bevictor伟德官网2022年5月5日電（通訊員 張敬然）近日，bevictor伟德官网張少君助理教授團隊在航空環境影響領域取得新進展。團隊研究開發了基于真實飛行軌迹的航空排放模型，對飛行全階段的四維空間（時間、經度、緯度和高度）排放特征進行精細刻畫；引入真實的航空飛行軌迹信息，從而顯著提高航空排放清單的準确性和四維空間分辨率；大幅改善傳統的大圓軌迹簡化方法的理想設定帶來的排放模拟誤差。該排放模型可以拓展用于全球航空排放的衡量，進一步為量化航空對空氣質量、健康和氣候的影響提供重要的數據基礎。

圖1 研究入選《環境科學與技術》（ES&T）期刊封面文章

在全球化經濟增長的背景下，航空運輸需求激增。2000年以來，中國的民用航空客運量增長了12倍，增速位列世界主要經濟體前列，預計很快将成為世界最大的航空市場。為了解中國航空排放的環境影響，團隊研究開發了基于真實飛行軌迹的航空排放模型，構建了覆蓋全飛行階段的高時空分辨率中國航空業CO₂和多污染物排放清單。

研究表明，2018年中國民航客運部門的燃油消耗量為3720萬噸，CO₂排放量為1.17億噸（圖2）。污染物方面，NO_X排放753.7千噸，碳氫化合物（HC）排放19千噸，微顆粒物（PM）排放2.4千噸。CO₂排放前五位的國内航線是北京-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2.2千噸～3.1千噸。國際航空CO₂排放量中，亞洲航班所占比例最大，占43%（其中，日本占7.9%，泰國占7.8%，韓國占4.2%），其次是北美（25%）和歐洲（23%）。

圖2 中國航空業CO₂排放的空間分布和國際航線的起終點（O-D）關系

本研究将開發的基于真實飛行軌迹的模型（ADS-B模型）與傳統的基于大圓軌迹的簡化航線模型（GCAP模型）比較（圖3）。對短途航班的模拟結果表明，GCAP模型顯著低估了15%～19%的燃油消耗和25%～28%的NO_X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NO_X排放。研究發現，差距主要來自飛機的飛行姿态，ADS-B實際軌迹的巡航高度通常比GCAP模型仿真的理論巡航高度低10%～15%，這導緻巡航速度降低，從而持續時間更長。GCAP模型中較高的巡航高度造成較低的燃油消耗率（～15%），這進一步降低了NO_X排放因子（～16%）。另外，ADS-B模型能夠真實捕捉階梯式下降的真實航姿，其排放的空間分布與GCAP模型分布差别突出。本研究進一步将GCAP模型中的巡航速度和巡航高度從理想值調整為實際軌迹ADS-B的結果，兩種方法之間的燃油消耗量和NO_X排放量之間的差距可大幅縮小至6%以内。剩餘差異來自于實際飛行信息（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複雜問題。

圖3 GCAP和ADS-B模型的軌迹、飛行持續時間、燃油消耗和NO_X排放比較

研究結果表明，航空業燃油消耗和CO₂排放在垂直分布上呈現兩個高峰：1km以下和8km～12km之間（圖4）。國内航班的巡航階段排放主要分布在8km～10km之間，國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制的影響。其中，NO_X受熱力型機制主導，與CO₂的分布相似，而HC則受不完全燃燒的低負荷機制主導，在低空階段的比例顯著高于CO₂。國内航班起飛着陸（LTO）階段（<914米）的燃油消耗占12%～15%，巡航階段占56%～59%。由于ADS-B數據的LTO持續時間比推薦值長，LTO階段的占比高于以往的研究（5%～10%）。

圖4 中國航空的燃油消耗和污染物排放的垂直分布

目前，中國采用的《非道路移動污染源排放清單編制技術指南》中的民航LTO階段排放計算方法基于起降循環次數，不區分機型和運行時間。本研究發現不同機場之間單次LTO循環的排放差異很大，可達2～4倍，造成差異的主要原因在于機隊構成。這就使得《非道路移動污染源排放清單編制技術指南》中單一的平均指标難以反映具體機場的特征。以北京首都國際機場（PEK）為例，由于承擔了大量的國際航線和國内幹線運輸任務，其寬體機占比較高，因此，單次LTO循環的NO_X排放量約為指南推薦平均值的2倍，直接采用指南值将造成較大程度的低估。

該研究以“基于真實飛行軌迹構建中國航空業高分辨率排放清單”（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日在環境領域旗艦期刊《環境科學與技術》（Environmental Science & Technology）上正式發表，并入選為該期封面文章之一（Supplementary Cover）。

論文第一作者為bevictor伟德官网2017級博士生張敬然。論文通訊作者為bevictor伟德官网張少君助理教授。bevictor伟德官网吳烨教授、郝吉明院士，蘇黎世聯邦理工學院王京（Wang Jing）教授和張小樂（Zhang Xiaole）博士等在結果讨論等方面提供了重要幫助。研究得到了國家重點研發計劃等項目的資助。

論文鍊接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.est.1c08741