清華新聞網(wǎng)5月7日電（通訊員 張敬然）近日，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張少君助理教授團(tuán)隊(duì)在航空環(huán)境影響領(lǐng)域取得新進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了基于真實(shí)飛行軌跡的航空排放模型，對(duì)飛行全階段的四維空間（時(shí)間、經(jīng)度、緯度和高度）排放特征進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)；引入真實(shí)的航空飛行軌跡信息，從而顯著提高航空排放清單的準(zhǔn)確性和四維空間分辨率；大幅改善傳統(tǒng)的大圓軌跡簡(jiǎn)化方法的理想設(shè)定帶來(lái)的排放模擬誤差。該排放模型可以拓展用于全球航空排放的衡量，進(jìn)一步為量化航空對(duì)空氣質(zhì)量、健康和氣候的影響提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
圖1 研究入選《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（ES&T）期刊封面文章
在全球化經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的背景下，航空運(yùn)輸需求激增。2000年以來(lái)，中國(guó)的民用航空客運(yùn)量增長(zhǎng)了12倍，增速位列世界主要經(jīng)濟(jì)體前列，預(yù)計(jì)很快將成為世界最大的航空市場(chǎng)。為了解中國(guó)航空排放的環(huán)境影響，團(tuán)隊(duì)研究開(kāi)發(fā)了基于真實(shí)飛行軌跡的航空排放模型，構(gòu)建了覆蓋全飛行階段的高時(shí)空分辨率中國(guó)航空業(yè)CO2和多污染物排放清單。
研究表明，2018年中國(guó)民航客運(yùn)部門(mén)的燃油消耗量為3720萬(wàn)噸，CO2排放量為1.17億噸（圖2）。污染物方面，NOX排放753.7千噸，碳?xì)浠衔铮℉C）排放19千噸，微顆粒物（PM）排放2.4千噸。CO2排放前五位的國(guó)內(nèi)航線(xiàn)是北京-廣州、北京-上海、北京-深圳、北京-成都和上海-深圳，單日CO2排放量可達(dá)2.2千噸～3.1千噸。國(guó)際航空CO2排放量中，亞洲航班所占比例最大，占43%（其中，日本占7.9%，泰國(guó)占7.8%，韓國(guó)占4.2%），其次是北美（25%）和歐洲（23%）。
圖2 中國(guó)航空業(yè)CO2排放的空間分布和國(guó)際航線(xiàn)的起終點(diǎn)（O-D）關(guān)系
本研究將開(kāi)發(fā)的基于真實(shí)飛行軌跡的模型（ADS-B模型）與傳統(tǒng)的基于大圓軌跡的簡(jiǎn)化航線(xiàn)模型（GCAP模型）比較（圖3）。對(duì)短途航班的模擬結(jié)果表明，GCAP模型顯著低估了15%～19%的燃油消耗和25%～28%的NOX排放量。差異最大的是巡航階段，GCAP模型低估了20%～28%的燃油消耗和32%～39%的NOX排放。研究發(fā)現(xiàn)，差距主要來(lái)自飛機(jī)的飛行姿態(tài)，ADS-B實(shí)際軌跡的巡航高度通常比GCAP模型仿真的理論巡航高度低10%～15%，這導(dǎo)致巡航速度降低，從而持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。GCAP模型中較高的巡航高度造成較低的燃油消耗率（～15%），這進(jìn)一步降低了NOX排放因子（～16%）。另外，ADS-B模型能夠真實(shí)捕捉階梯式下降的真實(shí)航姿，其排放的空間分布與GCAP模型分布差別突出。本研究進(jìn)一步將GCAP模型中的巡航速度和巡航高度從理想值調(diào)整為實(shí)際軌跡ADS-B的結(jié)果，兩種方法之間的燃油消耗量和NOX排放量之間的差距可大幅縮小至6%以?xún)?nèi)。剩余差異來(lái)自于實(shí)際飛行信息（如氣象）修正和其他階段差異（如階梯式下降），目前GCAP模型仍難以反映這些復(fù)雜問(wèn)題。
圖3 GCAP和ADS-B模型的軌跡、飛行持續(xù)時(shí)間、燃油消耗和NOX排放比較
研究結(jié)果表明，航空業(yè)燃油消耗和CO2排放在垂直分布上呈現(xiàn)兩個(gè)高峰：1km以下和8km～12km之間（圖4）。國(guó)內(nèi)航班的巡航階段排放主要分布在8km～10km之間，國(guó)際航班的則主要分布在10km～12km之間。污染物的分布則受到生成機(jī)制的影響。其中，NOX受熱力型機(jī)制主導(dǎo)，與CO2的分布相似，而HC則受不完全燃燒的低負(fù)荷機(jī)制主導(dǎo)，在低空階段的比例顯著高于CO2。國(guó)內(nèi)航班起飛著陸（LTO）階段（<914米）的燃油消耗占12%～15%，巡航階段占56%～59%。由于A(yíng)DS-B數(shù)據(jù)的LTO持續(xù)時(shí)間比推薦值長(zhǎng)，LTO階段的占比高于以往的研究（5%～10%）。
圖4 中國(guó)航空的燃油消耗和污染物排放的垂直分布
目前，中國(guó)采用的《非道路移動(dòng)污染源排放清單編制技術(shù)指南》中的民航LTO階段排放計(jì)算方法基于起降循環(huán)次數(shù)，不區(qū)分機(jī)型和運(yùn)行時(shí)間。本研究發(fā)現(xiàn)不同機(jī)場(chǎng)之間單次LTO循環(huán)的排放差異很大，可達(dá)2～4倍，造成差異的主要原因在于機(jī)隊(duì)構(gòu)成。這就使得《非道路移動(dòng)污染源排放清單編制技術(shù)指南》中單一的平均指標(biāo)難以反映具體機(jī)場(chǎng)的特征。以北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)（PEK）為例，由于承擔(dān)了大量的國(guó)際航線(xiàn)和國(guó)內(nèi)干線(xiàn)運(yùn)輸任務(wù)，其寬體機(jī)占比較高，因此，單次LTO循環(huán)的NOX排放量約為指南推薦平均值的2倍，直接采用指南值將造成較大程度的低估。
該研究以“基于真實(shí)飛行軌跡構(gòu)建中國(guó)航空業(yè)高分辨率排放清單”（Developing a high-resolution emission inventory of China’s aviation sector using real-world flight trajectory data）為題，于2022年5月3日在環(huán)境領(lǐng)域旗艦期刊《環(huán)境科學(xué)與技術(shù)》（Environmental Science & Technology）上正式發(fā)表，并入選為該期封面文章之一（Supplementary Cover）。
論文第一作者為清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院2017級(jí)博士生張敬然。論文通訊作者為清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院張少君助理教授。環(huán)境學(xué)院吳燁教授、郝吉明院士，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院王京（Wang Jing）教授和張小樂(lè)（Zhang Xiaole）博士等在結(jié)果討論等方面提供了重要幫助。研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c08741
供稿：環(huán)境學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：呂婷
