶段碳排放量的总和即为该省域LTO阶段的碳排放.

2) CCD阶段碳排放的省域分配方法 目前，尚未见文献对国内航班CCD阶段的碳排放进行省域分配，本文创新性地提出在ArcGIS软件中，用航班出发和到达机场经纬度坐标之间的大圆航线代替航班飞行航迹，利用中国地图的省界线对大圆航线进行分割，得出航线在经过的各个省域范围内的距离长度占整个航线的比例，再将航班CCD阶段的碳排放按上述比例进行省域分配.

以北京首都机场(PEK)—成都双流机场(CTU)航线为例，整个飞行过程经历5个省市，利用上述方法将航线分段可得该航线在各个经过省域的长度及其占总航线长度的比例，见表3.

表3 PEK—CTU航线省域长度占比表

PEK—CTU航线CCD阶段的碳排放即可依据此比例进行分配.省域的碳排放可由省域LTO阶段碳排放和分配到该省的CCD阶段碳排放加总得到.

2 结果与讨论

2.1 全国视角的碳排放量分析

依据上述LTO、CCD阶段的碳排放计算公式和数据，计算得出2007—2016年全国范围内的航空器碳排放量.图1为2007—2016年全国LTO、CCD阶段碳排放量、全国碳排放总量以及碳排放总量和运输总周转量的增长率.

图1 全国2007—2016年航空器碳排放总量及增长率图

由图1可知，2016年全国航空器碳排放总量为1.36×108t，是2007年的3倍，其中，CCD阶段碳排放量占总排放量的比例一直维持在90%左右，同样是2007年的近3倍，而LTO阶段碳排放量仅占碳排放总量的10%左右，增长速度较为缓慢；全国碳排放总量增长率与全国总周转量增长率趋势逐渐趋于一致.

由此可见，由于运行时间长、发动机推力等级较高等原因，CCD阶段碳排放是航空器运行过程中的主要排放，发展绿色民航、有效控制航空器碳排放需从减少航空器CCD阶段碳排放入手.

2.2 区域视角的碳排放量分析

将我国除港澳台外的31个省(自治区、直辖市)依据自然条件、经济基础以及对外开放程度划分为东部、中部和西部三大地区，东部地区包括北京、天津、河北、辽宁、上海、江苏、浙江、福建、山东、广东、海南11个省(直辖市)，中部地区包括黑龙江、吉林、山西、安徽、江西、河南、湖北、湖南八个省，西部地区包括内蒙古、广西、重庆、四川、贵州、云南、西藏、陕西、甘肃、青海、宁夏、新疆12个省(自治区、直辖市).各地区2007—2016年的排放量及占全国碳排放总量的比例见图2.

图2 东中西部地区碳排放量及占比图

由图2可知，10年间东、中、西部地区碳排放量均逐年增长，且东部地区的排放量一直最高，其次为中部、西部地区.但值得注意的是，东部地区的排放占比从2007年将近50%下降到2016年的40%，与此同时，中部和西部的占比均有所提升，从占比趋势线可以看出三个地区之间的排放差异在逐渐缩小.这一现象与国家实施西部大开发等方针战略有紧密的联系，经济的快速发展也带动了旅游业等产业的发展，加速了人口流动，使得中西部地区航空运输市场得以开拓.

2.3 省域视角的碳排放量分析

根据碳排放分配方法，得出2007—2016年全国各省(自治区、直辖市)碳排放量，其中2016年省域碳排放量见表4.

并将2007、2016年全国各省(自治区、直辖市)的碳排放量在ArcGIS软件中可视化，见图3.

图3 典型年份省域航空器碳排放量分布图

由图3可知，10年间全国各省碳排放量均大幅增长，广东、山东、江西等省份排放水平一直保持在前列，黑龙江、西藏、青海等省份排放水平较低，而北京、上海虽然机场的繁忙程度在国内名列前茅，但碳排放量却处于国内较低水平.

省域内碳排放除了在省内起降的航班所造成的排放外，还包括了途经该省域的航班造成的碳排放.为了深入探究省域碳排放的演化特征，本文将在省域内起降的航班LTO及CCD阶段在该省域内产生的碳排放称为该省的主动排放，其余途经其省域的航班CCD阶段的碳排放称为被动排放.分别核算各省2007—2016年的主被动排放，并计算各省的主被动排放占总排放量的比例，其中，2007年、2016年各省主动排放占比见图4.

图4 2007、2016年各省份主动排放占比图

结合图3～4可知，主动排放占比与省份排放总量并非成正比.2007年和2016年上海、北京、黑龙江、云南、海南等地主动排放占比均较高，在50%以上；河北、安徽、江西等地的主动排放占比则很低，几乎不到5%.而黑龙江、云南、海南及上海、北京等地主动排放占比虽高，碳排放总量却是国内较低水平；相反，河北、安徽、江西等地主动排放占比低，总排放量却名列前茅.这主要是因为，黑龙江、云南,以及海南等省份均处于我国边境地区，省域内途经的航班较少，而上海、北京则由于直辖市面积相较其他省份而言较小，且多为始发/终点航班，途经航班CCD阶段排放少，因而主动排放占比高、排放总量低；河北、江西、安徽等省份处于我国中部，省域内途经的航班多，因而主动排放占比低、排放总量却高.

主动排放在一定程度上可体现省份航空运输业的发展程度，一般认为主动排放越多，航空运输业越发达.而由上述内容可见，省域内碳排放量高并不完全代表该省份的航空运输业发达(如江西、安徽等省份)，同样，省域内碳排放量低也不完全代表该省份的航空运输业不发达(如北京、上海等直辖市)，碳排放量的大小不仅和省内航空运输业是否发达有关，还与其地理位置、省域面积大小有关.数据证实，对多数省份而言，主动排放对省份总排放量的影响要低于被动排放，这也解释了为何山东、江西以及一些中部省份能成为航空碳排放大省.因此，在制定减排目标时，要区分各省主被动排放情况，才能科学、公正、合理地分配民航碳减排任务.

3 结 论

1) 全国碳排放总量持续快速增长 全国航空器碳排放总量由4.58×107t增长至1.36×108t，年平均增长率达11.5%，且未见放缓趋势.

2) CCD阶段碳排放占总排放的比例高 相比较LTO阶段而言，航空器在CCD阶段运行时间长、推力等级较高，是整个运行过程中的主要排放，平均占据总排放的90%.

3) 东中西部地区碳排放占比依次递减，但地区间排放差异逐步缩小 东部地区排放占比由47.14%降至40.19%，中西部地区占比分别由28.7%、24.16%提升至31.98%、27.82%，体现出中西部民航的快速发展.

4) 省域碳排放量的大小不仅与省内航空业发达程度有关，还与省份地理位置、省域面积大小相关 省域碳排放可分为主动排放与被动排放，主动排放量与省内航空业发达程度有关，被动排放量则与省份地理位置、省域面积相关，两者共同决定省域碳排放总量.

5) 多数省份主动排放占总排放量的比例低于被动排放 除上海、北京、黑龙江、云南和海南外，其余省份主动排放占总排放量的比例均不足50%，河北、安徽及江西等省份甚至不足5%，分配减排任务时应区分主被动排放，充分考虑省域碳排放的特征与差异.

未来可对全国航空器碳排放的驱动因素进行深入研究.