機場航空器碳排放及碳達峰預測

張培文，丁 銳，趙聯政

（1.中國民用航空飛行學院經濟與管理學院，四川 廣漢 618307；
2.中國民用航空飛行學院機場學院，四川 廣漢 618307）

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 屆聯合國大會上承諾2030 年實現碳達峰，2060 年實現碳中和。航空運輸業的碳排放占比較小，但隨著科學技術的進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的減排壓力[1]。自2013 年以來，全球航空業的每日燃料消耗量已超過500 萬桶，導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%的碳排放產生于著陸和起飛（Landing and Takeoff,LTO）循環期間[3]。因此，考慮到中國航空業的快速發展，有必要開展機場航空器碳排放和碳達峰預測研究，為加快實現民航碳達峰提供理論依據。

近年來，民航碳減排問題越來越受到學者們的關注，其中部分學者圍繞碳排放核算和預測展開研究。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，存在燃油數據難以獲取的問題，不利于核算各機場航空器的碳排放量[5]，相比而言，基于運行數據“自下而上”的方法具有一定優勢[6-7]。在碳排放預測方面，Zhou等[8]采用情景分析法從燃油強度和燃油種類等角度，預測并分析我國民航碳排放量；
Liu 等[9]考慮運輸強度和碳排放系數等多個因素，采用情景分析法對未來我國民航碳排放進行了預測；
胡榮等[10]運用改進的ICAO方法，預測了廈門高崎機場碳達峰的可能性及影響因素。此外，現有文獻中的情景分析限于設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該是連續值，而不是某個特定值。因此，邵帥等[11]引入蒙特卡羅模擬來預測碳排放趨勢。

縱觀國內外現有研究，可以發現：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部動態聯系。兩種主要研究方法相比，情景分析在假定某些趨勢持續發展的前提下，可對可能出現的后果作出有效預測，但存在一定的主觀性；
蒙特卡羅作為一種走勢預測方法，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地結合起來，定量與定性方法的互補優勢將有助于科學預測不同情景下碳排放及碳達峰的演變趨勢。為了科學預測機場航空器碳排放量和碳達峰的可能性，本研究將基于運行數據的“自下而上”的ICAO 方法，首先將機場航空器未來碳排放劃分為初始情景、優化情景、綠色發展情景、技術革新情景，并測算成都雙流機場2019年的機場航空器碳排放量，以獲得各情景下初始點的碳排放量和橫向分析不同機型的碳排放特征；
然后，將蒙特卡羅模擬與情景分析相結合，對成都雙流機場不同情景下未來年的航空器碳排放量進行預測；
最后，對碳排放影響參數進行靈敏度分析，明確關鍵因素對機場航空器碳排放的影響程度，并進一步探討碳減排的可能途徑和實現碳達峰的可能性。

1.1 機場航空器碳排放測算方法

本文采用ICAO 建立的基于運行數據的“自下而上”的方法，測算機場航空器碳排放量。ICAO 對各階段運行時長進行了標定：起飛0.7min，爬升2.2min，進近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 個發動機在j階段的耗油率（kg/s）；
Ni為i類航空器的發動機個數（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（kg/kg）；
ni為i類航空器的LTO總數（次）。

1.2 碳排放情景設置

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

情景1：初始情景。這是根據過去民航發展特征及趨勢得出的一種可能情景。該情景假設一種民航發展的慣性狀態：目前經濟環境和技術水平沒有發生變化，沒有采取新的減排措施，民航發展特征將與過去模式相同。具體來說，航空器更新保持現有速度，生物燃油使用較少，傳統燃油使用較多。

情景2：優化情景。民航節能減排“十三五”發展規劃中指出，民航行業要高效利用能源資源，優化航空節能運行環境，著力提高運輸生產力[12]。優化情景是指在初始情景基礎上，假設民航業實施了一些減排措施：航空器地面滑行時間在優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：綠色發展情景?！笆奈濉泵窈骄G色發展規劃提出民航可持續發展的理念，強調生態文明建設[10]，節約資源和保護環境是一項基本國策。因此，中國已逐步走向綠色發展道路。綠色發展情景在優化情景的基礎上，繼續從地面滑行時間、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：技術革新情景。節能減排需要技術創新，在提高能源效率和使用低碳能源方面，生產和儲能技術的重大突破尤為關鍵，具體包括：生物燃油研發成本降低，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]，根據一定概率隨機組合參考變量計算目標變量。蒙特卡羅方法在模擬預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Ti,j,Ri,j,I,ni等參數在上述4 種情景下的潛在變化率和發生概率，采用蒙特卡羅模擬可得到不同因素的隨機值。

本研究中機場航空器碳排放蒙特卡羅模擬流程如圖1 所示。首先根據相關參數設定，回歸得到不同情景下概率分布函數，考慮到機場運行的不確定性，對其進行20 000 次隨機抽樣，然后輸入概率模型進行模擬，最后使用Matlab 和Origin對預測結果進行繪圖和分析。

圖1 機場航空器碳排放蒙特卡羅模擬流程

2.1 數據來源

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

表1 航空器碳排放數據來源

2.2 研究假設

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

表2 不同預測情景下的參數取值設置

表2 （續）

（1）滑行時間。在不同假設情景下，機場對航空器的調度有所差異。根據ICAO 給出的標準滑行時間26min 和2017 年機場平均滑行時間16min，假設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。新一代航空器發動機較上一代可提升航油效率20%左右。假設4 種情景下分別有21%,22.7%,25%,25.9%的航空器會進行發動機升級或替換，且4 種情景下發動機升級分別會提高20%,22%,24%,27%的效率，另外假設航油流量的提高比例為發動機的升級或替換參數與發動機提高的效率之積。因此，4 種情景下整個機隊航油效率分別提高4.2%,5%,6%,7%。

（3）碳排放系數。不同情景對燃油的改進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，假設不同情景下碳排放系數分別減少0%,0.5%,0.6%,1.1%。

（4）起降架次?；?010—2021 年成都雙流機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2025 年、2030 年、2035 年成都雙流機場航空器的起降架次分別為482 972,577 420,671 295架次。

3.1 2019年碳排放測算

成都雙流機場2019 年共起降航空器366 887架次，根據歷年民航局、航空公司的夏秋與冬春航季全國航班計劃總表，通過數據清洗、整理，最終得到不同機型起降總架次為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型的碳排放特征，根據式（1）、式（2）計算得出2019年成都雙流機場LTO階段航空器共產生約99.6 萬t 的碳排放，其中各機型碳排放結果如表3 所示。LTO 的碳排放量排前三的機型分別為：A320,A321 和A319。其中A320 的碳排放量最高，原因是該機型較大且在雙流機場起降架次最多，根據座位布局的不同通常配備150～180 座不等，使用的V2527-A5 發動機功率較大，航油流量較高。另外，B788/789/787/781,B7M8/7M9,B773 這3 類機型均屬于寬體機，對應的單次起降循環碳排放量較高，平均滑行時間遠高于其他機型?？梢?，滑行時間和發動機航油流量是影響LTO碳排放量的重要因素。

表3 2019年成都雙流機場不同機型碳排放情況

3.2 碳達峰可能性分析

將相關參數值代入蒙特卡羅模型，基于式（1）和式（2），進行20 000 次隨機抽樣，得到不同情景下碳排放量及碳達峰模擬結果，如圖2～圖5所示。

圖2 為初始情景下的碳排放預測結果。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。根據計算結果，在初始情景下沒有碳達峰的可能性。這一結果表明，在初始情景下，機場航空器碳排放將持續增加。從長遠來看，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，機場和航空公司需采取更加嚴格的減排措施。

圖2 初始情景碳排放預測

圖3 為優化情景下的碳排放預測結果。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。在優化情景下，2032 年將出現碳排放的峰值，為111.49萬t。

圖3 優化情景碳排放預測

圖4 為綠色發展情景下的碳排放預測結果。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，相較于優化情境下碳達峰時間提前了4年。

圖4 綠色發展情景碳排放預測

圖5為技術革新情景下的碳排放，預測結果。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，將最早實現碳達峰。

圖5 技術革新情景碳排放預測

3.3 碳達峰影響因素及靈敏度分析

機場航空器碳達峰及減排潛力由多重因素共同作用。為順利實現機場航空器碳達峰，從航空器滑行時間、發動機航油流量及燃油碳排放系數3個方面探究參數變化對碳排放的影響。

根據3.1 節和3.2 節中的參數設置，2019—2035 年，初始情景、優化情景、綠色發展情景及技術革新情景下成都雙流機場航空器分別產生碳排 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比例，結果如圖6所示。

圖6 不同情景下各影響因素對碳減排的貢獻比例

由圖6 可知，首先，碳排放系數對碳減排的貢獻最大，除初始情景下碳排放系數沒有發生變化外，優化情景、綠色發展情景與技術革新情景下碳排放系數對碳減排的貢獻比例分別為44%,41%,40%，這表明降低燃油燃燒的碳排放系數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揮著重要作用，4 種情景下的貢獻比例分別為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略低于碳排放系數，但同樣起到重要作用。以B737（發動機型號：CFM56-7B22）為例，單次起降循環的碳排放量為47 915.98kg，減少6%碳排放系數的碳減排效益為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 中國民航綠色發展政策與行動》中指出，民航碳減排主要可從優化機場場面運行、升級發動機和混合使用可持續燃料等方面著手[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管理措施，加快機場航空器實現碳達峰。

本文采用ICAO 建立的“自下而上”計算方法，將機場航空器未來碳排放劃分為4 種不同情景，測算了成都雙流機場2019年機場航空器的碳排放量，結合情景分析法與蒙特卡羅方法，對未來年機場航空器碳排放進行了預測，探討了碳達峰實現的可能性，最后分析了碳減排的關鍵影響因素對碳排放的影響。經測算，2019 年成都雙流機場航空器共產生約99.6萬t的碳排放量；
在4種不同情景下，成都雙流機場航空器碳排放在初始情景下達到最高值，約為140.64 萬t；
在技術革新情景下達到最低值，約為81.64 萬t；
在優化情景、綠色發展情景和技術革新情景下可分別于2032 年、2028 年和2023 年實現碳達峰，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是實現碳達峰最重要的手段。

需要指出的是，鑒于本研究以機場內航空器為研究對象，因此僅考慮了航空器起降循環階段的碳排放，而未考慮航空器在機場間巡航階段的碳排放。未來將進一步以某一型號航空器或航空公司整個機隊的角度，開展航空器碳排放及碳達峰預測研究，以更好地指導民航業的碳減排工作，順利實現碳達峰。