□ 民航局空中交通管理局 劉芳子/文

航空運輸業(yè)是當今世界最活躍、最有潛力的產(chǎn)業(yè)之一，對促進經(jīng)濟社會發(fā)展、提升人民生活水平具有積極的正外部性。但隨著全球航空運輸市場需求持續(xù)旺盛，航空器排放總量也隨之持續(xù)增長，給全球生態(tài)環(huán)境變化帶來突出的負外部性。因航空運輸業(yè)對生態(tài)環(huán)境影響大、污染范圍廣、責任劃分難、減碳緊迫性強等特征，綠色航空發(fā)展成為全球社會各界廣泛關注的問題。全球主要航空運輸主體均已制定綠色發(fā)展戰(zhàn)略，并將空中交通的運行效率提升與航行新技術應用作為提升燃油效率實現(xiàn)綠色發(fā)展的重點領域。本文基于ADS-B飛行軌跡、航班計劃等數(shù)據(jù)，分別對全國、城市對和繁忙機場進近（終端）不同維度對空中交通活動的環(huán)境效能水平、特征以及優(yōu)化方向進行實證評估和分析，并從空管角度提出綠色發(fā)展建議。

空中交通運行優(yōu)化是民航綠色發(fā)展的重要手段

目前全球航空運輸業(yè)在降低對環(huán)境影響方面主要采?。汉娇掌髋c發(fā)動機設計改進、空中航行技術革新、ATM效率和航空公司運營效能改善、可持續(xù)替代燃料使用、碳市場機制和環(huán)保型基礎建設等（見圖1）。研究表明，近50年航空器和發(fā)動機制造商通過改進飛機性能，有效降低了70%左右的油耗和排放，但相關制造技術越來越成熟，進一步實現(xiàn)跨越性創(chuàng)新需要時間周期更長、成本更大，持續(xù)釋放節(jié)能減排紅利的空間越來越小。按現(xiàn)行生產(chǎn)技術的成本，可持續(xù)燃油（Sustainable Aviation Fuel，SAF）約為普通航空煤油的3倍，氫基燃油約為航煤6倍，國際航空運輸協(xié)會（IATA）預期目標計劃2035年SAF的生產(chǎn)和使用比例約占航空總需求的17%，產(chǎn)量有限，在技術和經(jīng)濟可行性等方面仍不具備廣泛應用條件。據(jù)統(tǒng)計，2006年歐洲境內航班因未按最優(yōu)航跡運行額外產(chǎn)生的CO2排放約占全年的4%，2015～2019年英國航空通過提升ATM效率減少CO2排放約占總排放的4.7～6.5%，相比之下提升機場、航空公司運行效率減排比例僅為0.3%和2.1%，每減少1分鐘航班運行時間，一年將減少480萬噸碳排放。研究與實踐表明優(yōu)化航空器空中交通運行軌跡、提升地面滑行和空中運行整體效率具有顯著節(jié)能減排效果，配合新航行技術的廣泛應用預計空管可支持航空公司減少總體燃料消耗和排放約6～12%。因此，空管被視為民航綠色發(fā)展?jié)摿^大的領域，燃油效率也被國際民航組織（ICAO）列入衡量空中交通管理效能的重要指標。

表1：空中交通環(huán)境效能綜合評價指標

我國空中交通運行環(huán)境效能綜合評估

空管是民航運行中樞，具有維護空中交通運行安全、有序、高效的基本職責，綠色空中交通應是兼顧民航發(fā)展的社會效益（旅客出行時效需求等）、經(jīng)濟效益（航空公司運營發(fā)展需求等）和環(huán)境效益（生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展需求等）的運行模式。

本文立足空中交通綠色、效率、效益綜合性能，圍繞航空運輸領域主要關注的五項尾氣排放物、體現(xiàn)運行效率和經(jīng)濟效益等環(huán)境效能綜合指標（見表1），分別對全國、城市對和進近（終端）不同維度對空中交通活動的環(huán)境效能水平和特征進行評估分析，為全面了解我國空中交通運行環(huán)境影響的強度和時空分布特征，科學制定我國民航空管綠色發(fā)展規(guī)劃、精準施策治理航空業(yè)對生態(tài)環(huán)境和人類健康影響提供實證支撐。

（一）全國空中交通環(huán)境效能評估

選取新冠疫情前2019年6月1日（無大面積流量控制、重大天氣影響等）作為典型日，以當日2884條國內城市對航線共計8459架航班為對象，基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡的燃油流率和排放測算模型得出當日全國運行航班的燃油消耗量以及污染物排放量。

從環(huán)境影響的總體情況看，典型日我國航班燃油總消耗量達5.14×107kg，污染物排放量中CO2排放量占比最大，共計16.18×107kg，其次是NOx，排放量共計1.15×106kg，其余的CO、SOx、HC等排放物的排放量占比較少（見圖2）。

從航空器燃油效率看，典型日航班單位時間平均燃油消耗約50kg/min、單位里程平均燃油消耗約5kg/km（遠高于美國2020年2kg/km）。從航空器環(huán)境效率看，CO2單位里程平均排放量約15kg/km、單位時間排 放 160kg/min，CO、NOx、SOx、HC排放均小于5kg/min和5kg/km。

從不同飛行階段的排放物構成看，燃油消耗和CO2、NOx、SOx排放主要產(chǎn)生在航空器巡航階段，主要原因是因為巡航（CCD）階段飛行距離較長；CO排放量主要產(chǎn)生在航空器起降（LTO）階段，主要是因為航空燃油的不完全燃燒導致；HC排放量產(chǎn)生在飛行全過程，但在平飛階段占比相對較多。所以通過調整航路航線結構、航空器巡航馬赫數(shù)、巡航高度層選擇等可以更有效的控制影響生態(tài)環(huán)境的主要排放物CO2、NOx。

（二）城市對巡航階段環(huán)境效能綜合評估

針對典型日2884個城市對航線（往返記為不同城市對航線）綜合環(huán)境效能指標進行評估，單位里程平均油耗為3.89kg/km，低于全航程5kg/km，說明巡航階段雖然排放量大，但因為飛行距離長、時間長，燃油效率較高，實際優(yōu)化空間沒有起降階段大。從機型看，A319燃油效率顯著（p＜0.05）較高，B747燃油效率最低且波動性較大（見圖3），平均單位公里油耗超過14kg，B788在寬體機中燃油經(jīng)濟性最佳，平均單位公里油耗僅為B747的49%。

1.綜合評估方法

基于理想解的排序方法（Technique for order preference by similiarity to ideal solution，TOPSIS），對24組繁忙城市對環(huán)境效能進行綜合評估，具體步驟如下：

（1）對比評價對象的每個指標值的優(yōu)劣，分別找出正負理想解C+、C-：

其中，正理想解C+中的每個對象ci+均是觀測樣本中的最優(yōu)值，負理想解C-中的對象則為最劣值即：

（2）計算距離。計算評價對象與正、負理想解之間的歐式距離：

（3）對象排序。根據(jù)相對接近程度fi對評價對象進行排序，且：

2.綜合評估結果

根據(jù)相關研究結果，CO2、NOx、SOx等主要排放物與油耗量強正相關，相關系數(shù)接近1，即“單位里程油耗”可以綜合體現(xiàn)空中交通活動的經(jīng)濟效益和綠色特性。為進一步簡化模型，選取飛行效率（單位里程飛行時間）和燃油效率（單位里程燃油消耗）作為綜合評估指標，即平衡空中交通運行效率、經(jīng)濟效益和綠色特性的綜合環(huán)境效能，結果如表2所示，其中，接近度大小體現(xiàn)了航線綜合性能的高低。

總體上，我國繁忙城市對燃油效率范圍為4～6.86kg/km，京廣、京滬和滬廣航線執(zhí)飛寬體機偏多導致單位里程油耗明顯偏高；飛行效率范圍4.47～5.6s/km，受航空器性能約束，其波動性水平不高，深圳、廣州至北京的航線單位里程飛行時間最短，與燃油效率呈現(xiàn)一定程度的悖反關系。

綜合評估結果表明，ZGGG-ZSHC、ZUUUZGGG和ZUCK-ZGSZ的“綠色—經(jīng)濟”綜合性 能 較 好；ZSHC-ZGGG、ZUUU-ZGGG和ZGGG-ZSHC的燃油效率較高，即效益和綠色性能較好；ZGSZ-ZBAA、ZGGG-ZBAA和ZGGGZSHC的飛行效率較高。其中ZSHC-ZGGG的燃油效率和飛行效率分別位列第一和最末，綜合排名第9；ZSSS-ZBAA燃油效率和飛行效率均位列23位，綜合排名最末，即運行效率、燃油效率以及污染排放綜合效能最差。

進一步對ZSSS-ZBAA兩架航班三維飛行剖面和油耗進行對比分析，如圖4所示，CES5105飛行軌跡較CES5151呈現(xiàn)典型的持續(xù)爬升、長時間高高度巡航和較短下降階梯等綠色軌跡特征，且具有低的非直線系數(shù)，經(jīng)測算，飛行里程、飛行時長、燃油消耗和單位里程油耗分別下降50km、6分鐘、533kg和0.2kg/km。因此，優(yōu)化飛行路徑和速度-高度剖面是提升空中交通經(jīng)濟性、環(huán)保性和時效性的有效方式。

表2： 繁忙航線綠色性能綜合評價結果

（三）進近（終端）階段空中交通環(huán)境效能評估

針對典型日35個主輔協(xié)調機場以及京津冀、長三角、珠三角和成渝四大機場群，開展進近（終端）空域綠色空中交通分析與評估?？傮w上，進近（終端）階段CO2和H2O是最主要的排放產(chǎn)物，NOx是最主要的大氣污染物，CO與SOx排放量相近，HC的排放量相對較少。對比進、離場航班油耗及排放量可見，單位進場航班燃油消耗和各類排放顯著（p＜0.001）低于單位離場航班燃油消耗（圖5以CO2排放為例）。

我國主輔協(xié)調機場中，珠海三灶、深圳寶安以及天津濱海機場單位架次離場航班燃油消耗和排放排名前三，大連周水子機場單位架次離場航班燃油消耗和排放排名最小。天津濱海、上海虹橋以及鄭州新鄭機場單位架次進場航班燃油消耗排名前三，長春龍嘉機場單位架次進場航班燃油消耗最小。我國重要機場群中，珠三角機場群單位架次進、離場航班燃油消耗和排放均為第一（見圖6）。

綜上，我國航班總體環(huán)境效率較低碳發(fā)達國家存在較大差距，特別是上海虹橋—北京首都等航線，珠海、深圳、天津、粵港澳大灣區(qū)等進近（終端）地區(qū)或航線環(huán)境效能明顯低。同時可見，優(yōu)化空中交通的運行軌跡對節(jié)能減排具有顯著效果，特別是進離場階段優(yōu)化空間更大。

推進我國空管綠色發(fā)展的建議

從空管視角，目前有效提升空中交通運行環(huán)境效能的主要手段包括：優(yōu)化航線網(wǎng)絡設計，進一步降低我國民航航路航線的非直線系數(shù)；加大臨時航線的開辟和使用，減少飛行距離；縮小管制運行間隔，提升空域有效利用率；優(yōu)化管制運行服務，實施精細化流量管理；提高氣象服務準確率，減少天氣原因空中等待、返航、備降等；加快新航行技術應用，持續(xù)釋放技術減排紅利。

鑒于空域總體規(guī)劃與臨時航線新辟主要取決于全國空管體制改革和軍民融合發(fā)展的總體部署和推進，以及經(jīng)過2007年縮小垂直間隔（RVSM）和2020年縮小雷達管制水平間隔后再進一步大規(guī)?？s小運行管制規(guī)模的空間很小，建議如下：

一是將新航行技術應用作為空管綠色發(fā)展主攻領域。據(jù)統(tǒng)計，自2019年先后在廣州、深圳、北京、上海等12個繁忙機場運行了中國尾流重分類技 術（RECAT-CN），跑道高峰時段容量約提升2%，以A330和B787為例，前后機之間的尾流間隔從7.4km縮減至5.6kg，可節(jié)油27kg，降低碳排放85公斤。依據(jù)評估結果，進離場階段為重點優(yōu)化對象，實踐表明廣州、北京、昆明等9個大中型機場實施連續(xù)爬升/下降運行（CCO/CDO）技術，有效的優(yōu)化了航空器LTO階段飛行剖面，提升了經(jīng)濟和綠色性能。據(jù)統(tǒng)計，2021年，我國共有3180架航班執(zhí)行了CCO/CDO運行，共節(jié)省燃油461.8噸，減少碳排放1523.7噸。因此建議持續(xù)跟蹤ICAO《全球空中航行計劃》（DOC 9750，GANP）中航空系統(tǒng)組塊升級計劃（ASBU），結合《中國民航空管現(xiàn)代化戰(zhàn)略》（CAAMS），加快推進其中具有節(jié)能減排效益的技術應用推廣。

二是建立民航新航行技術應用節(jié)能減排效果測算評估機制。針對重點推進的新技術節(jié)能減排效果測算評估方法開展研究，并建立常態(tài)化監(jiān)控評估機制，科學制定減排目標和計劃，激勵全行業(yè)積極主動融入行業(yè)綠色發(fā)展。

三是針對空中交通環(huán)境效能明顯低的城市對航線和地區(qū)開展重點治理。系統(tǒng)性開展全國空中交通環(huán)境效能評估，結合實證量化結果，深入剖析原因，對排放較大的城市對航線或進離場優(yōu)先試點應用節(jié)能減排新技術或給予空域優(yōu)化、臨時航線申請等政策支持。