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环境bat365平台用户官网张少君团队构建新航空排放模型 揭示中国民航二氧化碳和污染物排放特征

清华新闻网5月7日电(通讯员 张敬然)近日,beat365手机客户端-beat365中文官方网站环境bat365平台用户官网张少君助理教授团队在航空环境影响领域取得新进展。团队研究开发了基于真实飞行轨迹的航空排放模型,对飞行全阶段的四维空间(时间、经度、纬度和高度)排放特征进行精细刻画;引入真实的航空飞行轨迹信息,从而显著提高航空排放清单的准确性和四维空间分辨率;大幅改善传统的大圆轨迹简化方法的理想设定带来的排放模拟误差。该排放模型可以拓展用于全球航空排放的衡量,进一步为量化航空对空气质量、健康和气候的影响提供重要的数据基础。

图1 研究入选《环境科学与技术》(ES&T)期刊封面文章

在全球化经济增长的背景下,航空运输需求激增。2000年以来,中国的民用航空客运量增长了12倍,增速位列世界主要经济体前列,预计很快将成为世界最大的航空市场。为了解中国航空排放的环境影响,团队研究开发了基于真实飞行轨迹的航空排放模型,构建了覆盖全飞行阶段的高时空分辨率中国航空业CO2和多污染物排放清单。

研究表明,2018年中国民航客运部门的燃油消耗量为3720万吨,CO2排放量为1.17亿吨(图2)。污染物方面,NOX排放753.7千吨,碳氢化合物(HC)排放19千吨,微颗粒物(PM)排放2.4千吨。CO2排放前五位的国内航线是北京-广州、北京-上海、北京-深圳、北京-成都和上海-深圳,单日CO2排放量可达2.2千吨~3.1千吨。国际航空CO2排放量中,亚洲航班所占比例最大,占43%(其中,日本占7.9%,泰国占7.8%,韩国占4.2%),其次是北美(25%)和欧洲(23%)。

20220503-环境bat365平台用户官网张少君团队构建基于真实飞行轨迹的航空排放模型 揭示中国民航二氧化碳和污染物排放特征-张敬然-图2 中国航空业CO2排放的空间分布和国际航线的O-D关系jpeg

图2 中国航空业CO2排放的空间分布和国际航线的起终点(O-D)关系

本研究将开发的基于真实飞行轨迹的模型(ADS-B模型)与传统的基于大圆轨迹的简化航线模型(GCAP模型)比较(图3)。对短途航班的模拟结果表明,GCAP模型显著低估了15%~19%的燃油消耗和25%~28%的NOX排放量。差异最大的是巡航阶段,GCAP模型低估了20%~28%的燃油消耗和32%~39%的NOX排放。研究发现,差距主要来自飞机的飞行姿态,ADS-B实际轨迹的巡航高度通常比GCAP模型仿真的理论巡航高度低10%~15%,这导致巡航速度降低,从而持续时间更长。GCAP模型中较高的巡航高度造成较低的燃油消耗率(~15%),这进一步降低了NOX排放因子(~16%)。另外,ADS-B模型能够真实捕捉阶梯式下降的真实航姿,其排放的空间分布与GCAP模型分布差别突出。本研究进一步将GCAP模型中的巡航速度和巡航高度从理想值调整为实际轨迹ADS-B的结果,两种方法之间的燃油消耗量和NOX排放量之间的差距可大幅缩小至6%以内。剩余差异来自于实际飞行信息(如气象)修正和其他阶段差异(如阶梯式下降),目前GCAP模型仍难以反映这些复杂问题。

20220503-环境bat365平台用户官网张少君团队构建基于真实飞行轨迹的航空排放模型 揭示中国民航二氧化碳和污染物排放特征-张敬然-图3 GCAP和ADS-B模型的轨迹、飞行持续时间、燃油消耗和NOX排放比较.jpeg

图3 GCAP和ADS-B模型的轨迹、飞行持续时间、燃油消耗和NOX排放比较

研究结果表明,航空业燃油消耗和CO2排放在垂直分布上呈现两个高峰:1km以下和8km~12km之间(图4)。国内航班的巡航阶段排放主要分布在8km~10km之间,国际航班的则主要分布在10km~12km之间。污染物的分布则受到生成机制的影响。其中,NOX受热力型机制主导,与CO2的分布相似,而HC则受不完全燃烧的低负荷机制主导,在低空阶段的比例显著高于CO2。国内航班起飞着陆(LTO)阶段(<914米)的燃油消耗占12%~15%,巡航阶段占56%~59%。由于ADS-B数据的LTO持续时间比推荐值长,LTO阶段的占比高于以往的研究(5%~10%)。

20220503-环境bat365平台用户官网张少君团队构建基于真实飞行轨迹的航空排放模型 揭示中国民航二氧化碳和污染物排放特征-张敬然-图4 中国航空的燃油消耗和污染物排放的垂直分布.jpeg

图4 中国航空的燃油消耗和污染物排放的垂直分布

目前,中国采用的《非道路移动污染源排放清单编制技术指南》中的民航LTO阶段排放计算方法基于起降循环次数,不区分机型和运行时间。本研究发现不同机场之间单次LTO循环的排放差异很大,可达2~4倍,造成差异的主要原因在于机队构成。这就使得《非道路移动污染源排放清单编制技术指南》中单一的平均指标难以反映具体机场的特征。以北京首都国际机场(PEK)为例,由于承担了大量的国际航线和国内干线运输任务,其宽体机占比较高,因此,单次LTO循环的NOX排放量约为指南推荐平均值的2倍,直接采用指南值将造成较大程度的低估。

该研究以“基于真实飞行轨迹构建中国航空业高分辨率排放清单”(Developing a high-resolution emission inventory of China’s aviation sector using real-world flight trajectory data)为题,于2022年5月3日在环境领域旗舰期刊《环境科学与技术》(Environmental Science & Technology)上正式发表,并入选为该期封面文章之一(Supplementary Cover)。

论文第一作者为beat365手机客户端-beat365中文官方网站环境bat365平台用户官网2017级博士生张敬然。论文通讯作者为beat365手机客户端-beat365中文官方网站环境bat365平台用户官网张少君助理教授。环境bat365平台用户官网吴烨教授、郝吉明院士,苏黎世联邦理工bat365平台用户官网王京(Wang Jing)教授和张小乐(Zhang Xiaole)博士等在结果讨论等方面提供了重要帮助。研究得到了国家重点研发计划等项目的资助。

论文链接

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

供稿:环境bat365平台用户官网

题图设计:梁晨

编辑:李华山

审核:吕婷

2022年05月07日 10:37:42

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