全球民用航空起降循环产生的近地表有害排放：估算与缓解策略

《Journal of Hand Therapy》：Near-Surface Hazardous Emissions from Global Civil Aviation LTO Cycles: Estimation and Mitigation Strategies

　　

程晓青|郎建雷|周颖|文超宇|杨泽康|陈冰晨

北京工业大学环境科学与工程学院区域空气污染控制重点实验室，中国北京100124

摘要

民用航空业持续快速增长，显著增加了化石燃料的消耗和有害大气污染物的排放。飞机起降（LTO）过程中的排放物在机场周边地面附近积聚，加剧了当地空气质量的恶化，并对附近人群的健康构成潜在风险。本研究估算了全球民用航空起降过程中的燃料消耗和污染物排放量，分析了主要城市机场的人口暴露情况，并评估了缓解策略在降低相关风险方面的有效性。我们首次为180个国家制定了特定的排放指数（EIs）和燃料流量（FF）参数，发现同一机型在不同国家的排放指数可能相差数十倍。进一步研究表明，普遍使用的固定排放指数可能因忽视各国机队和发动机配置的差异而引入较大的代表性偏差，而特定国家的排放指数则能更细致地反映国家机队结构的特点。我们引入了暴露密度指数（Exposure Density Index），作为评估与航空活动相关的人口暴露负担和环境不平等的代理指标。此外，通过多情景分析（包括管理优化、机队配置升级和可持续航空燃料替代），发现具有显著的减排潜力及风险降低效益的空间差异性。我们的研究结果为制定减少航空相关污染、降低城市暴露负担和支持绿色航空发展的政策提供了科学依据。

引言

全球航空运输正在以惊人的速度增长[1]，[2]，国际航线也在不断扩大[3]。这种增长伴随着大量的能源消耗[4]、[5]、温室气体排放[6]、[7]以及大气污染物[8]、[9]。这种增长显著加剧了当地空气质量恶化[10]、[11]、[12]、气候变化[13]和公共卫生风险[15]、[16]、[17]。随着航空交通的增长，航空业内部对环境暴露影响以及节能减排（ECER）的关注度日益提高[18]、[19]。提高全球航空燃料消耗和排放量的估算精度，以及量化环境健康影响和能源效率，对于推动航空业的绿色转型至关重要。

虽然巡航阶段是燃料消耗的主要来源，但包括3000英尺以下飞行操作的起降（LTO）周期是一个关键但尚未得到充分研究的排放热点。LTO阶段的排放物因其同时发生的排放和局部聚集而成为重要的排放源，使机场周边地区成为显著的污染热点。根据具体航线特点，LTO周期占单次飞行总燃料消耗的12%至15%[20]。由于飞行各阶段的燃烧特性不同，这一阶段的一氧化碳（CO）和碳氢化合物（HC）排放可占总排放量的70%以上[21]。这些排放物直接影响机场周围的空气质量[22]、[23]、[24]和人类健康[26]。特别是，与机场相关的排放物已被证明会提高周边社区中超细颗粒物（UFP）的浓度，短期暴露于航空相关的UFP与成人和儿童的不良呼吸系统和炎症反应有关[17]、[27]、[28]、[29]。此外，喷气发动机排放物中含有有毒有机化合物，如颗粒结合的多环芳烃（PAHs），这些化合物因其致癌性和与细颗粒物及超细颗粒物的关联而令人担忧[30]、[31]、[32]。因此，LTO相关的排放问题构成了一个紧迫的城市环境挑战，它将交通排放、城市空气质量与可持续发展联系在一起。

关于飞机排放估算的研究正在稳步进展[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。最近的飞机排放估算进展强调了使用自动相关监视广播（ADS-B）和快速访问记录器（QAR）等数据源改进飞行活动数据的重要性[38]、[39]。相比之下，排放指数（EI）和燃料流量（FF）参数的选择仍不够系统化。在大多数官方和基于清单的方法中，飞机排放量仍然要么基于每种机型的代表性发动机假设进行估算，要么只有在有机场或特定飞行记录时才使用实际发动机类型[24]、[40]、[41]。例如，ICAO的简单LTO方法根据每种通用机型的国际运营中最常见的发动机类型预先计算飞机级别的排放因子[41]，而一些机场和区域规模的研究在数据可用时使用了实际发动机类型[40]、[42]。更近期的高分辨率清单进一步改进了飞机注册或飞行级别的发动机分配[43]，我们之前的工作也展示了针对单一国家机队的加权发动机匹配[33]。然而，据我们所知，此前没有研究建立过全球特定国家的EI框架。由于生产年份和制造商的不同，同一机型可能配备不同的发动机。这种简化对于通用或本地应用可能是可以接受的，但在汇总具有显著不同机队发动机组成的国家数据时可能会引入系统性偏差。为了解决这一差距，我们首次基于国际民航组织（ICAO）的飞机发动机排放数据库（EEDB）和全球飞机发动机匹配信息，为180个国家建立了特定的EI和FF框架。目前，ICAO的EEDB是最全面和权威的认证飞机发动机排放数据来源[44]。由于EEDB基于受监管飞机发动机的标准化认证测量，因此这里使用的特定国家EI框架适用于LTO排放估算。

像ICAO这样的航空组织提出了更严格的措施来提高航空运输的ECER[45]。强调绿色和低排放发展已成为不可避免的要求[46]。目前，民用航空业的ECER措施主要集中在使用可持续航空燃料（SAF）[47]、[48]、技术进步[49]、市场激励[50]、[51]、政策激励[52]以及提高管理和运营效率[53]上。鉴于这是一个能源密集型行业，单一解决方案难以实现显著的节能效果，因此研究人员需要探索多个方面。

本研究在理解航空相关环境危害和暴露风险方面做出了几项关键贡献：（1）我们基于特定国家的EI/FF和全球飞行数据构建了一个全面的全球LTO有害排放清单，减少了固定EI假设带来的代表性偏差。（2）我们使用暴露密度指数（EDI）评估了代表性城市的人口标准化机场排放负担。（3）我们在不同的区域和政策情景下，评估了多种缓解途径的ECER潜力，包括SAF替代、飞机发动机升级、滑行时间减少和航线优化。通过将精细的排放估算与暴露评估和缓解分析相结合，本研究为制定减少航空相关环境和公共卫生风险的目标策略提供了科学依据。

章节摘录

估算全球排放的不同EI计算方法

以往的研究使用EI来计算全球航空排放，通常采用两种称为“粗略方法”的常见方法。第一种常用方法是选择一种典型的飞机发动机配置来代表该类型的所有飞机，使所有此类飞机使用相同的发动机EI（固定常量EI）。第二种方法是收集每种飞机类型的主要发动机配置的市场份额

特定国家EI与固定常量EI的比较

为了评估精细方法的有效性，我们使用三种不同方法为几种典型机型计算了EI（图1）。对于固定EI和固定重量EI方法，NOx和FF的EI在不同机型之间的变化相对较小。相比之下，HC和CO的EI存在显著差异。固定EI未能反映所有配置情况，不同研究得出的数值可能因选择的配置不同而有所差异

讨论与结论

本研究提出了一种新的方法，用于获取特定国家的EI/FF，以估算LTO周期期间的全球航空燃料消耗、碳排放和污染物排放。结果表明，国家机队配置的差异显著影响排放估算，尤其是HC和CO的排放，考虑这种差异可以显著减少相对于固定常量EI方法的清单偏差。与基于固定常量EI的估算相比，我们的

环境影响

民用航空的起降（LTO）排放物在机场区域地面附近积聚，导致局部空气污染和人口暴露负担。通过建立特定国家的排放指数和燃料流量参数，本研究提高了LTO航空排放评估的代表性。我们的发现揭示了全球主要城市之间与机场相关的暴露负担存在显著差异，并表明有针对性的运营和

CRediT作者贡献声明

程晓青：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、调查、正式分析。郎建雷：撰写——审阅与编辑、资源获取、概念化。周颖：验证、监督、资源提供。文超宇：可视化、方法论、调查。杨泽康：可视化、软件、方法论、数据管理。陈冰晨：可视化、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了北京Nova计划（20250484979）和中国国家重点研发计划（编号2018YFC0213206）的支持。此外，我们感谢Variflight.com公司提供研究数据。同时，我们也非常感谢北京市教委和北京市科委对这项工作的支持。作者们也对匿名审稿人的宝贵意见表示感谢。