《Atmospheric Environment》：Real-world aviation emissions of ultrafine particles and nitric oxide: The trade-off between fuel efficiency and pollutant emissions
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航空发动机排放特性研究：基于合肥新桥国际机场真实世界运行条件的颗粒物数（PN）和一氧化氮（NO）排放因子测量及分析。采用路边平台监测滑行、起飞、降落三阶段PN（中位数1.5×10^16-7.3×10^16 particles/kg-fuel）和NO（中位数1.9-29.0 g/kg）浓度，识别1040个PN烟羽和582个NO烟羽。发现新型发动机NO排放因子较 predecessors升高2-3倍，NO与PN呈显著负相关（R2=0.63-0.92）。推力设置、最大起飞重量及服役年限对排放影响显著。
李波|王明浩|王东斌|张强|史乐奇|魏秀丽|薛伟伟|蒋京坤
清华大学区域环境与可持续发展国家重点实验室，北京100084，中国
摘要：
航空器排放的超细颗粒物和氮氧化物对气候、空气质量及公众健康有负面影响。现代发动机通过改进燃烧技术和降低燃油消耗，倾向于减少污染物和二氧化碳的排放。然而，这些优化发动机在真实运行条件下的性能仍不甚明了。在本研究中，我们利用位于滑行道附近的路边监测平台，对飞机滑行、着陆和起飞阶段的颗粒数（PN）、氮氧化物（NO）和二氧化碳（CO?）浓度进行了实地测量。我们成功识别出1,040个颗粒物羽流和582个氮氧化物羽流，以计算实际飞机发动机的排放因子。发动机特定的颗粒物排放因子中位数范围为1.5×101?至7.3×101?颗粒物/千克燃料，这比国际民航组织（ICAO）报告的非挥发性颗粒物排放因子高出2-3个数量级，表明在实际运行条件下，航空源会排放大量挥发性及半挥发性颗粒物。发动机特定的氮氧化物排放因子中位数在1.9至29.0克/千克之间。值得注意的是，新一代发动机的氮氧化物排放因子明显高于其前代产品。此外，不同运行阶段和发动机类型之间存在氮氧化物与颗粒物排放因子的负相关趋势。线性回归分析得到的斜率分别为-2×101?和-8×101?，决定系数（R2）分别为0.63和0.92。这些发现强调了燃油效率提升与污染物排放增加之间的权衡。此外，推力设置、飞机最大起飞重量（MTOW）以及飞机使用年限也对颗粒物和氮氧化物排放有显著影响。
引言
全球民用航空运输业正在快速发展，过去四十年的增长幅度达到了十倍（Han等人，2025年）。飞机发动机排放的主要污染物包括超细颗粒物（UFPs）、氮氧化物（NO?）、未燃尽的碳氢化合物（UHC）和一氧化碳（CO）（Harlass等人，2024年）。这些污染物与心血管疾病风险增加、哮喘、肺功能下降、脑部炎症及某些癌症有关（van Loenen等人，2025年；Wu等人，2021年）。飞机的起降操作会导致机场下风向10公里范围内颗粒物浓度显著升高（Hudda等人，2014年；Keuken等人，2015年），对机场工作人员和周边社区的健康构成日益严重的威胁。UHC和NO?是大气中二次气溶胶和臭氧的重要前体，对空气质量、气候和公众健康构成威胁（Kecorius等人，2024年）。
航空器排放的氮氧化物（NO?）和颗粒物（PM）受到严格监管（Liu等人，2017年）。几十年来，航空环境保护委员会（CAEP）通过CAEP/2至CAEP/8系列标准逐步收紧了氮氧化物排放限制，每项标准要求的排放量比前一项标准降低约12-20%，这使得减少氮氧化物排放成为燃烧器设计的关键目标（ICAO，2023年）。CAEP/11标准下的颗粒物排放限值指的是在350°C时仍保持固态的非挥发性颗粒物，该标准取代了之前的烟度（SN）指标，自2023年起适用于推力超过26.7千牛的新认证和生产中的飞机发动机（EASA，2023b）。尽管目前尚未对挥发性颗粒物进行监管，但它们占总颗粒物排放量的很大比例，且通常比非挥发性颗粒物的贡献更大（Takegawa，2023年）。
近年来，由于氮氧化物排放法规日益严格，航空发动机制造商不断改进燃烧室设计以降低氮氧化物排放（Liu等人，2017年）。现代发动机通常能提高热效率并减少燃油消耗，从而降低污染物和二氧化碳排放（Alexiou等人，2023年）。然而，这种效率的提升通常伴随着更高的整体压比（OPR），导致燃烧温度升高（Aygun，2024年）。更高的燃烧温度会抵消减少氮氧化物排放的努力，使其更难以控制（Prashanth等人，2021年）。同时降低二氧化碳和氮氧化物排放仍然具有挑战性，这需要在设计过程中进行仔细的权衡。例如，领先边缘航空推进（LEAP）发动机中的双环预混旋流燃烧室（TAPS）技术和普拉特·惠特尼PW1000G及LEAP发动机中的先进低氮氧化物技术（TALON）在最佳运行条件下显示出显著降低氮氧化物排放和燃油消耗的潜力（Reddy和Lee，2016年）。然而，这些优化发动机在真实运行条件下的性能仍不甚明了。因此，全面了解现代飞机发动机在真实运行条件下的氮氧化物、超细颗粒物和二氧化碳排放特性至关重要。此类知识对于评估设计妥协、避免一种污染物对另一种污染物的环境影响以及制定有效的、有战略优先级的缓解措施至关重要。
通常，制造商在ICAO发动机排放数据库（EEDB）中报告的陆地起飞（LTO）氮氧化物（NO?）和非挥发性颗粒物（nvPN）的认证排放因子被广泛用于飞机排放估算（EASA，2023a）。这些数据来源于在7%、30%、85%和100%推力设置下进行的发动机静态测试，分别对应滑行、进近、爬升和起飞阶段（ICAO，2022年）。然而，实际飞机运行时的推力设置可能受到飞机类型、发动机性能、维护状况、飞机使用年限以及气象条件等因素的影响（Maes等人，2025年；Stacey等人，2023年）。因此，基于静态发动机测试的LTO循环排放估算可能无法完全反映实际运行中的变化性和性能。Lobo等人（2015年）和Herndon等人（2005年）的研究表明，实际滑行阶段的氮氧化物排放指数比ICAO数据预测的低25%-78%（Klapmeyer和Marr，2012年；Sch?fer等人，2003年）。因此，加强实际排放测量对于提高对氮氧化物和颗粒物排放变化的理解至关重要。
在机场跑道附近进行的观测可以提供有关实际飞机排放的有用信息（Maes等人，2025年）。然而，由于部署大型和高功率测量设备以及选择最佳采样地点的挑战，只有少数研究在实际条件下测量了氮氧化物和颗粒物排放指数。Zhao等人（2024年）、Duan等人（2022年）和Sch?fer等人（2003年）使用傅里叶变换红外光谱和差分光学吸收光谱技术测量了滑行、进近和起飞阶段的氮氧化物和二氧化碳排放。Takegawa等人（2023年）测量了波音737-800和巴西航空Embraer 170-200系列飞机在起飞和着陆阶段的颗粒物排放。Moore等人（2017a）揭示了实际起飞运行条件下的发动机颗粒物排放指数。虽然这些研究为实际飞机排放提供了宝贵见解，但它们仅限于特定操作和/或特定发动机类型。鉴于喷气发动机技术的不断进步，迫切需要扩大排放测量范围，以涵盖不同发动机、类型、使用年限和运行条件下的排放情况。
在本研究中，我们在中国合肥新桥国际机场（HFE）的滑行道附近使用了一个便携且经济高效的路边监测平台，对颗粒物、氮氧化物和二氧化碳浓度进行了实地测量。该观测点能够捕捉到与飞机滑行、起飞和着陆阶段相关的排放羽流。本研究的方法能够系统地收集实际条件下的大型飞机排放样本。本研究的主要目的是调查不同运行阶段和飞机类型下的颗粒物和氮氧化物排放特性，估算实际运行条件下的颗粒物和氮氧化物排放因子，并对不同发动机型号、飞机类型和飞机使用年限的颗粒物和氮氧化物排放因子进行全面分析。
章节片段
机场和测量位置
HFE位于中国合肥市西北部，距离市中心约31.8公里。本研究中飞机排放羽流的路边测量示意图如图1所示。HFE有一条跑道（15/33），以及一条与之平行的滑行道，其磁北方向为150°/330°。根据机场数据，HFE的盛行风向范围为北东北（NNE）至东东南（ESE）。
羽流识别
图S4展示了飞行起飞和降落过程中测量的颗粒物（PN）、氮氧化物（NO）和二氧化碳（CO?）浓度的时间序列示例。与无计划起飞/降落情况相比，起飞/降落过程中的浓度峰值显著更高。颗粒物的平均浓度为3.7×10?颗粒物/立方厘米，最高峰值可达到10?颗粒物/立方厘米。这一结果与之前在机场附近进行的测量报告相当（Masiol等人）
结论
在这项工作中，我们在HFE的滑行道附近对颗粒物、氮氧化物和二氧化碳浓度进行了实地测量。在实际运行条件下收集了飞机滑行、着陆和起飞阶段的大尺寸飞机排放样本。观察到颗粒物的浓度峰值很高，最高峰值可达10?颗粒物/立方厘米，这对周边社区和机场员工构成了健康风险。成功识别出1,040个颗粒物羽流和582个氮氧化物羽流。
CRediT作者贡献声明
蒋京坤：撰写——审稿与编辑、验证、监督、资金获取、概念构思。薛伟伟：调查。魏秀丽：调查。李波：撰写——初稿、正式分析、数据管理。史乐奇：正式分析。张强：方法论、调查。王东斌：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。王明浩：正式分析、数据管理
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢中国国家重点研发计划（编号：2023YFC370540203）和CPSF的中国博士后奖学金计划（编号：GZC20231271）的支持。
