考慮環(huán)境成本的航班滑行等待成本研究

陳 琳，胡 榮，鄭麗君，朱佳琳

（南京航空航天大學(xué)民航學(xué)院，南京 211106）

近年來(lái)，中國(guó)機(jī)場(chǎng)的旅客吞吐能力和貨郵吞吐能力不斷提升。2016年，中國(guó)民航年旅客吞吐量達(dá)10.16億人次，年貨郵吞吐量達(dá)1 510.4萬(wàn)噸[1]。然而，在航空運(yùn)輸業(yè)快速發(fā)展的背后，由惡劣天氣和空域流量限制等原因?qū)е碌拇罅亢桨嘌诱`正在給航空公司、機(jī)場(chǎng)和旅客帶來(lái)巨大的損失。研究表明，僅國(guó)內(nèi)航班延誤導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)數(shù)百億元[2]。與此同時(shí)，航班延誤對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響也不容忽視。航班延誤導(dǎo)致航空器地面滑行等待時(shí)間延長(zhǎng)，進(jìn)一步加劇了航空器等待過(guò)程中產(chǎn)生的空氣污染、噪聲污染等環(huán)境負(fù)外部性，產(chǎn)生了顯著的環(huán)境外部成本，對(duì)機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境造成了不利影響?，F(xiàn)在，西方國(guó)家已開(kāi)始利用排放收費(fèi)、噪音收費(fèi)等手段治理航空污染與噪音問(wèn)題，取得了良好效果[3]。

國(guó)外學(xué)者對(duì)延誤成本的研究起步較早，其中關(guān)于航班延誤成本的計(jì)算通常包括兩部分：一部分是利用航空器運(yùn)營(yíng)成本估算其延誤成本[4-5]，另一部分是通過(guò)計(jì)算旅客時(shí)間價(jià)值來(lái)估算延誤給旅客帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。Peter等[8]針對(duì)航班延誤給航空公司所帶來(lái)的成本，細(xì)分為燃油、飛行人員、維修、飛行設(shè)備資金、地面設(shè)備等直接成本和間接成本。中國(guó)在航班延誤成本方面的研究尚處于起步階段。都業(yè)富等[9]對(duì)航班延誤的成本進(jìn)行初步估算，但并未給出各類航班延誤成本的確定方法。徐肖豪等[10]、李雄等[11]將航班延誤成本分為顯性成本和隱形成本兩部分，并給出了航班延誤顯性成本和中國(guó)民航旅客時(shí)間價(jià)值的計(jì)算方法。李鶴[12]將延誤成本分為地面和空中的延誤成本、航空公司的延誤成本、機(jī)場(chǎng)的延誤成本、空管的延誤成本、旅客的延誤成本和環(huán)境的延誤成本等6類。但是，在計(jì)算環(huán)境的延誤成本時(shí)僅考慮了NOx和CO這兩種污染物排放帶來(lái)的成本。趙文智等[13]將ATA成本分析法和國(guó)內(nèi)航空公司成本核算相結(jié)合，研究了航空公司單個(gè)航班的延誤成本模型，該模型可以應(yīng)用到任意的航空運(yùn)輸機(jī)型。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)航空運(yùn)輸業(yè)環(huán)境外部成本的研究集中在2000年以后，主要針對(duì)航空運(yùn)輸業(yè)負(fù)外部性所致環(huán)境外部成本的定量測(cè)算和治理方法展開(kāi)研究，并提出了一些航空運(yùn)輸環(huán)境外部成本（包括排放和噪音）的測(cè)算方法。Cherie等[14]分別計(jì)算了5個(gè)機(jī)場(chǎng)（包括支線機(jī)場(chǎng)和樞紐機(jī)場(chǎng)）的航空器噪聲和發(fā)動(dòng)機(jī)排放的外部成本。Peter等[15]將環(huán)境外部成本計(jì)算的結(jié)論和方法應(yīng)用到機(jī)場(chǎng)噪聲收費(fèi)和機(jī)場(chǎng)社會(huì)成本效益分析中。夏卿等[16]、陳林[17]采用ICAO發(fā)動(dòng)機(jī)排放數(shù)據(jù)庫(kù)（engine emission data bank），結(jié)合中國(guó)民航機(jī)隊(duì)資料和飛行數(shù)據(jù)，構(gòu)建了航空污染氣體排放環(huán)境外部成本測(cè)算模型，并以實(shí)例驗(yàn)證中國(guó)機(jī)場(chǎng)普遍存在顯著的排放環(huán)境外部成本。吳衛(wèi)平等[18]借鑒了國(guó)內(nèi)外特別是歐洲的計(jì)算方法，形成了適合中國(guó)國(guó)情的一套計(jì)算方法，并根據(jù)中國(guó)民航2006年的CO2排放量測(cè)算出該年中國(guó)民航溫室氣體排放的環(huán)境外部成本。在機(jī)場(chǎng)噪聲的環(huán)境外部成本測(cè)算研究方面，國(guó)際上普遍使用的方法是特征價(jià)格法（HPM，hedonic price method）和條件價(jià)值評(píng)估法（CVM，contingent valuation method）[14]。王維等[19]研究了機(jī)場(chǎng)噪聲環(huán)境外部成本的測(cè)算方法，并在歐盟指令噪聲收費(fèi)模型基礎(chǔ)上，提出了中國(guó)機(jī)場(chǎng)的噪聲收費(fèi)方法。

綜上所述，航班延誤成本（包括環(huán)境外部成本）的理論和測(cè)算方法相對(duì)成熟，但鮮有研究將環(huán)境外部成本納入延誤成本中，在計(jì)算環(huán)境成本時(shí)，也沒(méi)有考慮CO2成本、碳價(jià)等問(wèn)題，而且計(jì)算大多是針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸（LTO）循環(huán)階段或巡航階段。針對(duì)上述研究的不足，有必要將環(huán)境外部成本納入計(jì)算范疇，并將其作為重點(diǎn)研究對(duì)象，闡述航班延誤地面滑行等待期間的環(huán)境外部成本（包括污染氣體、溫室氣體和噪聲）的計(jì)算方法，并就CO2成本占環(huán)境成本比重、環(huán)境成本占總成本比重與CO2單位價(jià)格展開(kāi)敏感性分析。

1 航空器滑行等待成本

將航空器滑行等待成本劃分為航空公司成本、旅客成本和環(huán)境成本3項(xiàng)子成本。

1.1 航空公司成本

長(zhǎng)時(shí)間的滑行等待為航空公司帶來(lái)了一部分額外的運(yùn)營(yíng)成本，如燃油消耗。這部分成本和航空器的機(jī)型直接相關(guān)，機(jī)型不同，其單位時(shí)間的運(yùn)營(yíng)成本存在顯著差異。Andrew等[20]給出了考慮航線網(wǎng)絡(luò)——延誤對(duì)后續(xù)航班影響下的延誤成本，其中部分機(jī)型基于15 min延誤的單位成本（2000年），如表1所示。

表1 典型機(jī)型滑行期間的平均延誤成本（考慮航線網(wǎng)絡(luò)）Tab.1 Ground delay costs for typical aircrafts：at-gate and taxiing considering network effect

因此，地面滑行等待期間的航空公司成本為

其中：αA為某航班的單位時(shí)間航空公司成本；t為滑行等待時(shí)間。

1.2 旅客成本

航班延誤帶來(lái)旅客成本的測(cè)算，需要以旅客的時(shí)間價(jià)值為基礎(chǔ)。旅客的時(shí)間價(jià)值與其出行目的相關(guān)，不同出行目的的旅客其時(shí)間價(jià)值差異較大?，F(xiàn)將民航旅客分為兩類——商務(wù)旅客與休閑旅客，分別計(jì)算其時(shí)間價(jià)值。關(guān)于旅客時(shí)間價(jià)值的測(cè)算方法有很多，如生產(chǎn)法、收入法以及支付意愿法等，在此采用收入法計(jì)算旅客的時(shí)間價(jià)值為

其中：vi為類型i旅客的時(shí)間價(jià)值；i為旅客類型；B為商務(wù)旅客；L為休閑旅客；I為人均年收入；T為全年有效工作時(shí)間。η為比例系數(shù)，不同類型的旅客取不同的數(shù)值，可參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]。

對(duì)于某一航班，滑行等待期間航空器上的全體旅客成本為

其中：n為該航班可利用座位數(shù)；w為客座率；t為滑行等待時(shí)間；ri為商務(wù)/休閑旅客的比例；vi為類型i旅客的時(shí)間價(jià)值。

1.3 環(huán)境成本

航空器滑行期間所產(chǎn)生的環(huán)境污染包括航空器發(fā)動(dòng)機(jī)排放的廢氣與產(chǎn)生的噪音。部分發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這些污染征稅或收費(fèi)，如法國(guó)和荷蘭征收航空噪音稅。根據(jù)ICAO規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)起飛著陸循環(huán)（LTO）模型，慢車滑行狀態(tài)下的發(fā)動(dòng)機(jī)推力設(shè)置為最大推力的7%，遠(yuǎn)低于起飛時(shí)的100%和爬升時(shí)的85%，因此滑行等待期間的噪音暫不納入環(huán)境成本計(jì)算。陳林[21]在前人研究成果基礎(chǔ)上，采用專家意見(jiàn)打分法對(duì)HC、SO2、NOx、CO2、CO等5種氣體的單位環(huán)境外部成本數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而得到符合中國(guó)國(guó)情的各種廢氣的單位環(huán)境外部成本，如表2所示。

表2 中國(guó)航空運(yùn)輸各種排放的單位環(huán)境外部成本Tab.2 Social costs of each exhaust pollutant in China

因此，對(duì)于某一航班，其滑行等待期間所帶來(lái)的環(huán)境成本為

其中：k為該航班所用的航空器發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量；F為滑行階段的燃油消耗率；Ej為滑行階段污染物j的排放因子；Pj為污染物j的單位外部成本；t為滑行等待時(shí)間。

2 實(shí)例分析

2.1 典型機(jī)型分析

針對(duì)國(guó)內(nèi)、國(guó)際兩類航線，各選取2種典型機(jī)型：國(guó)內(nèi)選用A320-200和B737-800（以下簡(jiǎn)稱：A320、B738），國(guó)際選用B767-300ER和B747-400（以下簡(jiǎn)稱：B763、B744）。

1）航空公司成本

由表1可知，計(jì)算航空公司成本的關(guān)鍵在于選擇合適的成本參數(shù)。根據(jù)《2015年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2015年全國(guó)正班客座率平均為82.1%，客運(yùn)航班平均延誤時(shí)間為21 min，參照Andrew等[20]分類建議，可按照基于15 min延誤中的高成本情景進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)考慮通貨膨脹，根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的各年價(jià)格指數(shù)將成本全部折合到2015年。

因此，由式（1）可得 A320、B738、B763、B744 的航空公司成本分別為258、272、438和770元/min。

2）旅客成本

考慮到民航運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，人均年收入用年城鎮(zhèn)居民人均可支配收入表示，由《2015年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》可知，2015年中國(guó)大陸城鎮(zhèn)居民人均可支配收入為31 195元?？鄢苣┘胺ǘü?jié)假日，全年平均工作天數(shù)為249天，按一天工作8 h計(jì)算，全年工作1 992 h。結(jié)合1.2節(jié)中比例系數(shù)的取值，可知國(guó)內(nèi)休閑旅客、商務(wù)旅客的時(shí)間價(jià)值分別為0.783、2.192元/min，國(guó)際休閑旅客、商務(wù)旅客的時(shí)間價(jià)值分別為1.305、3.654 元/min。

根據(jù)2002—2006年民航客運(yùn)市場(chǎng)結(jié)構(gòu)調(diào)查與分析報(bào)告中商務(wù)旅客與休閑旅客的比例，進(jìn)行了對(duì)數(shù)回歸預(yù)測(cè)，得到2015年商務(wù)旅客與休閑旅客之比約為4∶6。由上文可知，2015年全國(guó)正班客座率平均為82.1%，為簡(jiǎn)化計(jì)算，客座率取80%。

因此由式（3）可得 A320、B738、B763、B744 的旅客成本分別為167、187、431和729元/min。

3）環(huán)境成本

為計(jì)算環(huán)境成本，在ICAO的Aircraft Engine Data Bank中查找所需參數(shù)，如表3所示。

表3 典型機(jī)型的發(fā)動(dòng)機(jī)及排放參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Engine and emission parameter statistics of typical aircrafts

因此由式（4）可得 A320、B738、B763、B744 的環(huán)境成本分別為21、20、38和 79元/min。

綜上，4種機(jī)型滑行等待期間的成本及各項(xiàng)子成本的占比如表4所示。

表4 典型機(jī)型滑行等待成本及其比重匯總表Tab.4 Ground delay costs and proportion for typical aircrafts：at-gate and taxiing

由表4可知，4種機(jī)型的滑行等待成本依次增加，這與機(jī)型增大（直觀體現(xiàn)為座位數(shù)變多）有直接關(guān)系。各項(xiàng)滑行等待成本的子成本中，航空公司成本占比最高，接近甚至超過(guò)了50%，而環(huán)境成本占比最低，僅占5%左右。

特別地，2015年中國(guó)起飛平均延誤時(shí)長(zhǎng)21 min，假設(shè)全部為滑行等待延誤，則A320、B738、B763、B744每一航班滑行等待總成本分別為9 366、10 059、19 047、33 138元，成本數(shù)額相當(dāng)可觀。

2.2 敏感性分析

從上文可知，雖然在所有廢氣中CO2的單位價(jià)格最低，但CO2排放量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他氣體，對(duì)于各機(jī)型而言，CO2造成的成本（以下簡(jiǎn)稱CO2成本）占環(huán)境成本比例全部超過(guò)50%。實(shí)際計(jì)算表明，當(dāng)CO2的單位價(jià)格達(dá)到0.22元/kg時(shí)，CO2成本占環(huán)境成本比例就開(kāi)始超過(guò)50%。在此，以A320為代表機(jī)型，保持其他參數(shù)不變，開(kāi)展CO2的單位價(jià)格對(duì)“CO2成本占環(huán)境成本比例”與“環(huán)境成本占總成本比例”的敏感性分析。

如圖1所示，CO2成本占環(huán)境成本比例隨著CO2單位價(jià)格的增長(zhǎng)首先快速增長(zhǎng)然后逐漸放緩，而環(huán)境成本占總成本比例幾乎呈現(xiàn)等比例增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

圖1 A320的CO2成本占環(huán)境成本比例與環(huán)境成本占總成本比例Fig.1 Proportion of environmental cost committed by carbon dioxide cost and total cost committed by environmental cost for A320

當(dāng)CO2單位價(jià)格處于較低水平時(shí)（低于1元/kg），CO2成本占環(huán)境成本比例攀升速度極快。當(dāng)CO2單位價(jià)格為0.89元/kg時(shí)，CO2成本占環(huán)境成本的比例達(dá)到80%；當(dāng)CO2單位價(jià)格為2.0元/kg時(shí)，其占比已達(dá)90%。CO2單位價(jià)格在更大區(qū)間內(nèi)變化對(duì)環(huán)境成本占總成本比例的影響，如圖2所示。

圖2 4種機(jī)型的環(huán)境成本占總成本比例及一階導(dǎo)數(shù)Fig.2 Proportion of total cost and first derivative for four types of aircrafts

圖2描繪了CO2單位價(jià)格由0元/kg逐漸增長(zhǎng)到30元/kg過(guò)程中，4種機(jī)型的環(huán)境成本占總成本比例及其一階導(dǎo)數(shù)的變化過(guò)程。曲線重合度較高，但仍有區(qū)別：B744的占比數(shù)值始終最高，而B(niǎo)738始終最低，A320與B763居中。同時(shí)，4種機(jī)型的環(huán)境成本占總成本比例相當(dāng)接近，且變化趨勢(shì)也高度一致：在CO2單位價(jià)格處于較低水平時(shí)，成本占比較低但增長(zhǎng)速率較快；隨著CO2單位價(jià)格的升高，成本占比隨之升高但增長(zhǎng)速率逐漸放緩，成本占比的一階導(dǎo)數(shù)曲線圖也說(shuō)明了這一點(diǎn)。值得注意的是，A320與B763的曲線出現(xiàn)一個(gè)交點(diǎn)，如圖3所示。CO2單位價(jià)格約為1.25元/kg時(shí)，A320與B763的環(huán)境成本占總成本比例相等，之后，B763的占比始終高于A320。

圖3 A320與B763的環(huán)境成本占總成本比例曲線交點(diǎn)Fig.3 Curve intersection of environmental cost proportion for A320 and B763

環(huán)境成本占總成本比例的一階導(dǎo)數(shù)隨著CO2單位價(jià)格的升高而逐漸降低以至于趨近于0，但現(xiàn)實(shí)中的CO2單位價(jià)格不可能無(wú)限增大。基于不同的碳稅機(jī)制，不同國(guó)家的碳稅價(jià)格差異較大，如瑞典的碳價(jià)高達(dá)137美元/t，瑞士88美元/t，芬蘭66美元/t，挪威53美元/t，法國(guó)25美元/t，而歐洲碳交易市場(chǎng)、中國(guó)7個(gè)碳交易城市的碳價(jià)都在10美元/t以下[22]。

然而，當(dāng)CO2單位價(jià)格較低時(shí)，環(huán)境成本占總成本比例的一階導(dǎo)數(shù)卻處于最高水平，即環(huán)境成本占總成本比例對(duì)CO2單位價(jià)格的敏感性較高，這意味著當(dāng)其他成本保持不變時(shí)，CO2單位價(jià)格的變化將對(duì)總成本產(chǎn)生明顯影響?？梢栽O(shè)想這樣一個(gè)場(chǎng)景：當(dāng)中國(guó)開(kāi)始考慮民航碳排放的收費(fèi)問(wèn)題或?qū)⒚窈教寂欧偶尤氲絿?guó)內(nèi)或國(guó)際的碳交易市場(chǎng)中，碳價(jià)的變化將對(duì)航空公司的總成本造成顯著影響，碳價(jià)的小幅上調(diào)都會(huì)導(dǎo)致運(yùn)輸成本的明顯上漲。因此，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，積極響應(yīng)綠色民航建設(shè)，調(diào)整機(jī)隊(duì)構(gòu)成，淘汰老舊機(jī)型，利用先進(jìn)節(jié)油技術(shù)，降低各環(huán)節(jié)能源消耗將是增強(qiáng)中國(guó)航空公司競(jìng)爭(zhēng)力、實(shí)現(xiàn)綠色航空的必由之路。

3 結(jié)語(yǔ)

研究了中國(guó)航班在地面滑行等待期間延誤引發(fā)的成本損失，包括航空公司成本、旅客成本與環(huán)境成本，分別給出了相應(yīng)的計(jì)算方法，選取4種典型機(jī)型進(jìn)行分析，并就CO2成本占環(huán)境成本比例、環(huán)境成本占總成本比例與CO2單位價(jià)格之間的關(guān)系展開(kāi)敏感性分析。結(jié)果表明：航班滑行等待成本不容忽視，不同機(jī)型每分鐘成本數(shù)百元至上千元不等。目前環(huán)境成本占總成本比例較低，如果增加CO2的單位價(jià)格，環(huán)境成本勢(shì)必上漲，特別是考慮到CO2成本處于較低水平時(shí)，環(huán)境成本占總成本比例對(duì)CO2單位價(jià)格的敏感性較高，總成本的上漲也會(huì)較為明顯。因此，有效緩解航班延誤，并積極發(fā)展綠色、低碳航空不僅有利于節(jié)能減排，對(duì)于航空公司控制成本、增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力也具有重要意義。由于航空公司成本和環(huán)境成本的部分研究借鑒了國(guó)外學(xué)者研究數(shù)據(jù)，研究結(jié)果可能與中國(guó)現(xiàn)實(shí)情況存在一定差異，未來(lái)將結(jié)合國(guó)內(nèi)民航發(fā)展實(shí)際情況對(duì)研究結(jié)論加以改進(jìn)與修正，以期更加契合中國(guó)國(guó)情。

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[22]2016年全球已有38個(gè)碳價(jià)體系,碳市場(chǎng)交易C格不足S 15/噸,碳稅可高達(dá)130/噸[EB/OL].(2017-01-12)[2017-06-15].http：//www.tanpaifang.com/tanshichang/201701/1258248.html.