地球科学进展, 2019, 34(7): 688-696 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.07.0688

综述与评述

航空碳排放环境损害评估方法的动态化转换、应用与比较研究

韩瑞玲,1,2, 路紫,1, 姚海芳2

1. 河北师范大学资源与环境科学学院,河北 石家庄 050024

2. 河北师范大学旅游系,河北 石家庄 050024

Study on Dynamic Transformation, Application and Comparison of Aviation Carbon Emission Environmental Damage Assessment Methods

Han Ruiling,1,2, Lu Zi,1, Yao Haifang2

1. Department of Resource and Environment,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050024,China

2. Department of Tourism,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050024,China

通讯作者: 路紫(1960-),男,北京人,教授,主要从事区域开发与管理研究. E-mail:luzi1960@126.com

收稿日期: 2019-01-16   修回日期: 2019-05-26   网络出版日期: 2019-07-26

基金资助: 机场与城市耦合协调研究”.  2018M631757

Corresponding authors: Lu Zi (1960-), male, Beijing City, Professor. Research areas include regional development and management. E-mail:luzi1960@126.com

Received: 2019-01-16   Revised: 2019-05-26   Online: 2019-07-26

作者简介 About authors

韩瑞玲(1984-),女,河北廊坊人,副教授,主要从事区域发展与规划研究.E-mail:hrl309@163.com

HanRuiling(1984-),female,LangfangCity,HebeiProvince,Associateprofessor.Researchareasincluderegionaldevelopmentandplanning.E-mail:hrl309@163.com

摘要

航空市场快速发展与空域资源供给矛盾突出加剧了航空碳排放环境损害。总结了航空碳排放环境损害评估方法的转换及其应用,并比较了评估方法在航空与地面交通方式碳排放评估过程中的特征,认为:评估方法经历了从静态评估到动态评估的转换;航空碳排放环境损害评估方法的应用研究聚焦于碳排放量评估、空域资源利用、起降循环(LTO)阶段排放和减排实践4个关键问题。机场终端区是航空碳排放主要发生地、LTO阶段作为航空碳排放主要发生期,二者逐渐成为评估方法应用研究的重点;减排实践主要体现在针对经济领域的减排措施优化。基于情境评估和总量评估2类方法的应用,航空与地面交通方式碳排放的比较优势和环境损害总量影响通过距离因子和能源消耗量予以体现。提高空域资源交通网络顺畅性、优化航班时刻结构及空域资源配置等更有利于促进航空减排。

关键词: 航空碳排放 ; 环境损害 ; 评估方法 ; 动态转换

Abstract

The contradiction between the rapid development of aviation market and supply of airspace resources has increased the environmental damages of aviation carbon emission. The conversion and application of environmental damage assessment method of aviation carbon emission were summarized, and the characteristics of the assessment methods for air and ground transportation were compared. We found out the followings: The evaluation method has been transformed from static assessment to dynamic evaluation, and focused on four key problems, average and total carbon emissions, airspace resource utilization, LTO stage emission, and reduction practice; Airport terminal area as well as LTO are becoming the focus in the study of aviation carbon emission assessment method, while the former is the main area and the latter is the main stage of aviation carbon emission. The practice of emission reduction is mainly reflected in the optimization of emission reduction measures in economic field; Based on the situation and total assessment methods, environmental damage assessment and comparative advantage of aviation carbon emission and ground transportation carbon emission are reflected in the distance by using distance factor and energy consumption; Improving the smoothness of airspace resource traffic network, optimizing flight schedule structure and airspace resource allocation are more conducive to promoting aviation emission reduction.

Keywords: Aviation carbon emission ; Environmental damage ; Evaluation methods ; Dynamic transformation.

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本文引用格式

韩瑞玲, 路紫, 姚海芳. 航空碳排放环境损害评估方法的动态化转换、应用与比较研究. 地球科学进展[J], 2019, 34(7): 688-696 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.07.0688

Han Ruiling, Lu Zi, Yao Haifang. Study on Dynamic Transformation, Application and Comparison of Aviation Carbon Emission Environmental Damage Assessment Methods. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(7): 688-696 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.07.0688

航空碳排放主要源自于航空燃油在燃烧时与空气混合燃烧后排出的氮氧化物(NOx)、SO2、CO、未燃碳氢化合物(UHC)、CO2、碳烟颗粒(Soot)、PM和飞行尾迹形成的卷云(Aviation Induced Cloudiness,AIC)等污染物[1],其不仅影响空气质量且可造成温室效应。民航飞机飞行过程中,每1 kg飞机燃料可产生3.16 kg CO2,0.011 kg NOx和1.25 kg水汽[2],目前,航空运输排放的CO2占全球人为排放CO2总量的2.0%~2.5%[3]。2010年,基于环保主题的第37届国际民航组织(International Civil Aviation Organization,ICAO)大会和气候变化委员会(The Committee on Climate Change)预计,到21世纪中期航空碳排放量将较1990年增加7~8倍[4],因此,航空碳排放环境损害评估倍受关注[5]。依靠技术手段解决航空碳排放问题被普遍使用,如改善燃料效率参数以及改变航班机队(机型)[6]、开发可持续航空燃料和新能源[7]、适当增加机翼后掠角和展弦比[8]、降低飞行高度和航速来减少NOx排放量和AIC[9]等,以提高燃油效率、减少温室气体排放、节省能源消耗,但是鉴于新型飞机技术性能极高,致使人为干预的可能性极低,技术层面趋动航空减排在短期内难以实现,而且技术革新对全球每年每千米航空碳排放量减少的贡献率不超过1.0%~1.5%[10],所以相对而言,缓解航空碳排放环境损害压力较多依赖于空域资源的要素性重组与管理变革[11]。基于此,本文对航空碳排放环境损害评估已有研究成果进行系统化梳理,以评估方法作为主线总结了航空碳排放环境损害评估方法的转换及其在实践中的应用表现,以发掘航空碳减排的结构性视角和方法,进而引导开展航空碳减排的非技术性要素分析,为促进全方位航空减排实践做努力,也为丰富和发展地理学等多学科开展空域资源研究做铺垫。

1 评估方法从静态向动态的转换

1.1 基准评估模型

尽管航空碳排放环境损害评估方法的应用可以追溯到20世纪80年代中期美国联邦航空局(Federal Aviation Administration,FAA)联合美国空军开发的污染排放及扩散模型系统(Emissions and Dispersion Modeling System, EDMS),该模型系统已兼有机场污染排放量评估和扩散预测等内容,用来评估机场内飞机相关活动对空气质量的影响。但是,依据组织的权威性和操作程序的标准化条件,国际民航组织(International Civil Ariation Organization,ICAO)于2007年制定了一种研究方法,以便更精确地评估飞机的实际排放,首先规定飞机标准的起降循环(Landing and Take-Off,LTO)可划分为4个过程:滑行(滑入和滑出)、起飞、爬升和进近(图1),并依据飞机机型认证数据库以及飞行操作数据库,在规程制定基础上构建了航空碳排放评估模型[12],具体如下:

图1

图1   ICAO标准循环模型

Fig.1   ICAO reference LTO cycle model


Eij=TIMjk×60×FFjk/1000×EIjk×NEj

式中:Eijj机型飞机在一个LTO内i污染物的排放总量;TIMjk,FFjkEIij分别为j型飞机某型发动机在k模式下的工作消耗时间、燃油流量以及污染物i的排放因子g/kg);NEjj型飞机发动机的数量[10],进而,通过求得j机型飞机在机场的LTO循环数量计算j机型飞机的污染排放量。

该模型的意义表现为3个方面:明确了从地表到大气边界顶部高度915 m(3 000 ft)以下区域为LTO运行空间,定义了飞机LTO 4个过程的飞行状态、推力和运行时间等要素,并基此推演和估算飞机飞行过程中CO,HC和NOx等污染物排放量[13]基于所有污染物气体排放数据(平均燃料消耗值和标准时间值等)的总和[14]计算绝对排放量而非相对排放指数(客座率和载运率等);引入机型以提高4个过程中每种污染物排放因子和工作时间的计算精度。ICAO的航空碳排放评估模型在其190个成员国中得到认可并推广,因此被公认为基准评估模型[12],且该模型因适合使用ICAO数据库中的公开数据,故在评估上受限较少。而且,ICAO的文件《关于拟议的空中交通管理运行变化的环境评估指导》还给出了环境损害评估方法框架以及促进环境影响评估的具体方法和指标,即依据美国环境保护署有关机型指标可获得滑入/滑出时间数据,按飞机发动机模式的燃油消耗量计算平均排放量,且在对当地机场建模时假设大气对燃料和排放指数的影响是常数。

继ICAO基准模型之后,各国学者又延伸研发了关于航空污染物浓度、扩散和预测(固体污染物)的系列评估模型。如英国剑桥环境研究公司设计了计算机场周围污染物浓度的空气质量评估模型(ADMS-Airport)[15],其利用输入的每小时变化的气象数据、排放数据和背景污染数据计算污染浓度。Janicke咨询公司与德国机场协会以拉格朗日粒子模型及其扩散模型为基础,开发了应用于机场的LASPORT评估模型,并最终成为计算飞机、辅助动力设备、地面保障设备、机动车等机场污染物排放扩散的标准评估工具。伦敦King.s College环境研究组(Environmental Research Group,ERG)发展了一套独特的机场空气质量管理系统(Netcen),该系统目标是预测固体污染物平均浓度以及年度变化,创建颗粒扩散评估和预测的可靠版本。但是这些评估模型在应用广度和使用频率上相对于ICAO基准模型要低很多。

1.2 基准评估模型的使用导致较大误差

在基准评估模型被广泛使用后却发现飞机依据计划飞行的评估结果与实际飞行航迹的计算结果之间存在偏差。实际上,ICAO在机场空气质量指导手册(Airport Air Quality Guidance Manual,2007)中也曾指出,更精密的评估在使用其认证数据和各模式工作消耗时间(Time-In Made,TIM)的同时,除了需要结合实际飞行航迹数据外,还需要注意3个问题:每个飞机的燃油流量(Fuel Flow,FF)和TIM数据唯一,所以燃料消耗值也是唯一的;每台发动机的工作状态及退化表现不同,其工作效率与新发动机获得的数据认证并非等同(退化会增加3%的燃油消耗及NOx排放);ICAO排放数据库只适应于环境保护要求,并非适应于环境或气候影响的科学研究需求。因此,依据ICAO给出的污染物排放指标,如各飞行操作阶段时间定义、推力设置等皆为计划均值,而实际飞行势必导致计算结果存有多种偏差[12]

Turgut等[1]以伊斯坦布尔国际机场常用的7种飞机发动机类型为研究对象进行航空碳排放研究,发现7种发动机的实际TIM和FF消耗值较ICAO计划平均低35.43%。虽然飞机在起飞前10 s内的平均FF与起飞的FF差别较小,但在起飞前最后30 s内的平均值明显偏低。此外,总体起飞的平均FF也比ICAO起飞值要低得多(图2)。因此,将ICAO建议的起飞FF作为起飞FF的总体平均值可能会导致对燃料消耗的高估,特别是对NOx排放的高估。即使在该机场飞行流量极大的情况下,LTO实际能源消耗仍会低于ICAO数据值32%~40%。通过跟踪实际FF和TIM值的一个LTO周期HC,CO和NOx排放值发现,实际HC和CO排放量比相应的ICAO数据值均低34%,NOx低38%(图3)。而且此结果仅是针对单个引擎,对于具有多个引擎的飞机来说,实际排放和ICAO规定的LTO排放之间的绝对差异可以达到2~4倍。韩博等[16]也使用实际飞行时间的燃料消耗数据计算了航空碳排放量,与基准模型的结果对比后发现,起降循环阶段飞行时间偏长37%,滑行过程污染物排放误差达到45%。

图2

图2   ICAO平均起飞燃油消耗率与起飞前燃油消耗率比较(据参考文献[1]修改)

Fig.2   Average takeoff FF with respect to duration before liftoff modified after reference[1])


图3

图3   单引擎HC,CONOx排放实际值与ICAO计划值的差异(据参考文献[1]修改)

Fig.3   Comparison of single engine LTO emissions NOx, CO and HC modified after reference[1])


1.3 评估模型的动态化转换

ICAO对于航空污染排放的标准对于一般性的考核或研究仍然具有不可忽视的作用。但是,随着整个航空运输系统的不断进步,ICAO的规定指标迫切需要调整。基于新一代航运体系的动态空域配置(Dynamic Airspace Configuration,DAC)与动态空域分区(Dynamic Airspace Sectorization,DAS)变革[17],由新方法、新模型引入和大数据传输所支持的动态性系统应用正在逐步开展。在ICAO基准模型应用的基础上,对航空碳排放模型参数进行修正并估算飞机碳排放总量[12],将数据监测时间由年改为周,监测对象由单架飞机改为某航空公司机队某型飞机,具体如下:

Et=ikEik

式中:i为污染物类型;k为发动机工作模式;Eik为污染物ik模式的1周排放量(kg);Et为飞机污染物1周排放总量。

Eik=jeNEjLTOjeFjekEjekiTIMkj

式中:j为飞机类型;e为航空公司;NEjj型飞机的发动机数量(台);LTOjee航空公司j型飞机1周 LTO循环数;Fjek,EjekiTIMkj分别为e航空公司j型飞机在k模式下的燃油消耗率(kg/s)、排放因子(g/kg)和工作时间(s)。

Fjek=1AnKnFnki

式中:Ae航空公司j型飞机总架数;n为发动机类型;Kne航空公司j型飞机配n型发动机的架数,Fnkin型发动机在k工作模式下的燃油消耗率(kg/s);数据来自于ICAO发动机排放数据库。

Ejeki=1AnKnFEnki

式中:Enkij型发动机在k工作模式下的污染物i的排放因子(g/kg)。

为了获得尽可能准确的结果,在评估中还应尽量减少变量均值的使用,可鼓励机场或航空公司开发记录器以获取长期记录的统计数据,并借此修正ICAO的时间模式标准。如李超役等[14]采用机载快速存取记录器(Quick Access Recorder,QAR)记录的实时变化数据估算了飞机尾气污染物排放变化情况。QAR数据包含了飞机飞行的具体时间参数、发动机参数(燃油流量和推力等)及其自身性能状态参数,可依据该数据划分飞机的各阶段状态,计算各阶段燃油消耗量和污染排放量。中国民航总局大数据基站汇集了各航空公司提交的QAR数据,不仅支持了实际运行下分阶段、不同航空污染物排放(气体型污染物、颗粒型污染物)的精准定量评估,也实现了单日航空碳排放量的自动计算。魏志强等[18]借助燃油流量法推导出替代ICAO基准排放模型的各阶段飞行时间、推力、燃油流量等参数的计算公式,给出各种污染物的排放指数修正模型,进而通过QAR数据估算飞机各飞行阶段的污染物排放量。

2 评估方法的应用研究

2.1 基于数量研究的碳排放评估

在ICAO致力于航空碳排放计量精准化的影响下,学者开始借助ICAO排放数据库评估研究航空碳排放量及其影响。如夏卿等[12]通过计算中国123个机场的气体污染物排放量拟合得到LTO循环数与各种污染气体排放的关系;闫国华等[19]利用ICAO数据库和中国民航统计数据分别计算了飞机不同操作阶段及飞机执飞完整航线的CO2排放量。由于全球航空碳排放压力加大主要源于机队持续增长,且单机碳排放在国家间已无差别,所以2010年以来航空碳排放环境损害评估除关注碳排放总量外,还关注客均碳排放量。如Postorino等[20]确定了与某些特定航空运输服务(地面飞机滑行及机场物流运输)排放源相关联的单位碳足迹(Unit Carbon Footprints,UCFs)并计算了每个排放源对CO2总量的贡献。实际上,航空碳排量评估是由航空供需矛盾所引发的,针对环境保护的碳排放量评估在实际应用中已占据主导地位,其为全球航空业整体减排构建环境公平奠定了重要基础。

2.2 机场终端区空域资源利用基础上的碳排放评估

机场终端区既是飞机航路飞行和进离场近地飞行的过渡区域,也是飞机高度、速度、角度频繁变换的大密度交通流的主要空域单元,其极大地增加了航空污染排放的环境压力,对航空污染排放环境损害评估至关重要。目前,针对机场终端区空域资源开发利用的航空碳排放环境损害评估方法应用研究主要集中在如下3个方面。

(1)机场终端区跑道系统和进离场航线网络直接影响飞机近地飞行距离进而影响航空碳排放量[3]。Kim等[21]建立了跑道分配和进离场排序优化仿真模型,其结果可分别降低进离场碳排放量的30%和3%;樊守彬[22]采用分阶段方法评估了缩短飞机跑道滑行时间对降低碳排放总量的作用;David等[23]根据飞机低空、低速燃油消耗特性建立了TSFC模型以提高飞机进离场阶段的燃油消耗计算精度;李可等[24]建立滑行飞机流优化算法,通过改革机场终端区进离场航线网络以达到降低航空污染排放目的。

(2)航空气象条件变化、航班流量临时管理等会影响空域资源的调度发生阶段性波动[25],因此碳排放评估也重视与空域优化相结合。如Olfat等[26]利用模糊动态网络数据包络分析模型提高机场终端区资源利用效率,进而降低燃油消耗和污染气体排放;Kim等[27]采用整数线性规划方法,证实与持续下降进近(Continuous Descent Approach,CDA)相比阶梯进近具有明显优势,并基于总燃油消耗和总排放最小化目标建立了终端区空域优化分配模型;Terry等[28]认为机场终端区交通流密度和进离场飞行路径分段是2个调整航空碳排放环境损害的关键因素;Mihetec等[29]提出临时性、模块化空域优化对飞行效率提高、空域资源充分利用以及航空碳排放减少具有显著作用。

(3)空域动态配置通过管理单位时间内抵离航班的起降组织结构[30]影响航空碳排放,所以航班时刻结构对解决飞机因等待而增加污染排放问题尤为重要。如Mihetec等[31]从时间成本视角和动态空域角度开展了航空碳排放评估,发现时隙因素是构成空域资源充分开发利用和提高空域环境效率的基础。

2.3 LTO阶段的碳排放评估

航空碳排放主要集中于LTO和巡航2个阶段,从民航飞机NOx的排放分布看,地表垂直高度1 km和9 km处排放量最大,其中1 km的近地面区域是LTO的主要活动高度,NOx,CO和PM等有毒物质集中排放,对人类活动影响较为突出,所以,绝大多数航空碳排放环境损害研究集中于此[14]

(1)以航空碳排放集中的滑行过程分析为主。LTO阶段中飞机滑行过程污染排放占LTO阶段的比例高达50%[32],因此航空碳排放环境损害测试分析较多以滑行阶段排放为研究热点[33]。如Khadilkar等[34]依据LTO阶段滑行过程中形成的较高燃油消耗和排放指数,建立了飞机滑行燃油消耗和排放计算模型,得到污染物排放量与滑行时间和加速次数成正比[35]以及启—停模式比匀速滑行模式燃油消耗提高35%的结论;Guo等[32]建立了价值评估模型,证实了滑行对发动机燃油消耗和碳排放的突出影响。

(2)结合机型分析LTO阶段碳排放特征。普遍的做法是依据污染物排放浓度限制考察空域单元服务能力。如Lobo等[36]对机场下风向100~300 m的PM排放构建了不同机型起降的计算模型并计算其分布规律;Stell[37]依据不同机型的航迹实验数据,通过飞机重量等计算燃料消耗并判定最佳下降顶点的位置,验证了圣杜蒙特机场应用基于性能导航(Performance Based Navigation,PBN)程序和所需导航性能(Required Navigation Performace,RNP)程序对减小航空环境损害促进区域增益的作用。

(3)针对LTO阶段飞机燃油效率的分析。如Kurniawan等[25]对比分析了LTO阶段中污染物排放不同计算方法的优缺点,发现影响航空碳排放计算结果的主要因素是排放指数、燃油消耗和不确定飞行;Muller等[38]指出RNVA(Area Navigation)/RNP程序比传统进场程序能节省燃油和排放40%;Ravizza等[39]还将路径优化模型和多目标模型相结合建立了飞机LTO阶段的排放浓度模型,并对比了不同速度的滑行时间和燃油消耗的关系。

2.4 关注经济领域减排实践

航空业已成为全球第一个承诺自我减排的行业,但势必影响不同主体的经济利益,所以学者将航空碳排放的评估与经济领域、减排措施优化相结合,为提升区域经济效益以及持续降低航空污染排放压力做积极贡献。

(1)关注航空公司的优化运营。Brueckner等[40]使用美国航空公司1995—2015年数据,对航空公司燃油总量与7个关键变量(可用吨数英里数、平均座位容量、平均飞行距离、平均负荷系数、平均出厂年份、航班延误百分比和年平均燃料价格)进行碳排放回归分析,通过燃油价格效应给出最优排放费用对策;Khoo等[2]提出用绿色机群指标(Green Fleet Index,GFI)衡量飞机污染排放、噪音、能源利用效率以及飞机环境影响,给出增加飞机负荷以减少航空公司服务频率的建议。

(2)关注机场的优化运行。Xue等[41]创新了机场终端区二维航线网络路径优化模型,提出了有效降低燃油消耗和航空碳排放的进离场航线优化设计;Simaiakis等[42]利用拥堵控制方法得出延长停机位等待时间减小滑行时间节省机场地面阻塞(燃油)的策略;Ozkurt[43]结合埃森博阿机场和周边发展规划进行了噪音评估,提出应对环境污染确保运行容量增长的有效管理和长期规划。

(3)关注国家层面的航空减排。何吉成[44]在采用燃油消耗排放因子法估算中国民航飞机大气污染物排放量的基础上,整体分析了全国大气污染物排放强度及变化;陈林[45]采用政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)评估方法测算了中国民航业CO2排放量与排放强度,并提出降低油耗和CO2排放强度的若干措施;Knorr等[46]评估了美国和欧洲的民航产业运行状况,提出在飞行下降阶段采用速度控制策略有效节省时间和燃油以改进空中交通管理效率的建议。

3 评估方法的比较研究

ICAO的航空碳排放评估模型核心是利用燃料消耗量排放因子法计算污染物排放总量。随着交通碳排放评估方法应用研究的不断深入,逐步形成了多种碳排放研究方法综合运用的成果,主要表现在航空碳排放与地面交通方式(高铁、汽车和公共汽车)碳排放环境损害评估的比较研究中。常见的主要有情景评估和总量评估2类(表1),具体评估特征表现为3个方面。

表1   不同交通方式碳排放评估方法比较

Table 1  Comparison of carbon emission assessment methods for different modes of transportation

类别评估方法评估目的评估标准
情景评估方法同步优化分析方法[47]比较相同路线不同交通方式承载量能量消耗与预测
生命周期评估方法[48]评估长距离高铁、汽车和飞机环境影响一个生命周期内电动高效汽车、高铁、下一代飞机的碳排放量
双寡头垄断模型[49]评估航空运输与高铁竞争的环境影响飞机和高铁环境影响动态模拟
碳足迹评估方法[50]评估不同交通方式碳排放量模拟碳排放总量
总量评估方法仪器检测与计算方法[51]比较飞机与机动车环境影响飞机、汽车所在机场、公路附近空气质量监测
动力学方程[52]量化比较航空与高铁的能耗2种交通方式实际消费模拟数据
燃料消耗量排放因子法[15]比较飞机与机动车污染排放总量碳排放总量数据

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(1)选择关键因子发掘不同交通方式碳排放环境损害评估的比较优势,同步优化分析方法、生命周期评估方法、双寡头垄断模型等,均选用距离因子测算并反映不同交通方式碳排放环境损害程度[45]。研究发现,小于500 km短途区间上飞机是一种能耗低效交通模式;500~800 km中短途区间上飞机污染排放高于高铁;800~1 000 km中途区间上高铁仍有明显碳排放优势;大于1 000 km长途区间上飞机的环保优势逐步增加,碳排放量也随距离变化呈现偏态分布结果[47]。飞机的碳排放环境损害在短区间运输中表现较为突出,体现出距离因子影响了机场终端区尤其是LTO阶段污染物排放量。飞机污染物排放量与LTO次数成正比关系[13],飞行距离越长且经停次数越多则排放量大。

(2)利用距离和能源消耗量参数表现不同交通方式碳排放量评估优势,燃料消耗量排放因子法、仪器检测与计算方法等通过测算能源消耗量进而全面动态评估各方式的环境损害影响。如通过评估意大利都灵—法国莫达讷(80 km)的航班与列车的能源消耗,发现飞机(波音737,能耗0.444×106 Wh/乘客)>高铁(0.039×106 Wh/乘客)[47];通过评估伦敦希斯罗—巴黎戴高乐(400 km)有毒分子排放量,发现飞机释放量(9 760单位量)和单位释放量(每个座位的NOx释放量为192.55 g)>高铁(5 882单位量,17.57 g)[50],但高铁的沿途气体污染物排放相对严重;在对澳大利亚墨尔本—悉尼(800 km)的碳负荷仿真预测中发现,高铁比航空每年可降低CO2排放0.37×106 t[53]。另外,燃料上游、基础设施材料制造和施工过程等要素也被考虑,发现飞机碳排放比汽车高出63%以上,进一步验证了航空碳排放在整个交通运行中的环境损害较为突出。

(3)依据评估结果制定能源和环境方面的客运决策,使用生命周期评估方法等以城市(区域)为切入点[51]关注不同交通方式碳排放和整体交通网问题,以确定不同区域交通方式的最佳交通组合。引入高铁的高额基础设施建设和维护费用等降低其碳排放优势,但增加飞机频率会增加碳排放量[49],因此需要准确计算给定城市(区域)不同交通模式的能耗和环境影响。法兰克福和戴高乐等机场将机场与高速铁路网相连并以高铁替代部分短途航班以完成路网环境优化设计[10]。当枢纽机场容量受限或航空/高铁交通流密度增大时可通过调整铁路速度或航空—高铁连接时间减少碳排放。

4 结论与展望

ICAO提出的航空碳排放环境损害评估模型作为使用最为广泛的权威方法,其在使用过程中由于所用指标大多为计划平均值,与实际计算结果有较大偏差,所以此基准模型经历了动态转换的过程,主要表现在对航空碳排放模型参数进行修正或者使用实际飞行数据作为碳排放量的计算标准。

鉴于目前航空技术减排仍难以明显奏效,因此伴随着航空供需矛盾的不断升级,促使新方法、新模型和大数据等辅助技术激发了对航空碳排放量问题的系列研究。航空碳排放损害评估主要被应用于航空碳排放量评估、空域资源利用、LTO阶段碳排放评估和经济领域减排实践4个方面,为航空碳减排的非技术性方法研究提供了方向。

充分考虑航空活动的主要区域——机场终端区空域容量和承载力,证明了机场终端区跑道与进离场航线网络、空域优化以及时刻结构是影响航空污染减排的关键参考点。而以滑行过程排放、机型和飞机燃油效率分析为切入点,又发掘出LTO阶段的巨大减排潜力。未来,以反向推演的思维模式进行航空减排是重要研究趋势。

航空与地面其他交通方式的碳排放环境损害评估方法的比较研究中,学者以距离和能源消耗量作为重要参数,通过情景评估和总量评估2类方法反映出交通碳排放的比较优势及环境损害影响,前者较多关注一个完整周期内各交通工具的碳排放比较优势并充分考虑了所有要素和环节;后者则以排放量计算为基本思路,可测得不同交通方式的碳排放环境损害影响,并最终用于确定区域不同交通方式环境优势以及选择最佳交通组合类型。

空域研究是空域学与地理学交叉衍生出来的一个新领域,对丰富地理学研究也有重要帮助。地理学研究航空污染排放拓展了空地关系研究的新领域,对于探索空域资源与区域要素的耦合关系具有重要意义。地理学角度的航空网络及机场空域的结构分析是航空减排的一个重要突破口。目前地理学将空域系统与陆域系统相结合的航空碳排放研究尚为鲜见,探索领域十分广阔。

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