地球科学进展

地球科学进展, 2023, 38(3): 309-319 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2023.008

可持续发展

基于空域资源时空优化配置的航空碳减排研究

韩瑞玲,

河北师范大学 地理科学学院，河北 石家庄 050024

Research on Aviation Carbon Emission Reduction Based on Optimal Spatial and Temporal Allocation of Airspace Resources

HAN Ruiling,

School of Geographical Sciences, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China

收稿日期: 2022-05-10   修回日期: 2022-11-10  

基金资助: 国家自然科学基金项目“航空碳排放环境效应评估及其对空域资源优化配置的减排响应研究”.  42071266
河北省自然科学基金项目“基于空域资源配置的京津冀多机场系统区域协同与环境效应研究”.  D2021205003

Received: 2022-05-10   Revised: 2022-11-10  

作者简介 About authors

韩瑞玲（1984-），女，河北廊坊人，教授，主要从事区域低碳可持续发展研究.E-mail：hrl309@163.com

HANRuiling(1984-),female,LangfangCity,HebeiProvince,Professor.Researchareasincluderegionallow-carbonandsustainabledevelopment.E-mail:hrl309@163.com

摘要

中国航空碳排放量持续增加且呈现出不断增长趋势。空域资源供给不充分、技术趋动的航空碳减排成效不突出加剧了航空碳排放。梳理了空域资源配置与航空碳排放的关系，分别从时间和空间维度回顾了空域资源优化配置研究，以寻求航空碳减排路径。研究发现：空域资源有效配置是航空碳减排的有效方法。航空碳排放在航空器运行的不同阶段表现存在差异，航班时刻资源组织优化可以提高空域环境效率；机场终端区是航空碳排放的主要空域，而构建多机场系统有助于提高区域空域资源利用效率。创新性地将地理学研究思维应用到与空域相结合的航空碳排放的研究议题上，基于陆域与空域联动融合，提出空域资源配置—减少空中拥堵—扩充空域容量—航空碳减排的研究思路，构建航空碳排放与空域资源优化配置的共促机制，以期丰富地理学研究内容，完善航空碳排放问题的多学科研究范式，为促进我国航空碳减排与民航业绿色发展提供切实可行的科学建议。

关键词： 航空碳排放 ; 空域资源 ; 航班时刻资源 ; 时空优化配置

Abstract

China’s aviation carbon emissions continue to increase and show a growing trend. The inadequate supply of airspace resources and the ineffectiveness of technology-trending aviation carbon emission reduction have exacerbated aviation carbon emissions. This study analyzes the relationship between airspace resource allocation and aviation carbon emissions and reviews the optimal allocation of airspace resources in temporal and spatial dimensions to identify the path of aviation carbon emission reduction. The results show that the efficient allocation of airspace resources is an effective way to reduce aviation carbon emissions. Aviation carbon emissions vary in different phases of aircraft operations, and optimizing the organization of airport slots is important for improving the environmental efficiency of airspace. The airport terminal area is the main airspace for aviation carbon emissions, and building a multi-airport system can enhance the utilization efficiency of regional airspace resources. This study innovatively applies geographic research methods to the topic of aviation carbon emissions in conjunction with airspace. Based on the integration of land and airspace, the research idea of “airspace resource allocation-reducing air congestion-expanding airspace capacity-aviation carbon emission reduction” is proposed to build a co-promotion mechanism for aviation carbon emissions and airspace resource optimization allocation. Its aim is to enrich the content of geographical research, improve the multidisciplinary research paradigm of aviation carbon emissions, and provide practical scientific suggestions to promote China’s aviation carbon emission reduction and green development of the civil aviation industry.

Keywords： Aviation carbon emissions ; Airspace resources ; Airport slot ; Spatial and temporal optimizing allocation

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韩瑞玲. 基于空域资源时空优化配置的航空碳减排研究. 地球科学进展[J], 2023, 38(3): 309-319 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.008

HAN Ruiling. Research on Aviation Carbon Emission Reduction Based on Optimal Spatial and Temporal Allocation of Airspace Resources. Advances in Earth Science[J], 2023, 38(3): 309-319 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2023.008

1 引 言

中国航空碳排放量持续增加，并且随着空中交通需求增加伴随的民用航空器数量增长还将持续增长［1］。作为全球航空业发展的重要引擎，截至2019年底，中国民航运输规模连续15年稳居世界第二位，并逐年缩小与第一名（美国）的差距（图1）；国内民航客流增长率为全球平均水平的3倍［2］，预计2035年中国将超越美国成为世界最大的航空运输市场［3］。航空碳排放主要源自航空燃油在燃烧时与空气混合燃烧后排出的氮氧化物（Nitrogen Oxide， NO X ）、SO2、CO、未燃碳氢化合物（Unburned Hydrocarbons， UHC）、CO2、碳烟颗粒（Soot）、PM、飞行尾迹以及形成的卷云（Aviation Induced Cloudiness， AIC）等污染物［4］，不仅影响空气质量而且可产生温室效应［5］，其中CO2排放量占总排放量的87%［6］。民用航空器飞行过程中，每1 kg航空器燃料可产生3.16 kg CO2、0.011 kg NO X 和1.25 kg水汽［7］，航空器飞行燃料碳排占民航碳排总量的95%以上。因此，航空运输的低碳发展一直备受关注［8］。

图1

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图1   2005—2020年中美两国民航客运量变化趋势图

Fig. 1   Chart of aviation passenger traffic trends in China and the United States from 2005 to 2020


目前，航空业已成为全球十大温室气体排放行业之一［9］，航空运输排放的CO2占全球人为排放CO2总量的2.0%~2.5%［10］，中国航空碳排放量占全球人为碳排放量的0.22%［11］。2019年航空碳排放量已占到全球交通运输业碳排放总量的10%［12］，中国航空碳排放量占中国交通碳排放量的6.09%，占中国碳排放总量的0.5%。亚太地区最热门航线：北京首都—上海虹桥（飞行距离1 088 km）的头等舱人均碳排放达到了1.70 t，相当于一辆中型SUV一年碳排放量的1/3。2019年中国航空运输总周转量为12.93×1011 t/km、旅客运输总量为65.99×107人次，较2005年分别增长了394.99%和377.28%［13］；2019年中国航空燃油消耗3.68×107 t，较2005年增长了319.10%。2021年底，中国航空工业发展研究中心发布的《民用飞机中国市场预测年报（2021—2040）》报告指出，中国民航运输业将恢复稳定增长，未来20年共需要补充民用客机7 646架。按照该预测，中国航空运输市场规模及航空碳排放量还将继续保持扩张趋势。

2012年，欧盟将国际航空业纳入到欧洲碳排放交易体系（European Union Emissions Trading System，EU-ETS），限定所有飞经欧盟境内航空公司的民用航空器碳排放量，中国有33家航空公司被纳入该体系［14］。2019年，国际民航组织（International Civil Aviation Organization，ICAO）开始执行国际航空碳抵消和减排计划（Carbon Offsetting and Reduction Scheme for International Aviation，CORSIA），要求所有重要的航空公司强制记录国际航班的排放量［15］，并从2021年开始执行为超过排放基准的碳增长付款的政策。中国为应对减排压力，国家发展和改革委员会2014年印发《国家应对气候变化规划（2014—2020年）》，指出中国将致力于航空产业低碳发展；2016年印发《关于切实做好全国碳排放权交易市场启动重点工作的通知》，指出航空业将被纳入全国碳市场8个重点排放行业，具体包括航空旅客运输、航空货物运输和机场3个子行业。2017年，党的十九大提出要从源头上、整体上充分利用资源、切实减少排放（甚至零排放）［16］。2018年，中国民航局发布《关于深入推进民航绿色发展的实施意见》，进一步促进民航航空器节能减排。2020年9月，习近平在第75届联合国大会上表示中国碳排放力争于2030年前达到峰值［17］，在2060年前实现碳中和，为民航减排工作提供了指导方案。2022年，党的二十大再次强调深入推进环境污染防治、积极稳妥推进碳达峰碳中和，为进一步推进航空减排工作指明了发展方向［18］。

目前，关于航空碳排放的研究主要集中于3个方面：①对航空碳排放总量测算是研究航空污染程度的基础工作［5］。总体上，国内外航空碳排放均呈增长趋势，且近年来增幅逐步变大［19］。②关注航空公司碳排放效率问题，才能更好地判定民航业发展的环境绩效［20］。一般情况下，技术因素［21］和运营效率［22］对油耗的影响较大。③做好科学的航空碳排放影响因素分析及预测工作已成为探索航空低碳可持续发展之路的重要基石和研究方向［1］，运输规模和单位收入等对航空碳排放的影响最为显著［23］，能源强度和机场规模等变化最有可能促进碳减排［24］。民航业具有高成本、低盈利的特点，碳排放增加会极大地提高民航业经营压力。中国正处于从民航大国向民航强国迈进的关键时期，深入推进民航业低碳发展势在必行。促进航空碳减排有利于民航业加速适应全球低碳发展趋势，对构建我国高质量现代化经济体系及提高中国民航业的国际影响力具有重要意义。由于航空碳排放的核心发生地为空域［25］，随着近年来空域资源的供给矛盾日益凸显，空域拥堵和容量不足直接影响航空碳排放量。因此，本文尝试将地理学与空域学关注的热点问题有机结合，将航空碳排放与空域资源配置问题有效衔接，使用地理学方法更全面地认知空域资源空间组织结构与形态价值、功能分区与空间关系等特征；充分发挥空域学对空间要素组织的技术性思维特征，从空域资源时空优化配置角度推演航空碳减排有效路径。本研究拓展了地理学对陆域、海域研究的传统范围，对构建航空碳排放问题的多学科研究思路具有深远的学科发展意义，也将为应对国际民航运输业碳减排压力和民航业绿色发展提供科学指导。

2 空域资源配置与航空碳排放的关系研究

2.1　空域资源有效配置是航空碳减排的有效途径

空域具体为地球表面以上支持航空器飞行的空气空间［26］。空域资源指在空中交通运输生产中能够满足人类当前或未来使用需要，能产生使用价值并影响劳动生产率的空域要素［27］，是国家重要的战略资源。空域资源配置是在空域资源总量有限的条件下为充分满足不同使用者的飞行需求进行的适当分配，以及对资源结构进行的优化调整［28］，主要包括航班时刻资源的重组利用与组织优化，以及空域空间的动态使用、重新划设与功能分区。航班时刻资源（SLOT）是在特定机场，为使航空器实现在特定日期起降和飞行而获得或分配的进港或离港的预定时间，是提供航空器起降活动的机场设施和时间条件［29］。空域空间则是利用航空器航迹分布及集中程度差异，分析空域划设、调整及使用方案［30］，判定空域容量释放的可能性与范围。人类对空域资源的开发利用因其本身的主权、自然、经济和安全等属性而呈现出多要素综合协调、多利益主体相关的特征。相较而言，空域资源的边际特征更为模糊，应用管理更为灵活，形态偏向更加动态表征化。

借助技术手段解决航空碳减排问题已较为普遍［5］，如更新能源材料或开发可持续航空燃料［31］，调整飞行高度、航速及状态［32-33］等，但是鉴于已有航空器技术性能非常成熟且新能源燃料价格极高，使得技术层面驱动航空减排在短期内难以普及［8］，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%~1.5%［34］。因此，非技术手段的航空碳减排问题被提上日程，其核心问题是减少空中拥堵。利用空域资源时空统一的突出特性对空域资源进行有效组织和管理，进行基于时空结合与演变的航空流拥堵识别来释放时刻供给（图2），以及跨越空中交通单元飞行冲突来释放空域瞬时循环利用潜力，既是空域治堵、扩容的核心，也是抑制航空器低效运行而增加碳排放量的有效手段。

图2

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图2   航空碳减排与空域资源配置关系图

Fig. 2   Relationship of aviation carbon emission reduction and airspace resources allocation


2.2　空域资源不足加剧了航班时刻资源供需矛盾及航班碳排放量

空域资源不足加剧航班时刻资源供需矛盾，导致航班拥堵及航空碳排放增加。航班时刻资源高效利用主要反映在航空器在空域运行的高差、转向与变速的时间占用，以及整个机场单位时间内航空器运行的秩序。航班时刻是航空运输业发展的重要资源［35］，是一种时间和空间配置的综合竞争力资源［36］。航班时刻包括可用规模和质量两层含义，前者指航班时刻数量，后者指起降时刻的具体时间。空中交通的持续增长伴随机场和空域容量的有限增加，加剧了航班时刻的供求矛盾，进一步制约了航空运输业的有序发展和市场容量，也导致航班拥堵及航空碳排放增加。

航班时刻规模方面：中国航空市场规模的地区差异导致了时刻资源地区性相对紧张并引起航班延误的区域性传导，加剧了时刻资源空间配置不均衡。目前，北京、上海和广州三地四大机场（未包含北京大兴国际机场）集中了全国将近50%的客运量，全国90%的航班延误均由这4个机场衍生，特别是北京首都国际机场和上海浦东国际机场［37］。首都国际机场高峰时段日均起降在1 500架次左右，浦东国际机场日均起降1 700架次左右。国内主要的大型枢纽机场已经超负荷运转，一线城市的航班时刻早已“一刻难求”，国内各大航空公司摩拳擦掌抢占资源，外籍航空公司虎视眈眈不甘示弱。与此同时，大量中低客流量航线的航班密度低位运行，大量中小机场利用率严重不足，这种航班时刻资源分布的地区差异导致了机场资源的浪费和亏损［38］，会造成航班延误和航空碳排放增加。

航班时刻质量方面：航班时刻资源拥挤是影响航班正常率的最主要原因［29］。2005—2019年，中国航班正常率由82.1%波动下降至81.65%，平均为77.19%（2012—2017年航班正常率均低于75%），低于日本和美国等航空公司水平。2017年，世界十大延误率最高的机场中国有8个。如广州白云国际机场、上海虹桥国际机场和上海浦东国际机场准点率分别为54.58%、54.30%和51.60%，排位第三、第四和第七。航班时刻资源需求是一种引致需求，直接由航空客货运输需求决定，繁忙机场、枢纽航线客流量大、航班数量多则直接加剧了航班时刻资源的拥挤，影响了航班正常率，也会造成航班延误和航空碳排放增加。

2.3　空域资源供给不足加剧空域局部拥堵与航空碳排放

随着中国空中交通服务活动的快速展开，空域资源的稀缺性和有限性矛盾日益凸显。2000—2019年，中国民航运输总周转量年均增长12.51%（图3），按不重复距离计算的国内航线总里程年均增长仅为9.65%；截至2019年底，民航旅客周转量在中国综合交通运输体系中的比例超过30%，中国境内机场全年旅客吞吐量超过13×109人次，国内航空客流的增长率是全球平均水平的3倍。虽然2020年受新冠疫情影响，相较于2019年中国民航运输周转量下降了38.3%，但国内航线总里程增加7.86×104 km，在严格执行疫情防控的标准下，中国民航运输成为全球恢复最快、运行最好的市场。与此同时，中国民用航空运输空域仅为全国空域的25%左右，民航空域年均增速仅为1%~2%，空域资源增速与民航运输发展速度不相匹配［39］。中国和美国总空域面积相当，中国民航可常态使用空域面积约为美国的1/3，民航可用空域负荷约为美国的1.5倍；中国与欧洲空域面积相当，中国民航的飞行保障任务相当于是利用欧洲1/3的空域保障了欧洲2/3的飞行量［37］。这主要是因为中国将空域划分为高空管制区、中低空管制区、进近管制区和塔台管制区4类，非管制空域不充分，城市对航路航线划设相对固定且较为单一，使用时相对固化，灵活程度不高；空域资源开发不足与闲置浪费并存，致使空中交通拥堵严重，促使航空碳排放增加。

图3

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图3   2000—2019年中国航空运输指标与航空碳排放量指标变化图

Fig. 3   Change chart of China’s air transport index and aviation carbon emission index


3 时间维度开展的航空碳排放与空域资源配置研究

3.1　航空碳排放在航空器运行不同阶段存在差异

航空器一次完整的飞行过程包括标准的起降循环（Landing and Take-Off，LTO）和巡航2个阶段，其中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，以上为巡航空间。LTO阶段排放的气体主要对机场附近的大气环境产生影响，NO X 、CO和PM等有毒物质集中排放［40］；巡航阶段排放的气体则影响了对流层顶到平流层之间的大气成分［41］。其中，由于LTO阶段飞行状况相对复杂，所以已有研究对该阶段的航空碳排放研究也比较集中，主要表现在：①以航空碳排放集中的滑行过程分析为主。LTO阶段中航空器滑行过程碳排放占LTO阶段的比例高达50%［42］，因此滑行阶段的碳排放研究多针对具体飞行过程评估碳排放量差异［43］。②LTO阶段碳排放特征受机型影响。ICAO在机场空气质量指导手册（Airport Air Quality Guidance Manual）中已经明确了各机型主要污染物排放系数，可据此具体考察空域单元服务能力［44］。③LTO阶段碳排放特征受航空器燃油效率影响。一般情况下，客座率、机型、进场程序［45］和排放指数［46］等均对航空器燃油效率产生影响。巡航阶段航空器飞行时间长，因此一次飞行中约92%的航空碳排放量集中于此，即使飞行高度在7 500 m以上，航空器排放的污染物也会通过大气环流影响地面空气质量［47］。

3.2　鼓励航班时刻资源市场化交易以优化空域资源配置

航班时刻资源的初始配置在效率公平的兼顾上未尽完美。航班时刻资源的初始配置主要有祖父权利、抽签和拍卖3种形式［48］。其中，祖父权利继承方式的应用最多，主要通过建立时刻分配池，把有限的航班时刻资源按一定原则进行行政化分配，其局限性主要体现在公平性缺失。抽签形式因分配效率低、分配周期长而备受冷落。拍卖形式分配虽然效率最高，但成本高，每年只有10%的牌照会被拍卖［49］。在航空需求波动较小、需求不确定性较大的情况下拍卖的效果最佳［50］。目前，中国各航空公司对航班时刻资源的使用权争夺日益激烈，然而祖父权利方式赋予在位航空公司使用时刻资源的长期优先惯性，最终降低了航班时刻资源的平均分配和使用效率。目前，中国采取祖父权利规则配置的航班时刻资源数量占总数的90%以上，在繁忙的机场甚至达到了95%［51］。

航班时刻资源配置不当造成的资源闲置和滥用，加剧了空域资源紧张的情况，并导致碳排放增加。即使在航班时刻资源非常拥挤的机场，每年也会有超过10%的时刻并未使用过［52］；一些大型欧洲机场每季度因航班时刻资源未使用而减少约2 000万欧元的收入。航班时刻资源分配机制的低效率使得资源滥用结果被放大，导致枢纽机场或热门时刻航班大量聚集，促使拥堵边际成本内部化并通过环境成本增加予以呈现［53］，对机场、航空公司、乘客和社会产生负面的经济与环境影响。

3.3　航班时刻资源组织优化是提高空域环境效率的重要手段

积极探索航班时刻的有效分配方法，对解决运力不足、机场延误和缓解航空碳排放有积极意义。航班时刻结构对解决航空器因等待而增加污染排放的问题尤为重要，从时间成本视角开展的航空碳排放评估，发现时刻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［26，54］。使用动态时刻替换算法，航空公司可通过取消并释放航班占用的时刻来获得其期望的时刻，以充分考虑航班时刻资源的多主体及要素；使用时刻分配随机模型［55］可有效利用计划时刻与航空公司请求之间的时间差，以减少58%的航班延迟；时刻控制还可以减少美国主要机场由拥堵引起的超过60%的潜在航班延迟［56］。因此，通过空域动态配置对单位时间内抵离航班的顺序进行组织管理［57］可以减少航空碳排放。另外，航班延误的区域性传导影响增加环境效应的区域传递可能。中国枢纽机场的时刻过分饱和，热门航线、航路的航班时刻资源被超负荷使用，如北京与成渝机场群、广深机场群、上海与广深机场群构成的高拥堵集中区域［58］，加剧了航班延误影响的环境效应的区域传导。

目前，航班时刻资源优化路径主要集中在2个方面：①通过调整航空器队列进行优化。基于地面等待策略建立航班时刻优化模型可有效缓解机场空中交通拥堵问题。通过起降队列瓶颈模型可对机场队列进行内生调整以保证航空器选择最佳运行时间，保证合适的时刻窗口数量和长度，减少拥堵程度并提高运行效率［59］。②通过调整航班时刻资源结构进行优化。基于航班波运行的航班时刻指派模型可构建符合航空公司利益最大化的航班频率优化模型。基于航班波体系对时刻资源进行整合以识别喂给航线［38］，为有效利用时刻资源进行技术铺垫。基于多目标优先级的时刻分配模型［60］在优化时刻分配的同时，还可以充分考虑国际航空运输协会（International Air Transport Association，IATA）准则规定的时刻分配优先条件和机场容量条件。此外，整数线性规划模型SOSTA［61］可在适用现有规定和做法的条件下对所有欧洲机场同时分配时刻。

4 空间维度开展的航空碳排放与空域资源配置研究

4.1　机场环境容许空中交通量是评价机场航空器起降的重要环境指标

机场为航空器起降提供设施基础，也是连接地域—空域系统的重要空间。机场运行要遵循交换环境容量基本理念，应在不损害人类生存、生态环境和资源利用的前提下确定发展规模［62］。机场环境容量主要受到空域容量、管制员工作负荷以及设施接待能力等因素影响，具体包括机场环境资源承载能力和机场环境污染承载能力两部分，其中前者主要表现为航空器起降的环境及噪声污染方面［63］，存在环境承载力阈值。已有的早期机场环境容量研究主要集中于航站楼容量、机场延迟容量和复杂性容量模型问题［64］，可借助模拟软件如SIMMOD、TAAM和AirTOp等进行仿真解读。后续，为精准判定机场环境容量下的飞行量，机场环境容许空中交通量概念被提出，其主要指在一定时间间隔内，满足环境空气质量标准情况下，机场可起降航空器的最大架次［65］（图4），具体计算公式为：

AEC=QL∆tE∆t

式中：AEC表示机场环境容许空中交通流量（架次）；QL 表示Δt时间内环境空气质量标准限度（10-6 g/m3）；E表示Δt时间内每架航空器的排放量［10-6 g/（m3⋅架次）］，具体航空器排放量计算见参考文献［5］。

图4

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图4   机场环境容许空中交通量（据参考文献［65］修改）

Fig. 4   The airport environment allows air traffic（modified after reference ［65］）


4.2　机场终端区是航空碳排放的主要空域

机场终端区是航空器航路飞行和进离场近地飞行过渡的主要空域单元，航空碳排放的环境压力极大。在终端区内，由于气象条件变化和流量控制［46］等因素限制使得航班往往不能按照最优航迹飞行而发生航班拥堵［66］，因此会产生额外的燃油消耗和CO2排放。对此，可基于机场终端区空域流量验证系统［67］对终端区进行实时监控，借助临时性、模块化的空域优化［68］方法平衡空域资源分配等减少资源闲置以减少油耗与碳排放［69］，也可以利用阶梯进近方式代替持续进近以提高燃油效率［70］并减小环境压力。机场终端区跑道系统和进离场航线网络与航空器滑行、飞行时长存在密切关系［10］，因此优化跑道与进离场排序［71］将分别降低进离场碳排放量的30%和3%［72］。

4.3　构建多机场系统有助于提高区域空域资源利用效率

利用航迹技术提高多机场系统空域环境效率日益受到关注。区域内区位邻近的2个或多个民用机场构成的多机场系统（Multi-Airport System，MAS）［73］，其终端区空域的航路航线结构更复杂、相关性更突出，势必影响航空碳排放。基于性能的航迹运行技术（Trajectory Based Operation，TBO）使用4D航迹数据，对多机场之间的终端区内航路航线结构与进离场管制路径协调配置［74］，有助于完善终端区动态空中交通需求与空域容量平衡［75］，提高区域内空中交通运行的环境效益。如Carmona等［76］使用航迹数据比较了MAS内实际轨迹和计划轨迹的时空差异，以此提高区域内空中交通运行容量和环境效率。Sidiropous等［77］实现了MAS终端区航空器动态抵离路线设计，以改变MAS空域航空碳排放量。Murça等［78］识别了航空器运行的轨迹模式和交通流模式，以此分析航空流动行为和碳排放特征。此外，还可对航空器航迹分别采用聚类［79］、滤波和分解分析等确定单个航迹在MAS被操纵的可能［80］。

基于多机场条带汇流特征，对航空流实行协同管理也是促进MAS低碳发展的重要手段［81］。如Murça等［82］识别并预测了MAS终端区的交通流时空趋势，以此提高跑道利用率、降低MAS空域冲突率。Tang等［83］研究了悉尼MAS终端空域航空流流向，提出以大型枢纽机场为中心均衡分布航迹与航迹冲突点策略。张菁等［84］考虑了航班调度与机场运力容量问题，认为通过航空立体流量构建和流量调整可增大空域内在潜力和处理能力，对提高机场综合运行的环境效率大有裨益。

5 结论与展望

5.1　结论

随着经济高质量、内涵式发展的深入推进，以及航空运输产业的快速成长，空域资源高效低碳开发利用已成为主流化形势，航空碳排放环境效应评估及其对空域资源优化配置的减排响应问题也日益受到关注。本文梳理了空域资源配置与航空碳排放的关系，系统总结了时空维度开展的航空碳排放与空域资源配置研究内容，创新性地将地理学研究思维应用到与空域结合的航空碳排放的研究议题上。通过研究发现：①空域资源有效配置是航空碳减排的有效途径，空域资源不足加剧了航班时刻资源供需矛盾、空域局部拥堵以及航班碳排放量。②从时空不同角度探索了优化空域资源配置来提高环境效率及减少航空碳排放的具体做法。其中，航空碳排放在航空器运行不同阶段的表现存在差异，但航班时刻资源组织优化是提高空域环境效率的重要手段；机场终端区是航空器航路飞行和进离场近地飞行过渡的主要空域单元，而构建多机场系统有助于提高区域空域资源利用效率。

目前，国际上推进航空碳减排的主要措施有：①提高能源使用效率。航空运输燃料仍是航空碳排放的主要来源，在没有替代燃料、可持续航空燃料独立运行动力不足的情况下，继续推进节油措施、提高航空燃油燃效仍然是碳减排的关注焦点。②依靠科技进步，开发并不断降低可持续燃料成本，促进氢能源、电动新能源对传统航空运输燃料的替代；进一步改进传统生产方式，促进航空产品和服务的环保低碳，全面推进民航绿色发展。③整合行业资源，打通航空绿色供应链，建立民用航空碳排放清单。各航空管理部门、航空公司、机场、空管、地方服务商等利用税收等调控手段［85］，优化资源利用及运行服务模式，共创生态、经济、社会效益的多赢发展局面。

基于本文研究内容，从空域资源时空优化配置角度深入挖掘我国航空碳减排的具体减排方略：第一，有效利用交通结构因素的影响，在航线规划、设计和管理等方面促进空域资源扩容与结构优化；借助灵活空域使用、扇区结构重组等方略减少终端区空域拥堵；充分权衡多机场系统中多个机场使用共同航路进出点时的进离场容量，进一步释放空域资源利用潜力。第二，利用市场调配及航空公司之间的协调，以及开发更复杂的时刻分配模型等促进航班时刻资源的公平分配［86-87］，在考虑航空公司灵活使用的需求问题的基础上，确保在满足各种容量限制下对航班时刻资源的最大化利用。

5.2　展望

空域资源在民航运输应用中呈现突出的时空统一特性，表现为时空连续性和重叠性，影响着空中交通运行效率和航空碳排放量。所以相对而言，有效缓解航空碳排放环境压力仍需依赖于空域资源的要素性时空重组与管理变革［79］。因此，可构建空域资源配置—减少空中拥堵—扩充空域容量—航空碳减排的共促优化机制。具体可以从以下4点开展：①通过航班时刻资源的重新组合可以达到空域容量释放的目的；②通过调整终端区进离场航线网络、扇区重新分区、使用智慧空管系统等方式达到时刻扩容，反哺时刻资源供给；③利用航空器4D位置数据（经度、纬度、航班高度和时间）、航空器飞行操作数据（航路拐点、航速、航向和高度角）等数据技术判定区域航空流量，构建航线网络层级分明的航班波，提升航空运输网络连通性，可以提升空域资源运行的环境效率；④以多机场系统的区域空域资源统一调配为核心思想，最大程度减少航班延误区域性传导，并降低因资源空耗浪费造成的航空碳排放。

资源可持续开发与利用是地理学的传统研究命题，空域资源的总量不充分更要求对其进行精细化管理与科学利用。空域资源利用及其环境效应问题实际上是在探讨空域社会资源与地理环境2个系统的协调关系问题，是空域资源及其可持续发展问题映射在地理时空耦合点上的重要突破口。航空碳排放环境效应评估及其对空域资源时空优化配置研究冲破了地理学对陆域、海域研究的传统范围，将问题指向国家重要的战略资源——空域资源的低碳应用及可持续发展，并使用地理学、空域学、空中交通管理和环境科学等学科的研究思维开展问题探讨。另外，全球航空运输体系一体化背景下，包括美国下一代空管系统（Next Generation Air Transportation System， NextGen）与欧洲单一天空计划（Single European Sky ATM Research， SESAR）在内的新一代空管系统的建设［58］，均致力于为航空器飞行活动提供全面的自主优化选择与灵活智能调配，通过提升空域运行效率，降低航空碳排放环境影响。因此，从更宏观的角度构建我国统一的低碳民航空域运输体系，促进构建航空碳减排与空域资源配置的可持续进程，将为推进我国民航业低碳化发展提供有力依据。

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