我国民航空中交通环境效能评估分析与建议

□ 民航局空中交通管理局 刘芳子/文

航空运输业是当今世界最活跃、最有潜力的产业之一，对促进经济社会发展、提升人民生活水平具有积极的正外部性。但随着全球航空运输市场需求持续旺盛，航空器排放总量也随之持续增长，给全球生态环境变化带来突出的负外部性。因航空运输业对生态环境影响大、污染范围广、责任划分难、减碳紧迫性强等特征，绿色航空发展成为全球社会各界广泛关注的问题。全球主要航空运输主体均已制定绿色发展战略，并将空中交通的运行效率提升与航行新技术应用作为提升燃油效率实现绿色发展的重点领域。本文基于ADS-B飞行轨迹、航班计划等数据，分别对全国、城市对和繁忙机场进近（终端）不同维度对空中交通活动的环境效能水平、特征以及优化方向进行实证评估和分析，并从空管角度提出绿色发展建议。

空中交通运行优化是民航绿色发展的重要手段

目前全球航空运输业在降低对环境影响方面主要采取：航空器与发动机设计改进、空中航行技术革新、ATM效率和航空公司运营效能改善、可持续替代燃料使用、碳市场机制和环保型基础建设等（见图1）。研究表明，近50年航空器和发动机制造商通过改进飞机性能，有效降低了70%左右的油耗和排放，但相关制造技术越来越成熟，进一步实现跨越性创新需要时间周期更长、成本更大，持续释放节能减排红利的空间越来越小。按现行生产技术的成本，可持续燃油（Sustainable Aviation Fuel，SAF）约为普通航空煤油的3倍，氢基燃油约为航煤6倍，国际航空运输协会（IATA）预期目标计划2035年SAF的生产和使用比例约占航空总需求的17%，产量有限，在技术和经济可行性等方面仍不具备广泛应用条件。据统计，2006年欧洲境内航班因未按最优航迹运行额外产生的CO2排放约占全年的4%，2015～2019年英国航空通过提升ATM效率减少CO2排放约占总排放的4.7～6.5%，相比之下提升机场、航空公司运行效率减排比例仅为0.3%和2.1%，每减少1分钟航班运行时间，一年将减少480万吨碳排放。研究与实践表明优化航空器空中交通运行轨迹、提升地面滑行和空中运行整体效率具有显著节能减排效果，配合新航行技术的广泛应用预计空管可支持航空公司减少总体燃料消耗和排放约6～12%。因此，空管被视为民航绿色发展潜力较大的领域，燃油效率也被国际民航组织（ICAO）列入衡量空中交通管理效能的重要指标。

表1：空中交通环境效能综合评价指标

我国空中交通运行环境效能综合评估

空管是民航运行中枢，具有维护空中交通运行安全、有序、高效的基本职责，绿色空中交通应是兼顾民航发展的社会效益（旅客出行时效需求等）、经济效益（航空公司运营发展需求等）和环境效益（生态环境可持续发展需求等）的运行模式。

本文立足空中交通绿色、效率、效益综合性能，围绕航空运输领域主要关注的五项尾气排放物、体现运行效率和经济效益等环境效能综合指标（见表1），分别对全国、城市对和进近（终端）不同维度对空中交通活动的环境效能水平和特征进行评估分析，为全面了解我国空中交通运行环境影响的强度和时空分布特征，科学制定我国民航空管绿色发展规划、精准施策治理航空业对生态环境和人类健康影响提供实证支撑。

（一）全国空中交通环境效能评估

选取新冠疫情前2019年6月1日（无大面积流量控制、重大天气影响等）作为典型日，以当日2884条国内城市对航线共计8459架航班为对象，基于回声状态网络的燃油流率和排放测算模型得出当日全国运行航班的燃油消耗量以及污染物排放量。

从环境影响的总体情况看，典型日我国航班燃油总消耗量达5.14×107kg，污染物排放量中CO2排放量占比最大，共计16.18×107kg，其次是NOx，排放量共计1.15×106kg，其余的CO、SOx、HC等排放物的排放量占比较少（见图2）。

从航空器燃油效率看，典型日航班单位时间平均燃油消耗约50kg/min、单位里程平均燃油消耗约5kg/km（远高于美国2020年2kg/km）。从航空器环境效率看，CO2单位里程平均排放量约15kg/km、单位时间排 放 160kg/min，CO、NOx、SOx、HC排放均小于5kg/min和5kg/km。

从不同飞行阶段的排放物构成看，燃油消耗和CO2、NOx、SOx排放主要产生在航空器巡航阶段，主要原因是因为巡航（CCD）阶段飞行距离较长；CO排放量主要产生在航空器起降（LTO）阶段，主要是因为航空燃油的不完全燃烧导致；HC排放量产生在飞行全过程，但在平飞阶段占比相对较多。所以通过调整航路航线结构、航空器巡航马赫数、巡航高度层选择等可以更有效的控制影响生态环境的主要排放物CO2、NOx。

（二）城市对巡航阶段环境效能综合评估

针对典型日2884个城市对航线（往返记为不同城市对航线）综合环境效能指标进行评估，单位里程平均油耗为3.89kg/km，低于全航程5kg/km，说明巡航阶段虽然排放量大，但因为飞行距离长、时间长，燃油效率较高，实际优化空间没有起降阶段大。从机型看，A319燃油效率显著（p＜0.05）较高，B747燃油效率最低且波动性较大（见图3），平均单位公里油耗超过14kg，B788在宽体机中燃油经济性最佳，平均单位公里油耗仅为B747的49%。

1.综合评估方法

基于理想解的排序方法（Technique for order preference by similiarity to ideal solution，TOPSIS），对24组繁忙城市对环境效能进行综合评估，具体步骤如下：

（1）对比评价对象的每个指标值的优劣，分别找出正负理想解C+、C-：

其中，正理想解C+中的每个对象ci+均是观测样本中的最优值，负理想解C-中的对象则为最劣值即：

（2）计算距离。计算评价对象与正、负理想解之间的欧式距离：

（3）对象排序。根据相对接近程度fi对评价对象进行排序，且：

2.综合评估结果

根据相关研究结果，CO2、NOx、SOx等主要排放物与油耗量强正相关，相关系数接近1，即“单位里程油耗”可以综合体现空中交通活动的经济效益和绿色特性。为进一步简化模型，选取飞行效率（单位里程飞行时间）和燃油效率（单位里程燃油消耗）作为综合评估指标，即平衡空中交通运行效率、经济效益和绿色特性的综合环境效能，结果如表2所示，其中，接近度大小体现了航线综合性能的高低。

总体上，我国繁忙城市对燃油效率范围为4～6.86kg/km，京广、京沪和沪广航线执飞宽体机偏多导致单位里程油耗明显偏高；飞行效率范围4.47～5.6s/km，受航空器性能约束，其波动性水平不高，深圳、广州至北京的航线单位里程飞行时间最短，与燃油效率呈现一定程度的悖反关系。

综合评估结果表明，ZGGG-ZSHC、ZUUUZGGG和ZUCK-ZGSZ的“绿色—经济”综合性 能 较 好；ZSHC-ZGGG、ZUUU-ZGGG和ZGGG-ZSHC的燃油效率较高，即效益和绿色性能较好；ZGSZ-ZBAA、ZGGG-ZBAA和ZGGGZSHC的飞行效率较高。其中ZSHC-ZGGG的燃油效率和飞行效率分别位列第一和最末，综合排名第9；ZSSS-ZBAA燃油效率和飞行效率均位列23位，综合排名最末，即运行效率、燃油效率以及污染排放综合效能最差。

进一步对ZSSS-ZBAA两架航班三维飞行剖面和油耗进行对比分析，如图4所示，CES5105飞行轨迹较CES5151呈现典型的持续爬升、长时间高高度巡航和较短下降阶梯等绿色轨迹特征，且具有低的非直线系数，经测算，飞行里程、飞行时长、燃油消耗和单位里程油耗分别下降50km、6分钟、533kg和0.2kg/km。因此，优化飞行路径和速度-高度剖面是提升空中交通经济性、环保性和时效性的有效方式。

表2： 繁忙航线绿色性能综合评价结果

（三）进近（终端）阶段空中交通环境效能评估

针对典型日35个主辅协调机场以及京津冀、长三角、珠三角和成渝四大机场群，开展进近（终端）空域绿色空中交通分析与评估。总体上，进近（终端）阶段CO2和H2O是最主要的排放产物，NOx是最主要的大气污染物，CO与SOx排放量相近，HC的排放量相对较少。对比进、离场航班油耗及排放量可见，单位进场航班燃油消耗和各类排放显著（p＜0.001）低于单位离场航班燃油消耗（图5以CO2排放为例）。

我国主辅协调机场中，珠海三灶、深圳宝安以及天津滨海机场单位架次离场航班燃油消耗和排放排名前三，大连周水子机场单位架次离场航班燃油消耗和排放排名最小。天津滨海、上海虹桥以及郑州新郑机场单位架次进场航班燃油消耗排名前三，长春龙嘉机场单位架次进场航班燃油消耗最小。我国重要机场群中，珠三角机场群单位架次进、离场航班燃油消耗和排放均为第一（见图6）。

综上，我国航班总体环境效率较低碳发达国家存在较大差距，特别是上海虹桥—北京首都等航线，珠海、深圳、天津、粤港澳大湾区等进近（终端）地区或航线环境效能明显低。同时可见，优化空中交通的运行轨迹对节能减排具有显著效果，特别是进离场阶段优化空间更大。

推进我国空管绿色发展的建议

从空管视角，目前有效提升空中交通运行环境效能的主要手段包括：优化航线网络设计，进一步降低我国民航航路航线的非直线系数；加大临时航线的开辟和使用，减少飞行距离；缩小管制运行间隔，提升空域有效利用率；优化管制运行服务，实施精细化流量管理；提高气象服务准确率，减少天气原因空中等待、返航、备降等；加快新航行技术应用，持续释放技术减排红利。

鉴于空域总体规划与临时航线新辟主要取决于全国空管体制改革和军民融合发展的总体部署和推进，以及经过2007年缩小垂直间隔（RVSM）和2020年缩小雷达管制水平间隔后再进一步大规模缩小运行管制规模的空间很小，建议如下：

一是将新航行技术应用作为空管绿色发展主攻领域。据统计，自2019年先后在广州、深圳、北京、上海等12个繁忙机场运行了中国尾流重分类技 术（RECAT-CN），跑道高峰时段容量约提升2%，以A330和B787为例，前后机之间的尾流间隔从7.4km缩减至5.6kg，可节油27kg，降低碳排放85公斤。依据评估结果，进离场阶段为重点优化对象，实践表明广州、北京、昆明等9个大中型机场实施连续爬升/下降运行（CCO/CDO）技术，有效的优化了航空器LTO阶段飞行剖面，提升了经济和绿色性能。据统计，2021年，我国共有3180架航班执行了CCO/CDO运行，共节省燃油461.8吨，减少碳排放1523.7吨。因此建议持续跟踪ICAO《全球空中航行计划》（DOC 9750，GANP）中航空系统组块升级计划（ASBU），结合《中国民航空管现代化战略》（CAAMS），加快推进其中具有节能减排效益的技术应用推广。

二是建立民航新航行技术应用节能减排效果测算评估机制。针对重点推进的新技术节能减排效果测算评估方法开展研究，并建立常态化监控评估机制，科学制定减排目标和计划，激励全行业积极主动融入行业绿色发展。

三是针对空中交通环境效能明显低的城市对航线和地区开展重点治理。系统性开展全国空中交通环境效能评估，结合实证量化结果，深入剖析原因，对排放较大的城市对航线或进离场优先试点应用节能减排新技术或给予空域优化、临时航线申请等政策支持。