機(jī)場航空器碳排放及碳達(dá)峰預(yù)測

張培文，丁 銳，趙聯(lián)政

（1.中國民用航空飛行學(xué)院經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，四川 廣漢 618307；2.中國民用航空飛行學(xué)院機(jī)場學(xué)院，四川 廣漢 618307）

0 引言

2018 年國際民用航空組織（International Civil Aviation Organization,ICAO）提出航空碳減排和碳抵消計劃。中國于2020 年在第75 屆聯(lián)合國大會上承諾2030 年實現(xiàn)碳達(dá)峰，2060 年實現(xiàn)碳中和。航空運輸業(yè)的碳排放占比較小，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和民航運輸需求量的增加，其逐漸增長的碳排放比例勢必會增大中國航空運輸業(yè)的減排壓力[1]。自2013 年以來，全球航空業(yè)的每日燃料消耗量已超過500 萬桶，導(dǎo)致大量二氧化碳排放[2]。對于在800km 航程上運行的雙引擎航空器，大約25%的碳排放產(chǎn)生于著陸和起飛（Landing and Takeoff,LTO）循環(huán)期間[3]。因此，考慮到中國航空業(yè)的快速發(fā)展，有必要開展機(jī)場航空器碳排放和碳達(dá)峰預(yù)測研究，為加快實現(xiàn)民航碳達(dá)峰提供理論依據(jù)。

近年來，民航碳減排問題越來越受到學(xué)者們的關(guān)注，其中部分學(xué)者圍繞碳排放核算和預(yù)測展開研究。在碳排放量核算方法方面，Yilmaz 采用“自上而下”的方法計算了機(jī)場航空器LTO 階段的碳排放量，分析了LTO 各階段時間變化對于碳排放量的影響[4]。然而“自上而下”的方法基于燃料消耗量來核算碳排放量，存在燃油數(shù)據(jù)難以獲取的問題，不利于核算各機(jī)場航空器的碳排放量[5]，相比而言，基于運行數(shù)據(jù)“自下而上”的方法具有一定優(yōu)勢[6-7]。在碳排放預(yù)測方面，Zhou等[8]采用情景分析法從燃油強(qiáng)度和燃油種類等角度，預(yù)測并分析我國民航碳排放量；Liu 等[9]考慮運輸強(qiáng)度和碳排放系數(shù)等多個因素，采用情景分析法對未來我國民航碳排放進(jìn)行了預(yù)測；胡榮等[10]運用改進(jìn)的ICAO方法，預(yù)測了廈門高崎機(jī)場碳達(dá)峰的可能性及影響因素。此外，現(xiàn)有文獻(xiàn)中的情景分析限于設(shè)定每個影響因素的固定變化率。實際上，不同變量在未來的變化率是不確定的，每個變量的變化速率的潛在變化應(yīng)該是連續(xù)值，而不是某個特定值。因此，邵帥等[11]引入蒙特卡羅模擬來預(yù)測碳排放趨勢。

縱觀國內(nèi)外現(xiàn)有研究，可以發(fā)現(xiàn)：大多采用“自上而下”的方法核算碳排放量；尚未揭示碳排放與不同情景之間的內(nèi)部動態(tài)聯(lián)系。兩種主要研究方法相比，情景分析在假定某些趨勢持續(xù)發(fā)展的前提下，可對可能出現(xiàn)的后果作出有效預(yù)測，但存在一定的主觀性；蒙特卡羅作為一種走勢預(yù)測方法，廣泛用于不確定性情景分析研究，但無法揭示不同碳減排趨勢導(dǎo)致的不同情景之間的差異。如果情景分析和蒙特卡羅模擬能夠有機(jī)地結(jié)合起來，定量與定性方法的互補(bǔ)優(yōu)勢將有助于科學(xué)預(yù)測不同情景下碳排放及碳達(dá)峰的演變趨勢。為了科學(xué)預(yù)測機(jī)場航空器碳排放量和碳達(dá)峰的可能性，本研究將基于運行數(shù)據(jù)的“自下而上”的ICAO 方法，首先將機(jī)場航空器未來碳排放劃分為初始情景、優(yōu)化情景、綠色發(fā)展情景、技術(shù)革新情景，并測算成都雙流機(jī)場2019年的機(jī)場航空器碳排放量，以獲得各情景下初始點的碳排放量和橫向分析不同機(jī)型的碳排放特征；然后，將蒙特卡羅模擬與情景分析相結(jié)合，對成都雙流機(jī)場不同情景下未來年的航空器碳排放量進(jìn)行預(yù)測；最后，對碳排放影響參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析，明確關(guān)鍵因素對機(jī)場航空器碳排放的影響程度，并進(jìn)一步探討碳減排的可能途徑和實現(xiàn)碳達(dá)峰的可能性。

1 研究方法

1.1 機(jī)場航空器碳排放測算方法

本文采用ICAO 建立的基于運行數(shù)據(jù)的“自下而上”的方法，測算機(jī)場航空器碳排放量。ICAO 對各階段運行時長進(jìn)行了標(biāo)定：起飛0.7min，爬升2.2min，進(jìn)近4min，滑行26min，具體公式如下：

式（1）～式（2）中：i為航空器種類；j為LTO中的4個不同階段，即起飛、爬升、進(jìn)近、滑行；Fi為i類航空器在1 次LTO 的耗油量（kg）；Ri,j為1 個發(fā)動機(jī)在j階段的耗油率（kg/s）；Ni為i類航空器的發(fā)動機(jī)個數(shù)（個）；Ti,j為i類航空器在j階段的運行時間（s）；E為航空器在LTO 階段的碳排放量（kg）；I為燃油碳排放系數(shù)（kg/kg）；ni為i類航空器的LTO總數(shù)（次）。

1.2 碳排放情景設(shè)置

基于過去碳排放的演化趨勢和不同影響因素、現(xiàn)有政策執(zhí)行的有效性和潛在的減排空間，本研究構(gòu)建了以下4種碳排放情景。

情景1：初始情景。這是根據(jù)過去民航發(fā)展特征及趨勢得出的一種可能情景。該情景假設(shè)一種民航發(fā)展的慣性狀態(tài)：目前經(jīng)濟(jì)環(huán)境和技術(shù)水平?jīng)]有發(fā)生變化，沒有采取新的減排措施，民航發(fā)展特征將與過去模式相同。具體來說，航空器更新保持現(xiàn)有速度，生物燃油使用較少，傳統(tǒng)燃油使用較多。

情景2：優(yōu)化情景。民航節(jié)能減排“十三五”發(fā)展規(guī)劃中指出，民航行業(yè)要高效利用能源資源，優(yōu)化航空節(jié)能運行環(huán)境，著力提高運輸生產(chǎn)力[12]。優(yōu)化情景是指在初始情景基礎(chǔ)上，假設(shè)民航業(yè)實施了一些減排措施：航空器地面滑行時間在優(yōu)化策略的初步實施下開始減少，地面運行效率得到一定提升；航空公司得到政府補(bǔ)貼，逐步淘汰耗油率較高的老舊航空器，并開始增大生物燃油的使用比例。

情景3：綠色發(fā)展情景。“十四五”民航綠色發(fā)展規(guī)劃提出民航可持續(xù)發(fā)展的理念，強(qiáng)調(diào)生態(tài)文明建設(shè)[10]，節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境是一項基本國策。因此，中國已逐步走向綠色發(fā)展道路。綠色發(fā)展情景在優(yōu)化情景的基礎(chǔ)上，繼續(xù)從地面滑行時間、航空器耗油率及生物燃油使用比例等角度綠色減排。

情景4：技術(shù)革新情景。節(jié)能減排需要技術(shù)創(chuàng)新，在提高能源效率和使用低碳能源方面，生產(chǎn)和儲能技術(shù)的重大突破尤為關(guān)鍵，具體包括：生物燃油研發(fā)成本降低，燃油效率大幅度提升，新型航空器使用生物燃油，耗油率明顯降低等。

1.3 蒙特卡羅方法

本研究采用蒙特卡羅方法（Monte Carlo）[13]，根據(jù)一定概率隨機(jī)組合參考變量計算目標(biāo)變量。蒙特卡羅方法在模擬預(yù)測中盡管存在不確定性，但可對未來趨勢的變化作出相對科學(xué)合理的判斷[11]。利用該方法可以計算碳排放不同演化路徑的概率分布，得到最可能的演化路徑。根據(jù)Ti,j,Ri,j,I,ni等參數(shù)在上述4 種情景下的潛在變化率和發(fā)生概率，采用蒙特卡羅模擬可得到不同因素的隨機(jī)值。

本研究中機(jī)場航空器碳排放蒙特卡羅模擬流程如圖1 所示。首先根據(jù)相關(guān)參數(shù)設(shè)定，回歸得到不同情景下概率分布函數(shù)，考慮到機(jī)場運行的不確定性，對其進(jìn)行20 000 次隨機(jī)抽樣，然后輸入概率模型進(jìn)行模擬，最后使用Matlab 和Origin對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行繪圖和分析。

圖1 機(jī)場航空器碳排放蒙特卡羅模擬流程

2 數(shù)據(jù)來源及研究假設(shè)

2.1 數(shù)據(jù)來源

本研究選取成都雙流機(jī)場（IATA: CTU;ICAO:ZUUU）作為碳排放及碳達(dá)峰預(yù)測算例。雙流機(jī)場是4F級國際航空樞紐，為我國八大區(qū)域性樞紐機(jī)場之一。該機(jī)場2019 年保障航空器起降366 887 架次，位居我國當(dāng)年第4（2019 年度機(jī)場生產(chǎn)公報）。本文所用數(shù)據(jù)及其來源如表1所示。

表1 航空器碳排放數(shù)據(jù)來源

2.2 研究假設(shè)

不同假設(shè)場景下各參數(shù)在初始點（2019 年）和目標(biāo)年的取值、蒙特卡羅模擬概率分布區(qū)間如表2所示。

表2 不同預(yù)測情景下的參數(shù)取值設(shè)置

表2 （續(xù)）

（1）滑行時間。在不同假設(shè)情景下，機(jī)場對航空器的調(diào)度有所差異。根據(jù)ICAO 給出的標(biāo)準(zhǔn)滑行時間26min 和2017 年機(jī)場平均滑行時間16min，假設(shè)4 種情景下滑行時間分別減少7.2%,10.5%,11.75%,20%。

（2）航油流量。新一代航空器發(fā)動機(jī)較上一代可提升航油效率20%左右。假設(shè)4 種情景下分別有21%,22.7%,25%,25.9%的航空器會進(jìn)行發(fā)動機(jī)升級或替換，且4 種情景下發(fā)動機(jī)升級分別會提高20%,22%,24%,27%的效率，另外假設(shè)航油流量的提高比例為發(fā)動機(jī)的升級或替換參數(shù)與發(fā)動機(jī)提高的效率之積。因此，4 種情景下整個機(jī)隊航油效率分別提高4.2%,5%,6%,7%。

（3）碳排放系數(shù)。不同情景對燃油的改進(jìn)水平與投入工藝存在一定差異，且燃油同類替代品——生物燃油、新能源燃料的使用比例也存在一定差異。因此，假設(shè)不同情景下碳排放系數(shù)分別減少0%,0.5%,0.6%,1.1%。

（4）起降架次。基于2010—2021 年成都雙流機(jī)場航空器的起降架次，采用回歸方法，同時考慮疫情影響，假設(shè)2025 年、2030 年、2035 年成都雙流機(jī)場航空器的起降架次分別為482 972,577 420,671 295架次。

3 結(jié)果與討論

3.1 2019年碳排放測算

成都雙流機(jī)場2019 年共起降航空器366 887架次，根據(jù)歷年民航局、航空公司的夏秋與冬春航季全國航班計劃總表，通過數(shù)據(jù)清洗、整理，最終得到不同機(jī)型起降總架次為356 457，基本符合實際情況。

為獲得各情景下初始點的碳排放量以及橫向分析不同機(jī)型的碳排放特征，根據(jù)式（1）、式（2）計算得出2019年成都雙流機(jī)場LTO階段航空器共產(chǎn)生約99.6 萬t 的碳排放，其中各機(jī)型碳排放結(jié)果如表3 所示。LTO 的碳排放量排前三的機(jī)型分別為：A320,A321 和A319。其中A320 的碳排放量最高，原因是該機(jī)型較大且在雙流機(jī)場起降架次最多，根據(jù)座位布局的不同通常配備150～180 座不等，使用的V2527-A5 發(fā)動機(jī)功率較大，航油流量較高。另外，B788/789/787/781,B7M8/7M9,B773 這3 類機(jī)型均屬于寬體機(jī)，對應(yīng)的單次起降循環(huán)碳排放量較高，平均滑行時間遠(yuǎn)高于其他機(jī)型?？梢姡袝r間和發(fā)動機(jī)航油流量是影響LTO碳排放量的重要因素。

表3 2019年成都雙流機(jī)場不同機(jī)型碳排放情況

3.2 碳達(dá)峰可能性分析

將相關(guān)參數(shù)值代入蒙特卡羅模型，基于式（1）和式（2），進(jìn)行20 000 次隨機(jī)抽樣，得到不同情景下碳排放量及碳達(dá)峰模擬結(jié)果，如圖2～圖5所示。

圖2 為初始情景下的碳排放預(yù)測結(jié)果。在該情景下，2025 年碳排放量在107.21 萬～129.88 萬t之間，最有可能達(dá)到的水平是118.88 萬t；2030年碳排放量在117.98 萬～145.93 萬t 之間，最有可能為131.08 萬t；2035 年碳排放量在125.73 萬～155.55 萬t 之間，最有可能為140.64 萬t。根據(jù)計算結(jié)果，在初始情景下沒有碳達(dá)峰的可能性。這一結(jié)果表明，在初始情景下，機(jī)場航空器碳排放將持續(xù)增加。從長遠(yuǎn)來看，這種高速增長是不可取的。因此，為了控制碳排放的增長趨勢，機(jī)場和航空公司需采取更加嚴(yán)格的減排措施。

圖2 初始情景碳排放預(yù)測

圖3 為優(yōu)化情景下的碳排放預(yù)測結(jié)果。在該情景下，2025 年碳排放量在97.94 萬～120.20 萬t之間，最有可能達(dá)到的水平是108.66 萬t；2030年碳排放量在99.24 萬～123.05 萬t 之間，最有可能為111.34 萬t；2035 年碳排放量在96.01 萬～123.73 萬t 之間，最有可能為140.64 萬t。在優(yōu)化情景下，2032 年將出現(xiàn)碳排放的峰值，為111.49萬t。

圖3 優(yōu)化情景碳排放預(yù)測

圖4 為綠色發(fā)展情景下的碳排放預(yù)測結(jié)果。在該情景下，2025 年碳排放量在93.65 萬～116.28萬t 之間，最有可能達(dá)到的水平是105.48 萬t；2030 年 碳 排放量在92.60 萬～116.79 萬t 之 間，最有可能為105.50 萬t；2035 年碳排放量在91.31 萬～116.09萬t之間，最有可能為102.90萬t。在此情景下，峰值碳排放量105.88 萬t 在2028 年出現(xiàn)，相較于優(yōu)化情境下碳達(dá)峰時間提前了4年。

圖4 綠色發(fā)展情景碳排放預(yù)測

圖5為技術(shù)革新情景下的碳排放，預(yù)測結(jié)果。在該情景下，2025 年碳排放量在90.76 萬～110.28萬t 之間，最有可能達(dá)到的水平是100.35 萬t；2030 年碳排放量在81.33 萬t～100.04 萬t 之間，最有可能為91.39 萬t；2035 年碳排放量在72.97 萬～89.66 萬t 之間，最有可能為81.64 萬t。2023 年存在碳排放的峰值，為101.48萬t。在此情景下，將最早實現(xiàn)碳達(dá)峰。

圖5 技術(shù)革新情景碳排放預(yù)測

3.3 碳達(dá)峰影響因素及靈敏度分析

機(jī)場航空器碳達(dá)峰及減排潛力由多重因素共同作用。為順利實現(xiàn)機(jī)場航空器碳達(dá)峰，從航空器滑行時間、發(fā)動機(jī)航油流量及燃油碳排放系數(shù)3個方面探究參數(shù)變化對碳排放的影響。

根據(jù)3.1 節(jié)和3.2 節(jié)中的參數(shù)設(shè)置，2019—2035 年，初始情景、優(yōu)化情景、綠色發(fā)展情景及技術(shù)革新情景下成都雙流機(jī)場航空器分別產(chǎn)生碳排 放2 086.246 萬t,1 844.06 萬t,1 772.475 萬t,1 608.32 萬t。這4 種情景下產(chǎn)生的碳排放總量相較于在未來碳排放管理上不采取任何政策或措施的情況下，分別減少13.16%,23.24%,26.22%,33.05%的碳排放量。

為分析單一因素變化對不同碳減排情景的影響，通過控制變量計算各因素對碳減排的貢獻(xiàn)比例，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同情景下各影響因素對碳減排的貢獻(xiàn)比例

由圖6 可知，首先，碳排放系數(shù)對碳減排的貢獻(xiàn)最大，除初始情景下碳排放系數(shù)沒有發(fā)生變化外，優(yōu)化情景、綠色發(fā)展情景與技術(shù)革新情景下碳排放系數(shù)對碳減排的貢獻(xiàn)比例分別為44%,41%,40%，這表明降低燃油燃燒的碳排放系數(shù)是航空器碳減排的有效方法之一。其次，航油流量對于碳減排發(fā)揮著重要作用，4 種情景下的貢獻(xiàn)比例分別為56%,29%,33%,37%。再次，滑行時間的減少對于航空器碳減排同樣重要。

為進(jìn)一步探究各因素對于航空器碳排放的影響，圖7 給出減少6%滑行時間（約1.9min）、減少6%航油流量以及減小6%碳排放系數(shù)相對于2019年即不采取任何措施下的碳減排比例。

圖7 單因素變化的靈敏度分析

從圖7 可以看出，碳排放系數(shù)具有較大的碳減排效益，航油流量與滑行時間對碳減排的貢獻(xiàn)略低于碳排放系數(shù)，但同樣起到重要作用。以B737（發(fā)動機(jī)型號：CFM56-7B22）為例，單次起降循環(huán)的碳排放量為47 915.98kg，減少6%碳排放系數(shù)的碳減排效益為3 254.395kg，減少6%的燃油流量的碳減排效益為2 857.889 kg，縮短6%滑行時間的碳減排效益為2 233.114 kg。

《2022 中國民航綠色發(fā)展政策與行動》中指出，民航碳減排主要可從優(yōu)化機(jī)場場面運行、升級發(fā)動機(jī)和混合使用可持續(xù)燃料等方面著手[17]，因此可以這從3 個方面有針對性地制定政策和實施相關(guān)管理措施，加快機(jī)場航空器實現(xiàn)碳達(dá)峰。

4 結(jié)語

本文采用ICAO 建立的“自下而上”計算方法，將機(jī)場航空器未來碳排放劃分為4 種不同情景，測算了成都雙流機(jī)場2019年機(jī)場航空器的碳排放量，結(jié)合情景分析法與蒙特卡羅方法，對未來年機(jī)場航空器碳排放進(jìn)行了預(yù)測，探討了碳達(dá)峰實現(xiàn)的可能性，最后分析了碳減排的關(guān)鍵影響因素對碳排放的影響。經(jīng)測算，2019 年成都雙流機(jī)場航空器共產(chǎn)生約99.6萬t的碳排放量；在4種不同情景下，成都雙流機(jī)場航空器碳排放在初始情景下達(dá)到最高值，約為140.64 萬t；在技術(shù)革新情景下達(dá)到最低值，約為81.64 萬t；在優(yōu)化情景、綠色發(fā)展情景和技術(shù)革新情景下可分別于2032 年、2028 年和2023 年實現(xiàn)碳達(dá)峰，碳排放最可能的峰值分別為111.49 萬t,105.88 萬t,101.48萬t。研究表明，降低航空燃油碳排放系數(shù)是實現(xiàn)碳達(dá)峰最重要的手段。

需要指出的是，鑒于本研究以機(jī)場內(nèi)航空器為研究對象，因此僅考慮了航空器起降循環(huán)階段的碳排放，而未考慮航空器在機(jī)場間巡航階段的碳排放。未來將進(jìn)一步以某一型號航空器或航空公司整個機(jī)隊的角度，開展航空器碳排放及碳達(dá)峰預(yù)測研究，以更好地指導(dǎo)民航業(yè)的碳減排工作，順利實現(xiàn)碳達(dá)峰。