首都国际机场航空器排放清单的计算分析

李 杰,赵志奇,刘新罡,周晓宁,王 凯,张 朋



首都国际机场航空器排放清单的计算分析

李 杰1,2*,赵志奇1,2,刘新罡3,周晓宁4,王 凯1,2,张 朋1,2

(1.南京航空航天大学民航学院,江苏 南京 211106；2.国家空管飞行流量管理技术重点实验室,江苏 南京 211106；3.北京师范大学环境学院,水环境模拟国家重点实验室,北京 100875；4.南京航空航天大学金城学院,江苏 南京 211156)

基于微脉冲激光雷达提取的混合层高度与首都机场的实际运行数据,采用美国EPA方法,更准确的估算了2016年首都国际机场航空器排放清单.结果表明:在航空器起飞着陆(LTO)循环排放的各种污染物中,NO和CO排放量最多,分别占排放总量的53.3%和38.5%.滑行阶段和爬升阶段的排放总量较多,占排放总量的49.7%和25.7%.滑行阶段是航空器排放CO、SO、HC和PM的主要阶段.在滑行阶段的主要排放物是CO和NO,分别占滑行阶段排放总量的71.7%和17.2%.混合层高度变化对航空器排放的NO与CO影响最大,对SO、HC与PM影响较小.在所有的起降航班机型中,A320对排放影响最小,B77W影响最大.航空器场面滑行时间是影响污染物排放量的一个非常重要的因素.优化航空器滑行效率,减少滑行时间,对减少机场排放量会有非常积极的作用.

首都国际机场；航空器排放；大气污染；排放清单

随着航空技术和经济水平的发展,航空运输越来越被大众认可.在过去20年里,航空运输以年均约5%的增长率快速发展[1],并将以年均5.6%的速率持续增长[2].随着航空运输量的不断增长,航空以约2%~14%的贡献率影响着全球气候变化[3].

航空器是机场最主要的排放源[4-6].航空器起飞着陆(LTO)循环排放是指在大气混合层高度下,航空器在进近、滑行、起飞、爬升内产生的CO2、H2O、NO、CO、SO、HC以及其他气体和颗粒物[7],这些排放物改变了机场附近空气的质量,对机场附近人类的生产生活构成直接的影响与威胁.建立机场航空器排放清单是评估机场对环境影响的基础,是制定相关标准和航空器污染物控制策略的依据[8-9],排放清单的计算分析研究显得尤为重要.

目前,航空器排放清单的计算国内外开展了不同程度的研究.Winther[6]、Song[10]、Turgut[11]、Stettler[12]对丹麦、韩国、土耳其、英国等国家的机场航空器排放清单进行计算,确定了航空器排放污染物在不同运行阶段的排放特征.夏卿[13]、黄青凤[14]、储燕萍[15]和Fan[16]计算了全国、广州和上海等机场的航空器排放清单,量化了航空器排放量,分析了其对附近空气质量的影响.樊守彬等[17],伯鑫等[18]和徐冉等[19]分别建立了首都国际机场2007, 2012和2013年的排放清单,发现飞机在爬升和滑行/慢车两种模式下污染物排放比例最大[17].机场造成的NO贡献较大[18],NO排放主要在爬升阶段[17],并且NO排放受混合层高度变化影响较大[19].

由于数据限制,上述很多研究中LTO循环各阶段的运行时间是采用国际民航组织(ICAO)参考值.此参考值是以理想LTO循环为基础,航空器运行到大气混合层高度(固定为915m,3000ft)来推算航空器进近、爬升的运行时间.实际上,混合层高度随时间和地点的不同而不同,导致最终计算结果存在一定的误差.徐冉等[19]利用干绝热线法估算日最大混合层高度,对进近、爬升时间进行了简单线性修正,从而较准确地确定首都国际机场排放清单,但其使用了8:00的探空温度廓线,仍存在一定的误差.

本文基于2016年北京地区激光雷达观测数据提取的混合层高度,采用美国EPA方法考虑了混合层高度的影响,使用修正的航空器进近、爬升时间和实际滑行时间,更准确的计算了首都国际机场排放清单,分析了首都国际机场航空器的排放清单以及混合层高度、不同机型、滑行时间对排放的影响,为我国机场航空器排放清单计算提供支撑,为机场航空器运行减排措施奠定理论基础和科学依据.

1 数据与方法

1.1 研究对象

首都国际机场(IATA:PEK, ICAO:ZBAA)位于北京市东北方向(40°04.4'N, 116°35.7'E)与市中心直线距离25.4km,海拔高度为35.3m.首都国际机场的旅客吞吐量连续多年稳居我国之首,自2010年起,成为世界客运量第二的机场.2016年其旅客吞吐量达到9439.4万人次、货邮吞吐量达到194.3万、航班起降架次达到60.6万架次,分别比2015年增加了5%、2.8%和2.7%[20].

1.2 研究方法

1.2.1 航班架次与机型 历史航班运行数据中只有航空器机型,利用欧控飞机性能建模工具BADA数据库将机型与发动机匹配,得到机场起降航班机型、起降架次及比例(如表1),统计得出2016年首都国际机场起降航班600742架次(与民航局官方公布数据误差不到1%).该年起降的机型达50多种,但以B738、A321和A320这3种机型为主,累计占总数的58.1%.其中少于0.1%的机型累计不超过11.0%.

表1 2016年首都国际机场起降航班架次及比例

1.2.2 混合层高度提取 混合层高度是大气中的污染物能进行混合的高度.在此高度以上释放的污染物不会对地面浓度产生影响.通过近地面气象参数可以获取混合层高度,但计算误差大[21].传统的探空气球探测可以方便、准确的确定混合层高度,但受时间和空间的限制,难以实现自动、连续的监测.激光雷达由于其高精度、精细的时空分辨率,可自动、连续观测等优点得到了广泛应用.

本文使用的激光雷达是日本国家环境研究中心(NIES)的米散射激光雷达[22],安装在北京师范大学环境学院楼顶(116°21.9'E,39°57.8'N).激光雷达每观测一次持续5min,后休息散热15min,激光雷达的垂直分辨率为6m.从激光雷达信号中提取边界层高度的方法有梯度法、标准偏差法、小波协方差及曲线拟合法等[21].本文采用变异系数法,具体计算公式如下[22]:

式中:CV表示变异系数;为标准偏差;i为激光雷达信号;`为信号平均值;取5.如果变异系数最大,那么数组中心点所在的高度就是反演得到的边界层高度.

1.2.3 航空器排放清单计算 航空器发动机会排放各种气体和颗粒物,其中NO、CO、SO、HC以及PM是主要排放物[23],且对人类健康影响较大.因此,对上述几种排放物建立排放清单.航空器在LTO循环期间的排放量与发动机数量、进近、滑行、起飞、爬升各阶段时的燃油流率、排放指数以及运行时间等参数密切相关.不同阶段的燃油流率、排放指数由ICAO发动机排放数据库(EEDB)提供.

由于混合层高度会影响航空器进近、爬升阶段的运行时间,本文采用美国EPA方法对ICAO定义的参考爬升、进近时间进行修正,基于混合层高度的修正公式如(2)~(3).航班滑行时间由实际运行数据(剔除错误或字段不全数据)统计得到.起飞时间使用ICAO全推力设置条件下的参考值(0.7min)[24].航空器LTO循环NO、CO、SO和HC排放量由公式(4)计算得到.

式中:TIM-app为型航空器进近阶段运行时间,min;TIM-clm为型航空器爬升阶段运行时间,min;MLH为混合层高度,ft;E为型航空器一个LTO循环内的类(NO、CO、SO、HC)污染物排放量,g;TIM为型航空器在阶段运行时间,min;FF为型航空器在阶段的燃油流率,kg/s;E为型航空器在阶段类污染物的排放指数,g/kg;ICAO未提供SO的排放指数,由于SO排放量取决于燃料中的硫含量,参照EPA指导EISOx取1g/kg;Ne为型航空器的发动机个数.

由于ICAO的发动机排放数据库中未包含PM的排放指数,因此,采用ICAO航空环境保护委员会(CAEP)的First-Order Approximation 3.0(FOA 3.0)方法[25]进行计算.FOA 3.0方法是基于发动机的烟度、空燃比以及旁通比计算出非挥发性颗粒物排放指数.结合挥发性硫化物、挥发性有机物排放指数,计算得到航空器颗粒物总排放指数EI,具体计算如式(5)~(10).将EI带入式(4)即可得到PM排放量.

式中:EIC为碳排放指数,mg/m3;SN为烟度;mixed为尾气体积流率,m3/kg;EIPMnvol为非挥发性颗粒物排放指数,g/kg;EIPMvolFSC为挥发性硫化物排放指数,g/kg;FSC为燃油硫含量;为燃油硫转化率;MWout为氧化硫的分子量;MWs为硫的分子量;EIPMvolFO为挥发性有机物排放指数,g/kg;EIHCCFM56为CFM56发动机的总烃排放指数,g/kg;EIPMvolCFM56为CFM56发动机的挥发性有机物排放指数,g/kg;EIHC为航空器发动机的HC排放指数,g/kg;EI为颗粒物的总排放指数,g/kg.

2 结果与讨论

2.1 不同方法获取的混合层高度对比

通过激光雷达提取的北京2016年混合层高度与用国标法[26]和干绝热法[27]得到的混合层高度对比如图1.采用不同方法得到的混合层高度具有一定差异,3种方法得到的年平均高度分别为818、1248和1357m.国标法和干绝热法得到的混合层高度明显高于ICAO的参考值(915m)和激光雷达提取值.本文激光雷达提取值低于文献[28]基于激光雷达得到的2002年混合层高度(约1500m)和文献[19]基于干绝热线法得到的2013年的结果(约1200m).但此混合层高度与文献[21]的2014年冬季大气混合层高度结果(818±319)m非常接近.国标法只要有总云量、低云量和风速即可,没有考虑热力因素和其他气象条件对混合层高度的影响.而干绝热法主要考虑热力因子的影响,将太阳辐射造成的日间升温的极大值作为混合层高度的主要影响因素.激光雷达的结果更能代表实际大气的真实状态[29].观测站点与激光雷达的位置不同,以及北京环境变化也是导致这些混合层高度结果差异的原因.

虽然ICAO对混合层高度设定为固定值,但其值与激光雷达的提取值最接近.北京地区在无法获取实测混合层高度的情况下,采用ICAO的建议值(915m)进行排放清单的计算,计算误差较小,具有一定的参考意义.

图1 几种方法得到的混合层高度月均变化对比

2.2 排放清单分析

2.2.1 航空器排放清单分析 2016年首都国际机场航空器LTO循环排放清单如表2所示.其中NO、CO、SO、HC、PM分别为5332.9、3847.7、369.0、410.6和38.3,占排放总量的53.3%、38.5%、3.7%、4.1%和0.4%.估算的各污染物排放量低于传统方法和文献[19]的改进方法.差异主要原因是本文排放清单计算使用的大气混合层高度低于其他文献中的值,使LTO循环中进近和爬升时间减少,进而导致最终计算的各排放量减少.

在航空器LTO循环排放的各种污染物中,NO和CO排放量最多,分别占污染物总量比例的53.3%和38.5%.在其他文献中首都国际机场2012年[18]和2013年[19]的排放清单中NO和CO排放量分别占排放总量的63.4%,37.9%和91.6%,28.7%.CO是仅次于NO的主要污染物.而HC、SO和PM相对较少,仅占4.1%、3.7%与0.4%.

在LTO循环各阶段中,航空器污染物排放量具有明显差异.滑行阶段和爬升阶段的排放总量较多,分别为4965.6 (占LTO排放总量49.7%)和2571.4t(25.7%),进近和起飞的污染物排放相对较少,分别为964.2 (9.6%)和1497.2t (15.0%)

在滑行阶段的主要排放物是CO和NO,分别为3558.6和853.9t,占滑行阶段排放总量的71.7%和17.2%.伯鑫等[18]基于模型分析2012年的结果也得出滑行阶段是CO的主要排放阶段,占排放总量的85.2%.并且,滑行阶段是航空器排放CO、SO、HC和PM等污染物主要阶段.在此阶段排放的CO、HC、SO和PM分别为3558.6、363.1、174.8和15.3t,分别占各污染物排放总量的92.5%、88.4%、47.4%和39.9%.航空器在滑行时,发动机处于最低推力状态,燃料未能进行充分燃烧.随着发动机推力的上升,燃料得到充分燃烧,相应的排放也显著减少.如在起飞阶段,CO与HC的排放分别为13.0和42.4,分别仅占1.1%和0.3%.

表2 2016年首都国际机场航空器LTO循环排放清单(t)

2.2.2 混合层高度的影响分析 混合层高度随时间改变,混合层高度的高低会影响航空器的进近和爬升时间,进而影响航空器排放量.航空器排放物成分比例如图2所示.随着混合层高度的月变化,排放中NO、CO的成分比例始终相对较高,为36.5%~ 55.4%;SO、HC较低,一般在4.0%左右;PM的比例更少,最大不超过0.4%.

混合层高度对排放中NO和CO的成分比例影响最大.随着混合层高度的变化,航空器排放物中NO的比例的变化趋势类似,两者的相关系数高达0.8,为高度相关;而CO的比例随着混合层高度的增加,呈现减少的趋势,两者的相关系数为-0.8.由于NO的排放在爬升阶段比例最大,当混合层高度减少时,相应的爬升时间减少,NO的排放量和比例也呈减少的趋势.而对于主要在滑行阶段排放较多的CO,当混合层高度减少时,进近和爬升时间减少,而滑行时间不变,相应CO所占的比例会增加.影响各污染物排放成分变化的主要因素是由于混合层高度变化引起的爬升与进近阶段运行时间变化,进而引起相应阶段的排放物成分变化.由于SO、HC和PM的比例较少,混合层高度对排放中SO、HC和PM成分比例影响较小.

图2 2016年航空器排放物成分比例的月变化

2.2.3 不同机型的影响分析 不同类型航空器排放的污染物比例如图3所示.B738在起降航班机型中比例最高,为31.7%.该机型排放的NO、CO、SO、HC、PM占比也最多,分别为28.4%、27.4%、31.3%、26.2%和30.3%,均低于B738在起降航班机型中的比例.A321在起降航班机型中占14.2%,但其排放的CO、HC与PM占比较高,分别为23.7%、19.7%与12.9%.

根据BADA数据库,B738在各阶段的燃油流率略低于A321;B738的CO和HC的排放指数均明显低于A321,在各阶段中NO和PM排放指数各有优劣.此外,B738的滑行时间平均为29min,而A321的滑行时间平均为32min.导致起降航班机型比例多的B738的排放贡献影响小于A321.综合机型所占比例和污染物排放量的比例,在所有起降机型中A320对排放影响最小,而B77W的影响最大.

2.2.4 滑行时间的影响分析 以2016年激光雷达提取的混合层高度值,作为历史混合层高度,结合首都国际机场2011~2016年历史航班运行数据,得到首都国际机场航空器NO、CO、SO、HC、PM排放量的年变化(表3).由表3可见,NO、CO、SO、HC、PM排放量由2011年的4586.5、3563.1、325.7、462.1和36.0t增加至2016年的5332.9、3847.7、369.0和38.3t.2016年相比2011年起降架次增加了13.9%,NO、CO、SO、HC和PM排放量的变化率分别为16.3%、8.0%、13.3%、-11.2%和6.3%.

图3 不同类型航空器污染物排放量比例

表3 2011~2016年首都国际机场起降架次与年航空器排放量(t/a)

由图4可见,污染物排放量并未随着航班起降架次的增加呈现增加的趋势,而是有较大的波动.污染物排放量年变化率与滑行时间呈现较强的一致性(如图5).如在2014年,航班起降架次575312,相比2013年的564644架次增加了1.9%,而其滑行时间由31.3min减少至29.5min(减少了约5.5%).在2014年各排放物都有明显的减少.因此,航空器场面滑行时间是影响污染物排放量的一个非常重要因素.

优化航空器场面滑行效率,减少滑行时间,对减少机场排放量会起到非常积极的作用.以2016年的排放量为基准,假设起降架次不变,滑行时间为2011年的32min,各污染物排放量会增加8.3%~14.0%.如滑行时间减少1min(27min),各污染物排放量会减少2.6%~3.6%;滑行时间减少2min达到ICAO推荐的运行时间(26min)[24],各污染物排放量会减少5.3%~7.1%;如果滑行时间减少到24min,各污染物排放量会减少10.6%~14.3%(如图6).

图4 污染物年排放量变化率与起降架次变化率关系