紀(jì)嘉彬，陳立奇，汪建君

(1.國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點實驗室 廈門 361005； 2.國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005)

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海洋船舶排放清單估算及相關(guān)法規(guī)進展*

紀(jì)嘉彬1,2，陳立奇1,2，汪建君1,2

(1.國家海洋局海洋-大氣化學(xué)與全球變化重點實驗室 廈門 361005； 2.國家海洋局第三海洋研究所 廈門 361005)

文章通過分析船舶排放清單估算方法，提出控制船舶NOX、SOX排放的重要性，進而介紹國內(nèi)外關(guān)于船舶排放的相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)及實施進展。當(dāng)前，我國在控制船舶排放方面的相關(guān)法規(guī)及措施仍很不完善，加強我國海洋船舶排放監(jiān)控并完善清單估算及相關(guān)法規(guī)十分重要。

船舶排放；大氣污染；船舶排放法規(guī)

1 引言

由于世界工業(yè)格局的特殊分布情況，且伴隨著世界經(jīng)濟貿(mào)易全球化態(tài)勢的增長，船舶運輸成為各貿(mào)易國之間重要的運輸方式[1]，船舶客運也成為沿海城市間交通運輸中的重要形式。船舶排放的廢氣成為海洋及沿岸地區(qū)空氣污染的重要來源。因此，各國政府及海事組織都十分重視船舶的排放問題。

船舶排放的廢氣主要包含有CO2，SOX，NOX，有機污染物及黑炭等物質(zhì)，這些物質(zhì)通過混合擴散過程在一定程度上改變了船舶行駛海區(qū)及所?？扛劭诔鞘械目諝饨M成。另外，船舶排放所形成的臭氧和顆粒物也會危害到在該區(qū)域內(nèi)生活和活動人們的健康[2]。船舶排放的顆粒物主要以可吸入顆粒為主，可進入人的肺泡；顆粒物中吸附的鎳、釩被證明與心血管及呼吸道疾病有很大關(guān)系[3]。研究結(jié)果顯示，每年因船舶排放的顆粒物而導(dǎo)致的死亡人數(shù)達到6萬人[4]。船舶排放的NOX通過沉降作用進入表層水體，造成水體富營養(yǎng)化污染[5]，過多的氮輸入會影響水體的生物多樣性[2]。相比于NOX，船舶廢氣中的SOX與燃油中的含硫量關(guān)系密切[6]。NOX及SOX容易在空氣中發(fā)生氧化反應(yīng)，與空氣中的水分結(jié)合形成具腐蝕性的酸雨，對城市建筑和生態(tài)環(huán)境造成破壞性影響。船舶排放的NOX及SOX進入水體還可能造成水體酸化，雖然其對全球尺度的海洋酸化影響很小，但研究其對于較淺沿岸水體的酸化影響仍具有重要意義[7]。

另一方面，船舶排放的污染物對局地的氣候影響也是國際上的一項研究熱點。船舶排放的物質(zhì)可參與氣溶膠的形成，通過與太陽輻射及云的相互作用來影響區(qū)域的氣候變化[8]。IPCC第五次報告指出，因人為氣溶膠造成的有效輻射強迫大約為-0.45 W·m-2[9]。船舶排放的顆粒物及SOX、NOX轉(zhuǎn)化形成的二次氣溶膠都能作為云凝結(jié)核，并以船舶行駛過的軌跡為中心向外擴散，影響區(qū)域范圍內(nèi)云的反照率[10]。在容易出現(xiàn)低云的海域受此成云效應(yīng)的影響更為明顯，通過衛(wèi)星圖像可以觀察到在船舶行駛軌跡的上空出現(xiàn)了相應(yīng)的云帶[11]。船舶排放的污染物通過這種方式起到降溫作用，被認為在一定程度上可以抵消人為排放溫室氣體造成的氣候變暖。

目前，國際上關(guān)于船舶排放的相關(guān)法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)仍不完善，國內(nèi)更是處于起步階段，沒有成形的法規(guī)。為更好地制定船舶排放的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，需綜合研究船舶排放對空氣組分、人類健康及氣候變化的影響。因此，本研究通過分析船舶排放清單的主要研究方法，比較國內(nèi)外部分地區(qū)船舶排放清單的研究結(jié)果并討論其意義，歸納國際上控制船舶排放的管理辦法，為我國船舶排放的研究及相關(guān)法規(guī)的制定提出了一些建議。

2 船舶排放估算方法

建立船舶排放清單，對制定控制船舶排放措施及相關(guān)法規(guī)具有重要的指導(dǎo)作用。世界上很多國家在船舶往來頻繁的港口都進行了船舶排放清單的研究。通常，研究船舶排放的方法有以下3種：自上而下(Top-down)、由下而上(Bottom-up)、船舶水路交通網(wǎng)、能源機環(huán)境模型(The waterway network ship traffic,energy and environment model，STEEM)[12]。Richter等[13]還使用衛(wèi)星觀測的方法來觀測全球船舶排放NO2的情況，雖然計算結(jié)果存在很大的誤差，但通過該研究可了解船舶排放對海洋邊界層的影響及可發(fā)揮衛(wèi)星在監(jiān)測船舶排放的重要作用。

Corbett等[14]用Top-down方法首次計算出全球船舶排放量。該方法以船舶的活動信息為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)檔案中的船舶規(guī)格信息和航行路線信息，較快地推算出船舶航線的排放情況，可用于區(qū)域和全球尺度的船舶排放計算。其假設(shè)數(shù)據(jù)檔案中登記的船舶信息即為所研究范圍內(nèi)所有的船舶信息，數(shù)據(jù)檔案中記錄的船舶空間分布即為船舶交通往來的分布情況，因此該方法計算得到的船舶排放量要少于實際排放值。Top-down方法計算排放量時，在總體上并沒有參考船舶活動的位置信息，而是根據(jù)需要選擇關(guān)聯(lián)相關(guān)船舶活動信息，得到的計算結(jié)果準(zhǔn)確性不足。

Bottom-up方法[15]與Top-down方法最主要的區(qū)別在于：Bottom-up方法基于船舶活動的位置信息計算。該方法根據(jù)船舶的歷史活動軌跡信息、發(fā)動機規(guī)格信息、船舶運行情況及排放因子來計算船舶排放量。方法中使用的數(shù)據(jù)直接來源于各港口登記資料，可以計算船舶航線的排放總量，其計算結(jié)果更加準(zhǔn)確。在計算燃油量方面，Bottom-up方法較之通過船舶噸位來估算燃油消耗量的方法不同，是參照發(fā)動機動力參數(shù)并應(yīng)用船舶活動數(shù)據(jù)來計算。Bottom-up方法采用的數(shù)據(jù)來源于各個港口，如用于計算全球船舶排放量將導(dǎo)致工作量龐大，因此該方法更適合用于區(qū)域或小尺度范圍的船舶排放量計算。此外，該方法在研究船舶沿線排放量時，經(jīng)常把兩港口之間的航線簡化為最短距離。

Bottom-up方法分別使用式(1)和式(2)來計算船舶燃油量和排放量，即

(1)

(2)

式中：Q為船舶燃油量；PMW為發(fā)動機功率；F為發(fā)動機負荷系數(shù)；t為發(fā)動機的平均運行時間；P為燃料消耗率；E為污染物排放因子。

排放因子E的值是通過燃料燃燒過程中，燃料所排放的污染物的質(zhì)量轉(zhuǎn)換得到的。Radke[16]提出用碳平衡法計算氣體及顆粒物的排放因子，該方法假設(shè)所有的碳都以CO2，CO，CH4，非甲烷有機碳(NMOC)及顆粒碳形式排放。X物質(zhì)的排放因子E被定義為同一個源排放的X增量(ΔX)與總碳增量(ΔC)的比值，用式(3)表達為

(3)

其中濃度增量是相對周圍環(huán)境本底值的增量。

STEEM方法[17]在Bottom-up方法基礎(chǔ)上做了改進。以船舶航行位置信息為基礎(chǔ)，依據(jù)歷史船舶航線軌跡經(jīng)驗建立了船運信息網(wǎng)，相比于以往以推測的方式得到航行路線的方式，該方法所獲得的航線模擬更為可靠。STEEM方法延續(xù)了Bottom-up方法計算燃油量及排放量的方式。在進行全球尺度的船舶排放研究時，STEEM方法使用可重復(fù)的自動操作程序來減少大量的工作量。該模型不僅可以用于船舶排放的研究，同樣適用于研究船舶流量、估計能源的使用情況及評估航運對環(huán)境的影響等。STEEM方法結(jié)合了其他研究方法的優(yōu)點，更適用于區(qū)域及全球范圍的船舶排放研究，其研究方式較其他方法更為合理，研究結(jié)果也更為準(zhǔn)確，應(yīng)用前景最為廣泛。

3 船舶排放清單估算

國外對于船舶的排放問題比較重視，也把排放清單研究放在優(yōu)先研究的位置。目前我國對于船舶排放清單的估算研究相對薄弱，僅對個別船舶流通量大的港口進行船舶排放清單的研究。很少有研究使用不同的計算方法對同一港口或海域的船舶排放量進行估算，因此也很難比較不同方法間估算得到結(jié)果的差異性。表1列出了世界部分海域及港口的船舶污染物的排放量。

表1 部分海域及港口的船舶排放量 103 t/a

注：數(shù)據(jù)來源，見參考文獻[5，18-21].

近岸船舶排放的污染物總量與近岸船舶往來的密集程度、港口吞吐量、船舶使用燃油及發(fā)動機技術(shù)規(guī)格等都有直接關(guān)系。2008年美國金融危機的暴發(fā)，使得全球經(jīng)濟都陷入了低迷，全球海運受到了很大影響，釜山港2009年的船舶進港數(shù)量少于2008年，釜山港大部分污染物排放量于2008年達到最大值。另外，由于船舶發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，新建船舶所使用的發(fā)動機具有更低的NOX排放因子，從而降低了整體的NOX排放水平，導(dǎo)致釜山港2006年在船舶數(shù)量相對較少的情況下所排放的NOX依然大于2008年。波羅的海地區(qū)2009年污染物排放量少于2008年的原因與釜山港地區(qū)相同。然而，波羅的海作為最先設(shè)立的硫排放控制區(qū)(SECA)之一而受到了相關(guān)法規(guī)的保護，自2006年開始，航行于該海域的船舶被限制使用硫含量標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)苛的燃油。2006—2008年，隨著船舶數(shù)量的增多，NOX及CO2排放量逐年增加，反觀使用含硫量低的燃油后，SO2排放量卻逐年遞減，相關(guān)硫氧化物顆粒物的減少，也使得顆粒物總排放量逐年減少，為此可看出硫排放限制法規(guī)的實施取得了明顯成效。

船舶排放污染物的擴散范圍可達400 km[22]，船舶排放被認為是香港最大的城市污染源，嚴(yán)重影響著整個地區(qū)的空氣質(zhì)量及居民的健康。Simon等[19]對香港船舶排放的研究對象僅包括了遠洋船只，香港地區(qū)的實際船舶排放量將高于該研究的結(jié)果。2013年，香港船舶排放的SO2和NOX分別為12 400 t、14 500 t[19]，船舶排放已成為香港地區(qū)SO2和NOX最大的排放源，其中集裝箱貨船排放的污染物總量占到了香港地區(qū)船舶排放總量的80%。香港處于獨特的沿海地理位置，城市面積較小，人口密度高，特別是港口周圍分布著居民生活區(qū)和商業(yè)活動中心，使得香港在治理船舶排放的問題上刻不容緩。船舶排放的研究為香港政府制定相關(guān)法規(guī)提供了科學(xué)依據(jù)，同時也為碼頭管理方及船東在減少船舶排放對環(huán)境的影響上提供指導(dǎo)。針對香港的船舶排放情況，香港政府出臺了《乘風(fēng)約章》，鼓勵停泊香港的船舶使用含硫量為0.005%的燃油，并提供相應(yīng)的補助措施[23]。上海的城市特征與香港相似，黃浦江的河運將給上海市區(qū)帶來更直接的大氣污染。隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，上海港逐步超過香港港、新加坡港等世界級大港，2013年上海港的集裝箱吞吐量達3 361.7萬TEU(標(biāo)準(zhǔn)箱)，是香港港的1.5倍[24]，自2010年開始連續(xù)蟬聯(lián)世界最大集裝箱吞吐量最大港口。過去，城市對于大氣污染的整治主要針對發(fā)電廠、重工業(yè)及陸上交通，上海港作為世界第一大港兼具內(nèi)河運輸?shù)碾p重壓力，船舶排放污染嚴(yán)重，在世界范圍內(nèi)頗具代表性，對上海的船舶排放治理勢必會引起廣泛的關(guān)注。

對比表1中數(shù)據(jù)，在所有船舶排放的污染物中，CO2的排放量最大，其次為NOX、SO2及顆粒物。CO2的排放量雖遠大于NOX、SO2及顆粒物，但其所占人為CO2總排放量的比重較小，僅為2.7%[25]，而NOX、SO2分別占人為總排放量的15%～30%及4%～9%[12]。此外，CO2作為世界各界最為關(guān)注的溫室氣體，關(guān)于CO2排放的控制問題較為復(fù)雜，涉及各個國家的經(jīng)濟利益問題。然而，對于控制船舶排放而言，減排NOX和SO2將更有助于減少船舶排放對于環(huán)境氣候及人類健康的影響。每年因船舶消耗的燃油量占到了全球總油耗量的10%～20%[26]，2000年海洋船舶運輸共消耗2億～2.9億t燃油[15]。相較于汽車排放對內(nèi)陸城市的影響，船舶排放對沿岸地區(qū)及航線海域的影響更大。因此，控制船舶排放，尤其是船舶NOX、SO2的排放問題，引起了國際上的高度重視。

4 船舶排放的管理辦法及實施情況

1997年，國際海事組織(IMO)修訂了MARPOL73/78附則VI。對船舶燃油的硫含量、發(fā)動機氮氧化物技術(shù)規(guī)則及臭氧消耗物質(zhì)做出了明確的規(guī)定，并特別將波羅的海和北海劃分為硫排放控制區(qū)，另外，近年還新增了北美及美國加勒比海兩個排放控制區(qū)。表2和表3分別歸納了附則關(guān)于船舶燃油含硫量及發(fā)動機技術(shù)規(guī)格的具體實施辦法。該附則還規(guī)定了在2005年5月19日以后建造的船舶或?qū)嶋H交付船上使用的設(shè)備，除部分永久密封設(shè)備外，禁止使用氫化氯氟烴以外的消耗臭氧物質(zhì)。至2020年1月1日后，將禁止使用含氫化氯氟烴的裝置[27]。

通常，國際上用于減少船舶排放的措施包括：提高船舶燃油的質(zhì)量；限制船舶在近岸及沿海的船速；改造發(fā)動機技術(shù)或增加污染物清除系統(tǒng)等[28]。歐盟國家在控制船舶排放的進展中一直處于世界領(lǐng)先地位，其制定相關(guān)法規(guī)提前了MARPOL 73/78公約附則VI規(guī)定的執(zhí)行時間，并通過相關(guān)修正案來不斷擴大適用于控制船舶排放法規(guī)的區(qū)域。歐洲部分國家還通過根據(jù)船舶排放污染物數(shù)量征收港口費用及航道費用的措施來減少船舶排放。挪威則是把向船舶征收一定的費用作為NOX排放的控制基金，供需要改造的船只申請，用以減少NOX的排放[29]。北美地區(qū)除設(shè)定新的排放控制區(qū)外，美國EPA還制定了更嚴(yán)苛的燃油標(biāo)準(zhǔn)，用于限制在美生產(chǎn)及銷售的燃油含硫量。此外，部分國家及地區(qū)開始使用岸電技術(shù)來代替船舶靠港后的輔機發(fā)電。該技術(shù)可大量減少船舶在靠港后的廢氣排放，減少船舶輔機產(chǎn)生的噪聲。有研究表明，當(dāng)船舶?？吭诖a頭時，使用岸電代替船上的燃油消耗可減少約94%NOX，42%CO2，以及90%PM排放[30]。

表2 MARPOL73/78附則VI對船舶燃油含硫量的規(guī)定[27]

表3 MARPOL73/78附則VI規(guī)定的氮氧化物技術(shù)規(guī)則[27] g/(kW·h)

目前，我國大陸地區(qū)控制船舶排放仍停留在執(zhí)行MARPOL 73/78公約附則VI的規(guī)定層面上，還未出臺更嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)，僅部分船舶運輸發(fā)達的港口城市提出了一些管理辦法。且我國內(nèi)河及沿海大部分船舶不在公約約束范圍中，該部分船舶仍在使用含硫量較高的燃油，發(fā)動機減排技術(shù)規(guī)格相對落后，致使船舶排放仍處于較高水平。上海港自2005年來，已連續(xù)9年保持貨物吞吐量世界第一。2010年上海市的船舶排放的NOX、SO2及PM2.5分別占全年城市污染的12.0%、9.0%、5.3%[21]。對此，上海市政府提出鼓勵船舶在靠港期間使用岸電，并努力推動上海地方控制船舶排放法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的制定，希望通過相關(guān)地方法規(guī)在上海的成功實施，推動國家層面控制船舶廢氣排放法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)的推廣[31]。

5 總結(jié)與展望

船舶排放的污染物，尤其是NOX、SOX及顆粒物，將在一定程度上影響沿岸地區(qū)及船舶航行軌跡的空氣組分及氣候變化，更可能危害到港口城市的居民健康狀況。隨著對船舶排放研究的深入，研究方法也在不斷迭代。STEEM方法結(jié)合了其他計算船舶排放量的方法的優(yōu)勢，可更準(zhǔn)確地計算出船舶排放清單并還原相關(guān)位置信息。未來還會有更多更先進的技術(shù)手段被用于船舶排放清單的研究。研究結(jié)果表明，船舶排放量與燃油含油量及發(fā)動機技術(shù)規(guī)格等存在直接關(guān)系，同時也與全球經(jīng)濟發(fā)展情況密切相關(guān)。船舶排放的NOX、SOX占人為排放的比重大于CO2，因此控制船舶使用過程中NOX、SOX的排放，對于環(huán)境保護及人類健康來說，更有意義。

國際海事組織作為一個負責(zé)防止船舶污染的國際機構(gòu)，修訂了MARPOL73/78附則VI，用于減少船舶排放對海洋造成的污染。附則內(nèi)容限定了行駛于相關(guān)海域的船舶必須使用相應(yīng)含硫量的燃油，包括必須改進相關(guān)的技術(shù)手段來減少NOX的排放及會造成消耗臭氧的物質(zhì)的使用。在執(zhí)行MARPOL73/78附則VI的基礎(chǔ)上，部分歐洲及北美國家還出臺了更多關(guān)于船舶排放的管理辦法，用于進一步地減少船舶對于海洋及沿岸地區(qū)的污染。

近年來，隨著全球經(jīng)濟的回暖，逐步恢復(fù)加速增長的國際貿(mào)易將會帶動全球港口貨物吞吐量的增長。其中，亞洲港口的吞吐量份額正在不斷增長。據(jù)中港網(wǎng)站統(tǒng)計的信息顯示，2013年全球港口貨物吞吐量排名前10中，亞洲港口得9席，中國獨占8席，中國共完成了全球十大港口貨物吞吐量的81.1%[32]。我國社會及政府近幾年來一直在關(guān)注空氣質(zhì)量問題，日益增長的港口運輸勢必會給沿海城市帶來更大的壓力。

然而，中國現(xiàn)在對于控制船舶排放的改造仍是困難重重。一方面，使用含硫量低的高品質(zhì)燃油將加大船舶的運營成本；另一方面，改造船舶發(fā)動機技術(shù)規(guī)格或加裝污染物清除系統(tǒng)也要消耗一筆很大的改裝費用，如果僅靠法規(guī)來約束而缺乏相應(yīng)的補貼獎勵機制，將打擊船企或船東執(zhí)行法規(guī)的積極性。并且，碼頭岸電設(shè)施的改造和船舶使用岸電的相關(guān)設(shè)備改造也需要大量的資金。

對船舶排放的研究將為相關(guān)管理和決策提供有力的科學(xué)依據(jù)。在接下去的研究中，應(yīng)拓展對船舶排放的研究技術(shù)手段，擴大對船舶排放清單的研究區(qū)域，建立更多維度的監(jiān)測數(shù)據(jù)及探討船舶排放對生態(tài)環(huán)境及人類社會健康的影響。顏金培等[33]利用單顆粒氣溶膠質(zhì)譜儀對廈門近岸的大氣氣溶膠顆粒進行連續(xù)觀測，從特征污染物來源解析上觀測到了船舶排放的污染物。

當(dāng)前，我國在控制船舶廢氣排放方面的進展相比歐、美等發(fā)達國家還較為落后，缺乏相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)及有效的限制法規(guī)。在船舶污染問題上，在地方先試行建立船舶排放控制監(jiān)管體系，加大資金投入以支持相應(yīng)的碼頭設(shè)施建設(shè)，對船企或船東的運營成本及船舶改造成本有相應(yīng)的補助措施，保障相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)執(zhí)行情況，調(diào)動船企或船東執(zhí)行的積極性，共同降低船舶污染。為此，重視對船舶排放的監(jiān)控及排放清單和相關(guān)法規(guī)的研究對于治理沿海霧霾污染十分重要。

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國家自然科學(xué)基金資助項目(41230529、41476172)；國家國際科技合作專項：(2015DFG22010、ISOCORE2011-2015)；國家社會公益專項：“臺灣海峽大氣污染物的輸入及海洋生態(tài)效應(yīng)”(2004DIB5J178)；國家海洋局極地考察辦公室對外合作支持項目(IC201201、IC201308、IC201513).

P76；X55

A

1005-9857(2015)12-0080-06