徐 冉,郎建壘,楊孝文,程水源,呂 喆

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首都國際機場飛機排放清單的建立

徐 冉,郎建壘,楊孝文,程水源*,呂 喆

(北京工業(yè)大學,區(qū)域大氣復(fù)合污染防治北京市重點實驗室,北京 100124)

將基于標準起飛著陸(LTO)循環(huán)各階段工作時間的飛機排放量計算方法加以改進,利用AMDAR資料計算飛機的有效排放高度,進而準確計算出基于逐架飛機的大氣污染物排放總量.結(jié)果表明,首都國際機場2013年飛機NO、CO、HC、SO2和PM2.5排放總量分別為7042.1t、3189.9t、295.3t、429.4t和150.4t.與傳統(tǒng)的基于LTO循環(huán)的方法相比,修正后的首都機場飛機NO、CO、HC和SO2排放增加了23.5%、2.3%、2.1%和18.1%.飛機排放的CO、HC、SO2和PM2.5月變化較小,NO排放受飛機有效排放高度影響月波動較大.1~2月飛機污染物排放量處于全年最低水平,8月各污染物排放達到峰值.此外,飛機在爬升和滑行/慢車兩種模式下污染物排放比例最大,分別占排放總量的37.7%與36.8%.

首都國際機場；飛機；大氣污染物；排放清單

當前,交通運輸業(yè)是我國大氣污染物的重要來源之一,道路交通、火車運輸、內(nèi)河航運在一定程度上對大氣環(huán)境和氣候變化有顯著影響[1].中國民航業(yè)正在經(jīng)歷一個飛速發(fā)展階段,公報顯示2013年我國機場旅客吞吐量75430.9萬人次、貨郵吞吐量1258.5萬t,分別是2005年的2.65倍和1.99倍[2].飛機的能源消耗和廢氣排放量相當驚人,世界最大的雙層運輸客機——空中客車A380可以運載550名旅客,其發(fā)動機功率約等于3500輛轎車,相當于在航空旅行途中每名乘客同時乘坐6輛轎車.而一架噴氣式客機從英國倫敦飛往澳大利亞悉尼消耗的汽油約為400輛越野車各自行駛1.6萬km的能源消耗量,因此商用飛機能源消耗及相應(yīng)的人均廢氣排放量已遠遠高于任何一款汽車[3].此外,Isaksen等[4]在20世紀末首次發(fā)現(xiàn)亞音速飛機排放的NO等大氣污染物能夠改變對流層中O3和凝結(jié)尾跡的生成從而引起氣候變化.Lee等[5]發(fā)現(xiàn)航空排放尾氣(CO2、NO、顆粒物等污染物)對大氣氣溶膠輻射強迫效應(yīng)有突出貢獻.由此可見,飛機污染物排放已逐漸成為影響空氣質(zhì)量的重要貢獻源.

建立污染物排放清單是評估大氣污染、模擬空氣質(zhì)量、制訂污染控制措施及相關(guān)法規(guī)的基礎(chǔ)且高效的途徑之一[6-7].目前,我國對于機場大氣污染物排放的研究尚處于起步階段,僅有廣州白云機場、上海浦東機場等少數(shù)機場建立了初步的飛機排放清單[8-10].為此,本文選取國內(nèi)最繁忙的國際空港——北京首都國際機場,以2013年為基準年建立飛機排放清單,以期為復(fù)合型大氣污染研究提供科學依據(jù).

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域與對象

北京首都國際機場是我國地位最重要、運輸生產(chǎn)最繁忙的大型國際航空港.2013年旅客吞吐量達到8371.2萬人次,貨郵吞吐量184.3萬t,全年航班起降達56.8萬架次,連續(xù)4年穩(wěn)居世界第二,僅次于美國亞特蘭大哈茲菲爾德國際機場[2].其位于北京市順義區(qū)天竺鎮(zhèn),距離市中心25.4km.機場基準點為40°04.4'N、116°35.7'E,海拔高度35.3m.本文以首都機場的民用航空飛機為研究對象,2013年為基準年,研究的大氣污染物包括CO、NO、HC、SO2和PM2.5.

1.2 估算方法

飛機的飛行過程一般分為起飛著陸(LTO)循環(huán)和巡航階段.因此,飛機排放估算也相應(yīng)地從兩方面進行:一是估算基于機場活動飛機排放的地面大氣污染物,二是估算巡航狀態(tài)排放的以NO為主的氣態(tài)污染物.國際民航組織(ICAO)規(guī)定,飛機在機場的活動可由LTO循環(huán)描述,一個理想的LTO包括進近、滑行、起飛和爬升4個工作模式.其中,爬升模式被定義為起飛結(jié)束至飛機沖到大氣邊界層頂部3000英尺(約915m)的高度[11].有研究表明,飛機在機場的活動是機場污染排放的根源[3],飛機沖出大氣邊界層后對人類生活環(huán)境的影響較小,所以本文僅考慮飛機在邊界層以內(nèi)的排放,不包括巡航階段.影響飛機排放的決定性因素包括:①飛機類型(機隊組成,飛機/發(fā)動機匹配狀況);②發(fā)動機類型;③邊界層高度;④發(fā)動機工作模式(推力設(shè)置);⑤每種模式的燃油消耗率、排放因子及運行時間.

目前,國內(nèi)外一般的計算方法是采用ICAO推薦的標準LTO循環(huán)各階段工作時間估算從地表到大氣邊界層頂部高度約915m之間的飛機排放.這種定義固定高度的計算方法忽略了大氣邊界層高度實時變化的客觀性.本研究充分考慮了大氣邊界層高度隨時間的變化,結(jié)合AMDAR資料對日最大邊界層高度進行計算,從而更準確地確定飛機有效排放高度;進一步分階段估算飛機的排放量,得到改進后的計算模型.

1.2.1 計算模型 本文主要采用排放因子法計算飛機的排放,各階段排放因子選自ICAO推薦的發(fā)動機數(shù)據(jù)庫.但由于其中不包含PM2.5,基于前期大量文獻[12-18]調(diào)研,目前尚未發(fā)現(xiàn)各類型發(fā)動機PM2.5不同模式下的排放因子,無法分階段對其進行估算,因此本研究依據(jù)我國《非道路移動源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[19]中的指導(dǎo)方法,另外采用LTO循環(huán)數(shù)估算PM2.5的總體排放.飛機排放的大氣污染物總量計算公式如下:

式中:E為首都國際機場飛機污染氣體排放總量,g;E為污染物在工作模式下的排放量, g;為飛機PM2.5排放總量,g;為污染物類型(包括NO、CO、HC、SO2);為發(fā)動機工作模式.

各模式飛機污染氣體排放量計算見下式:

式中:E為飛機污染氣體在工作模式下的排放量,g;n為型飛機的發(fā)動機數(shù)量,臺;F為型飛機在模式下的燃油消耗率,kg/s; EI為型飛機在模式下污染物的排放因子,g/kg;t為型飛機在模式下的工作時間,s;為飛機類型;其他符號同上式.其中,起飛、滑行模式的工作時間采用本地化LTO循環(huán)規(guī)定時間.進近和爬升模式的實際工作時間基于將ICAO定義的大氣邊界層高度915m折算成有效排放高度后進行計算,具體見式(3):

式中:t為型飛機在進近、爬升模式的實際工作時間,s;t為對應(yīng)模式ICAO所規(guī)定的標準時間,s;H為型飛機的有效排放高度,m;為進近、爬升模式.

對于飛機PM2.5排放,基于LTO循環(huán)計算:

=LTO×EIPM2.5′103(4)

計算過程中,首先根據(jù)式(3)計算得到某型飛機進近、爬升模式的實際工作時間;再根據(jù)首都機場各類型飛機的燃油消耗率、排放因子和LTO循環(huán)次數(shù),按式(2)和(4)計算得到飛機在各模式下NO、CO、HC、SO2和PM2.5排放量;最后根據(jù)式(1)得到首都機場飛機排放的大氣污染物總量.本文用Matlab語言編程,所有計算由計算機程序完成.

1.2.2 參數(shù)來源及確定 大氣邊界層會隨著氣象條件的不同而發(fā)生變化.Davies等[20]通過統(tǒng)計探空資料發(fā)現(xiàn)日混合層高度在500~2000m范圍內(nèi)波動.邊界層高度早晚較低,在14時左右達到最高.對于飛機排放而言,在邊界層達到最高之前邊界層以上的污染也會隨著高度的抬升而擴散,影響大氣環(huán)境.因此,本文在研究中將日最大邊界層高度定為飛機的有效排放高度.由于白天混合層高度近似于邊界層高度,可利用較易獲取數(shù)據(jù)且相對準確的干絕熱線法確定日最大混合層高度近似作為日最大邊界層高度來計算飛機相關(guān)排放.

本文基于飛機氣象觀測(AMDAR)數(shù)據(jù)所確定的8時探空溫度廓線,結(jié)合機場跑道氣象站提供的日地面最高溫度,通過干絕熱線法對2013年首都國際機場每日最大混合層高度進行了計算, 圖1為月均變化.

我國民航在役航空器類型繁多,以波音和空客系列為主流機型[21].本文通過收集整理2013年飛機進出港型號和架次,圖2統(tǒng)計了首都國際機場常見機型及其起降架次比例.

由于飛機的制造時間不同,所屬航空公司不同,飛機與發(fā)動機匹配并不固定,一種型號飛機可能對應(yīng)多種型號發(fā)動機.在對飛機制造商和國內(nèi)外相關(guān)文獻進行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上,本文建立了不同航空器與各類發(fā)動機的對應(yīng)關(guān)系,應(yīng)用ICAO推薦的發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫中各工作模式下的燃油消耗和污染物排放指數(shù)值,對同一機型的不同發(fā)動機組成進行加權(quán)平均,得到首都國際機場飛機排放因子數(shù)據(jù)庫.飛機排放的污染物不僅含有發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫中所提供的HC、CO、NO,還應(yīng)包括SO2.假設(shè)航空煤油中的硫在燃燒過程中全部與氧結(jié)合生成SO2[22],可見SO2的排放指數(shù)僅依賴于航空煤油成分,與發(fā)動機性能無關(guān),此處根據(jù)MEET計劃選取為1g×kg-1[23].表1為排放因子(部分).

表1 首都國際機場飛機排放因子數(shù)據(jù)表(部分) Table 1 Factor of emissions from commercial aircraft in Beijing Capital International Airport

飛機在機場的全部活動過程可以由起飛、爬升、進近和滑行/慢車四個階段來描述.ICAO規(guī)定了標準LTO循環(huán)各階段的工作時間,如表2所示.本文依據(jù)首都機場長期飛行數(shù)據(jù)得到,飛機在滑行/慢車階段實際工作時間為26min,其中包括進港滑行9min以及出港滑行17min.

表2 LTO循環(huán)下各階段的工作時間(min) Table 2 LTO cycle in terms of time spent in the specific modes (min)

注:“-”為無固定時間,需根據(jù)公式(3)計算.

2 結(jié)果與討論

2.1 大氣污染物排放量

表3 2013年首都國際機場飛機大氣污染物排放清單與國內(nèi)外其他機場的對比(t) Table 3 Aircraft emissions of Beijing Capital International Airport in 2013 compared with other airports at home and abroad (t)

注: “ [a]”按VOCs排放量的(1.15)-1進行折算[13].

本文通過文獻調(diào)研、實地調(diào)查等手段獲取直接、高精度的首都機場飛機進出港活動水平,首先采用傳統(tǒng)的基于LTO標準循環(huán)的方法估算,再依據(jù)上述改進模型進行估算,分別得出飛機大氣污染物排放清單(表3).2013年,首都機場飛機的NO、CO、HC、SO2和PM2.5排放量依次為7042.1、3189.9、295.3、429.4和150.4t,占排放總量的63.4%、28.7%、2.7%、3.9%和1.3%.其中,NO和CO的貢獻尤為突出.由于首都機場飛機起降活動頻繁,高峰時段日均起降航班可達1600多架次,航空運輸飛速發(fā)展導(dǎo)致了機場區(qū)域非道路移動源污染物排放迅猛增加.對比結(jié)果可知,修正后的首都機場飛機NO、CO、HC和SO2排放分別增加了23.5%、2.3%、2.1%和18.1%,各污染物的估算結(jié)果均高于傳統(tǒng)方法,差異主要體現(xiàn)在NO和SO2.這是由于改進模型充分考慮了飛機有效排放高度隨大氣邊界層高度發(fā)生變化,導(dǎo)致飛機在爬升和進近模式的實際工作時間并不固定,同時考慮了飛機的本地化進、出港滑行時間,而傳統(tǒng)方法直接采用ICAO推薦的標準LTO循環(huán)各階段工作時間對排放量進行估算.

針對不同機場間的飛機排放情況進行比較,如表3所示.對比國外可知,本研究結(jié)果高于土耳其的伊斯坦布爾(Ataturk)和安塔利亞(Antalya)機場,低于美國亞特蘭大機場.與國內(nèi)相比,首都機場的飛機污染物排放量均大于上海浦東、深圳寶安和廣州白云機場的研究結(jié)果,其NO排放量呈逐年上升趨勢.各民航機場飛機排放總量的大小與對應(yīng)的LTO循環(huán)數(shù)排序基本相同,說明首都機場的飛機估算量處于較為合理的水平.

2.2 飛機排放特征分析

2.2.1 各階段排放分布 進一步分析了飛機排放量與運行模式的關(guān)系,結(jié)果表明不同工作模式下污染物排放比例差異較大.由圖3可以看出在LTO循環(huán)中,起飛、爬升、進近與滑行/慢車模式所排放的大氣污染物分別占飛機排放總量的13.7%、37.7%、11.8%與36.8%,其中,爬升和滑行/慢車兩種模式污染物排放最大.對于不同污染物,NO排放主要集中在爬升階段,占該污染物總排放量的55.6%,進近、滑行/慢車和起飛階段依次占14.0%、10.0%和20.4%.Stettler等[13]通過研究也發(fā)現(xiàn)飛機在起飛、爬升等發(fā)動機高推力模式下,NO排放顯著.而CO和HC主要在滑行/慢車階段排放,分別占其排放量的91.4%.這是由于低推力環(huán)境下,燃燒室入口處壓力、溫度都較低,導(dǎo)致燃油燃燒不完全,HC和CO大量排放;相反地,隨著發(fā)動機推力上升,排放強度將會大幅降低,起飛階段CO和HC的排放比例已驟減至0.4%和0.8%.

2.2.2 時間分布特征 由于航班進出港活動頻次及大氣邊界層高度不盡相同,飛機排放量也會隨時間變化發(fā)生波動.本文利用可獲取的活動水平數(shù)據(jù),建立了首都國際機場飛機排放量月均變化時間特征圖,結(jié)果如圖4所示.可以看出,首都機場的民航飛機在1~2月各污染物排放水平相對較低,這主要是由于春節(jié)通常集中在這兩個月,節(jié)假日北京市流動人口大幅下降,客貨運輸航班數(shù)量減少;此外,冬季北京地區(qū)太陽輻射減弱,邊界層高度較低[26],有效排放高度也較低,爬升和進近階段的排放受到影響,從而使得飛機污染物排放量在此期間處于全年最低水平,HC、CO、SO2和PM2.5平均排放比例均在7%左右.從3月開始,飛機各污染物排放量呈現(xiàn)逐漸上升趨勢,在8月達到峰值,主要是因為這6個月天氣情況漸趨穩(wěn)定,飛機活動正常;夏季日照時數(shù)增加,太陽總輻射和直接輻射均為一年中高值區(qū),利于大氣邊界層的發(fā)展,導(dǎo)致有效排放高度升高,污染物排放量也隨之上升.9~12月受低溫影響飛機排放量有所下降,寒潮過境,不利于航空輸送活動的進行.總體而言,除NO以外,首都國際機場飛機其他污染物月排放量變化較小,主要是每日進出港航班大多具有固定的時間及線路安排,全年飛行活動頻次沒有明顯變化,因此,其污染物月均排放量維持較為穩(wěn)定的水平;而由上述分析可知NO排放主要集中在爬升階段,排放情況隨有效排放高度的變化而變化,導(dǎo)致其月排放量波動較大.

2.3 不確定性分析

在編制過程中,排放因子和活動水平等關(guān)鍵數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)代表性不足或估算方法存在局限性等因素,使得大氣污染物排放源清單具有一定的不確定性[27].由于我國機場移動源的活動水平數(shù)據(jù)和本地化排放因子尚屬匱乏階段,本研究采用定性方法對首都國際機場飛機大氣污染物排放清單的不確定性進行初步分析.

本清單在估算過程中涉及參數(shù)眾多,飛機排放的不確定性主要來源于以下3方面:①確定有效排放高度時,采用的是干絕熱線法計算每日最大混合層高度,并將其近似作為日最大邊界層高度,這與真實的大氣邊界層條件有一定差異,故引入了不確定性.②建立首都機場在役航空器與各類發(fā)動機對應(yīng)關(guān)系時,主要是依據(jù)飛機制造商相關(guān)統(tǒng)計資料,用主流飛機/發(fā)動機匹配數(shù)據(jù)作為代表,并未涵蓋機隊的所有組成類型,因此存在一定的不確定性.③由于本地化飛機發(fā)動機排放因子的匱乏,估算所用的基礎(chǔ)排放因子大多來源于ICAO飛機發(fā)動機排放數(shù)據(jù)庫,是在海平面靜態(tài)條件和7%、30%、85%、100%額定推力設(shè)置下發(fā)動機的測試數(shù)據(jù).但在實際飛行過程中,受到天氣條件和飛機具體工作模式等因素的影響,飛機每個階段的工作時間、燃油消耗率和排放因子與理想值并不相同,因此這些參數(shù)具有較大的不確定性.

3 結(jié)論

3.1 首都國際機場2013年飛機排放的NO、CO、HC、SO2和PM2.5總量分別為7042.1、3189.9、295.3、429.4和150.4t,占排放總量的63.4%、28.7%、2.7%、3.9%和1.3%.其中,NO和CO的貢獻尤為突出.與傳統(tǒng)的基于LTO標準循環(huán)的方法相比,修正后的首都機場飛機NO、CO、HC和SO2排放增加了23.5%、2.3%、2.1%和18.1%.

3.2 飛機在爬升和滑行/慢車兩種模式下污染物排放比例最大,占飛機排放總量的37.7%與36.8%.對于不同污染物,NO在起飛、爬升等發(fā)動機高推力模式下排放顯著;而CO和HC主要在滑行/慢車階段排放,分別占其排放總量的91.4%,且排放強度將會隨發(fā)動機推力上升而大幅降低,起飛階段CO和HC的排放比例已驟減至0.4%和0.8%.

3.3 飛機在1~2月污染物排放量處于全年最低水平,8月各污染物排放量達到峰值,9~12月飛機排放量再次下降.總體而言,首都國際機場飛機排放的CO、HC、SO2和PM2.5月變化較小,而NO月排放量受飛機有效排放高度影響波動較大.

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* 責任作者, 教授, chengsy@bjut.edu.cn

Establishment of aircraft emission inventory for Beijing Capital International Airport

XU Ran, LANG Jian-lei, YANG Xiao-wen, CHENG Shui-yuan*, LV Zhe

(Key Laboratory of Beijing on Regional Air Pollution Control, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)., 2016,36(8)：2554~2560

The calculation method of aviation emissions based on time spent in various modes in LTO cycles was improved. The effective emission height was calculated based on AMDAR data, instead of using the height (915m) proposed by ICAO. Then, the total amount of atmospheric pollutant emissions from aviation was estimated accurately. The total emissions of NO, CO, HC, SO2and PM2.5from aviation in Beijing Capital International Airport (BCIA) were about 7042.1, 3189.9, 295.3, 429.4 and 150.4t, respectively. As compared with the traditional method based on LTO cycles, the result estimated with the improved method revealed that emissions of NO, CO, HC and SO2had increased by 23.5%, 2.3%, 2.1% and 18.1%, severally. Monthly emissions of CO, HC, SO2and PM2.5from aircraft in BCIA presented a relatively steady trend, but NOwas fluctuated on a large scale. Emissions from aviation were lower in January to February; and monthly emission was peaked in August. Moreover, as for different operation modes, the climbing and taxiing course were found with the largest emission. Approximately 37.7% and 36.8% of the total aircraft emissions were produced in climbing and taxiing, respectively.

Beijing Capital International Airport；aircraft；atmospheric pollutants；emission inventory

X831

A

1000-6923(2016)08-2554-07

徐 冉(1990-),女,北京市人,碩士,主要從事環(huán)境規(guī)劃管理與污染防治研究.

2016-01-13

國家自然科學基金項目(91544232);國家環(huán)保公益性行業(yè)科研專項(201409006,201409007)