肖 毅 段鐵城

(中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 飛行技術(shù)學(xué)院，四川 廣漢 618307)

0 前言

隨著氣候變化問(wèn)題被提上議事日程，監(jiān)測(cè)和記錄大氣排放變得越來(lái)越重要。 航空業(yè)作為當(dāng)今世界最重要的全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之一，航空業(yè)帶來(lái)的二氧化碳及非二氧化碳排放同樣會(huì)導(dǎo)致氣候出現(xiàn)系統(tǒng)性的變化，航空排放涉及一系列大氣物理過(guò)程。 雖然這些影響中的一部分會(huì)導(dǎo)致變暖， 另一部分則會(huì)導(dǎo)致降溫效應(yīng)，總的來(lái)說(shuō)， 變暖的影響更大。 據(jù)2018 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，包括客運(yùn)和貨運(yùn)在內(nèi)的全球航空業(yè)排放了10.4 億噸二氧化碳，占當(dāng)年二氧化碳排放總量的2.5%，非二氧化碳?xì)怏w的排放占3.5%。 由于民航快速發(fā)展，全球航空燃料使用量和二氧化碳排放量在過(guò)去幾年有所增加，特別是亞洲和其他發(fā)展中國(guó)家增長(zhǎng)迅速。 飛機(jī)除了排放燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳外，還影響大氣中其他氣體和污染物的濃度。 鑒于航空業(yè)對(duì)化石燃料的依賴性，其顯著的CO2和非CO2效應(yīng)以及預(yù)計(jì)的航空活動(dòng)增長(zhǎng)，對(duì)環(huán)境地污染都會(huì)持續(xù)影響。 因此，了解航空業(yè)對(duì)當(dāng)今氣候的影響至關(guān)重要。

航空業(yè)對(duì)氣候變化的貢獻(xiàn)有許多因素，但最受關(guān)注的是它通過(guò)二氧化碳排放。 大多數(shù)航班通過(guò)化石燃料提供動(dòng)力，盡管有些飛機(jī)部分使用生物燃料，但燃燒后同樣會(huì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳。 飛機(jī)燃油消耗產(chǎn)生CO2方程式如下：2 C8H18+25 O2＞16 CO2+18 H20。 上式中，每加侖燃油（約6.5 磅）與23 磅的氧氣結(jié)合會(huì)產(chǎn)生20磅的二氧化碳（1 加侖=3.79L，1 磅=453.59g）。 例如，波音777-200 單航程飛行7 500 海里， 燃油消耗約為251 155 磅，同時(shí)產(chǎn)生775 311 磅的二氧化碳。 雖然對(duì)于單個(gè)航班的二氧化碳排放可以進(jìn)行估算，但是航空活動(dòng)對(duì)氣候的影響仍然存在爭(zhēng)論。 主要原因在于飛行人數(shù)上存在著巨大的不平等， 許多人根本沒(méi)有直接或者間接參與了航空活動(dòng)。 其次，航空排放如何歸因于某個(gè)國(guó)家， 國(guó)內(nèi)航班的二氧化碳排放量可以計(jì)入一個(gè)國(guó)家的排放總量之中。 而國(guó)際航班并非如此，通常它們并未計(jì)入任何國(guó)家的排放量， 這意味著各國(guó)減少排放的動(dòng)機(jī)很少。 另外，來(lái)自航空業(yè)的非二氧化碳強(qiáng)制措施未包括在巴黎協(xié)議中，這意味著它們很容易被忽視。

目前，很多國(guó)家及組織開始重視航空業(yè)的碳排放問(wèn)題。 作為制定減排措施的第一個(gè)關(guān)鍵階段就是碳排放計(jì)算，在無(wú)法直接測(cè)量排放量的情況下，碳排放計(jì)算被用來(lái)提供一個(gè)估算值。 但是對(duì)于碳排放的計(jì)算方法沒(méi)有統(tǒng)一，由于計(jì)算方法涉及某種程度的近似和假設(shè)，以及有關(guān)排放責(zé)任邊界和應(yīng)承擔(dān)責(zé)任的行為者的主觀決定，從而導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果之間的差異性。 本文綜述了幾種常見的關(guān)于航空業(yè)的碳排放計(jì)算方法，并進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。

1 碳排放計(jì)算方法

對(duì)于任何同一航線飛行的實(shí)際碳排放量和計(jì)算的排放量之間總是存在差異。 這是因?yàn)槊看物w行任務(wù)所遇到的航路條件都可能不同，比如氣候、配載、發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)、座位配置及飛行模式等差異，這一系列因素都會(huì)影響到每位乘客的排放量。 在計(jì)算每一個(gè)航班的排放量時(shí)就必須對(duì)上述因素進(jìn)行假設(shè)，從而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差和變化，通常的處理方式是將這些影響在多個(gè)航班上進(jìn)行平均處理以減小誤差。 盡管航空排放計(jì)算處理有一定差異性， 但整個(gè)計(jì)算流程基本是一樣，如圖1 所示。 目前，已有許多獨(dú)立開發(fā)的航空排放計(jì)算器， 但人們更希望碳排放計(jì)算能夠保持統(tǒng)一性，因?yàn)檫^(guò)多的計(jì)算會(huì)導(dǎo)致報(bào)告不一致，使希望開展減排的人產(chǎn)生困惑。 然而，由于數(shù)據(jù)來(lái)源的質(zhì)量和所作的任何假設(shè)，以及分配排放量和使用乘數(shù)的主觀問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果之間仍然存在差異。 本文總結(jié)了一些常用的碳排放量計(jì)算方法。

圖1 碳排放計(jì)算流程

1.1 國(guó)際民航組織

國(guó)際民用航空組織采用國(guó)際民用航空各方面的標(biāo)準(zhǔn)和建議進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算碳排放的方法和圖1 類似，采用了一種基于距離的計(jì)算方法，利用各種類型飛機(jī)的現(xiàn)有數(shù)據(jù)估計(jì)個(gè)人的航空排放量。 為了能夠達(dá)到滿足的計(jì)算條件，國(guó)際民航組織制定了相關(guān)的燃料消耗公式，燃油消耗公式考慮的因素包括乘客負(fù)載系數(shù)、飛行距離、擁堵時(shí)間、客運(yùn)量占總有效載荷的比例、飛行的客艙等級(jí)和飛行的等效飛機(jī)類型，并通過(guò)不斷監(jiān)測(cè)和改進(jìn)所用數(shù)據(jù)獲得更準(zhǔn)確的排放量估計(jì)。并根據(jù)乘客的航空排放量受到每個(gè)航班特定變量不斷變化的影響，制定了較為合理的平均系數(shù)來(lái)闡述這些飛行參數(shù)的影響。

國(guó)際民航組織的計(jì)算方法的主要特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下：

（1）涉及的飛機(jī)類型數(shù)量較多以及燃油數(shù)據(jù)來(lái)源豐富，采用多源數(shù)據(jù)融合來(lái)估計(jì)任何兩個(gè)機(jī)場(chǎng)之間指定路線的典型排放量。

（2）可根據(jù)飛機(jī)是寬體還是窄體選擇合適的貨運(yùn)量系數(shù)，其原因在于貨運(yùn)量的數(shù)據(jù)來(lái)源充裕。 并且基于按飛行階段劃分的交通量數(shù)據(jù)庫(kù)（TFS）定義每位乘客的負(fù)載系數(shù)，能更加合理的將排放量分配到每位乘客。 該數(shù)據(jù)庫(kù)收集了按年度生產(chǎn)的飛機(jī)類型特定交通量數(shù)據(jù)， 國(guó)際民航組織收集的國(guó)內(nèi)交通量和運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及基于航空公司公布的航班時(shí)刻表。

（3）為每架參考飛機(jī)采用了標(biāo)準(zhǔn)客艙布局，這一固定空間隨后配備了一個(gè)全經(jīng)濟(jì)型座椅，其間距約為31/32 英寸（1 英寸=2.54 厘米）。 然后將這種座椅配置與涉及商務(wù)或頭等艙排座椅形成的混合配置進(jìn)行比較。

（4）排放量?jī)H進(jìn)行CO2計(jì)算，不使用乘數(shù)來(lái)考慮航空的非二氧化碳影響。

該方法利用若干數(shù)據(jù)來(lái)源建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)了相應(yīng)的碳排放量計(jì)算程序。 該程序要求用戶輸入直飛航班的始發(fā)地和目的地機(jī)場(chǎng)。 然后將其與公布的定期航班進(jìn)行比較，以獲得兩個(gè)有關(guān)機(jī)場(chǎng)提供服務(wù)的飛機(jī)類型以及每架飛機(jī)的起飛次數(shù)。 然后將每架飛機(jī)映射到312 種等效飛機(jī)類型中的一種，以便根據(jù)旅程中涉及的機(jī)場(chǎng)之間的大圈距離計(jì)算旅行的燃油消耗量。然后應(yīng)用國(guó)際民航組織收集的交通和運(yùn)行數(shù)據(jù)得出的載客率和客貨比，得出可歸因于載客量的總?cè)剂鲜褂帽壤?該系統(tǒng)根據(jù)每種等效機(jī)型的起飛頻率，計(jì)算旅程的平均燃油消耗量。 除以經(jīng)濟(jì)艙當(dāng)量乘客總數(shù)，得出每個(gè)經(jīng)濟(jì)艙乘客的平均燃油消耗量。 然后將結(jié)果乘以3.16，以獲得在這兩個(gè)機(jī)場(chǎng)之間旅行的每位乘客的二氧化碳足跡量。

1.2 Sabre Holdings 方法

Sabre Holdings 方法是一種基于Sabre 數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)估算碳排放，Sabre 數(shù)據(jù)庫(kù)包含所有航班的信息，比如進(jìn)行計(jì)算所需要的出發(fā)點(diǎn)和目的地、航空公司、飛機(jī)型號(hào)、座位配置信息等參數(shù)。許多未知參數(shù)在Sabre 數(shù)據(jù)庫(kù)中是已知的，這樣可以實(shí)現(xiàn)更詳細(xì)和準(zhǔn)確的排放估計(jì)。 由于任何航空排放量計(jì)算器的精度在很大程度上取決于作為模型輸入的燃油消耗數(shù)據(jù)的品質(zhì)，這樣的燃油消耗數(shù)據(jù)很難在公開渠道獲取，并且隨著新飛機(jī)模型和發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)的開發(fā)，數(shù)據(jù)集也容易過(guò)時(shí)。 因此，由于缺乏準(zhǔn)確的輸入數(shù)據(jù)，必須在排放計(jì)算器方法中采用典型的剖面，這種方法會(huì)帶來(lái)后續(xù)計(jì)算帶來(lái)誤差。 SAGE 模型給出了大量飛機(jī)類型的模擬燃料燃燒，從而避免了這個(gè)問(wèn)題。SAGE 模型對(duì)排放量計(jì)算器有許多優(yōu)點(diǎn)。

（1）模型計(jì)算基于航空公司和飛機(jī)型號(hào)來(lái)進(jìn)行座位配置，計(jì)算出的碳排放量能更準(zhǔn)確地表示航空公司的排放量。

（2）提供了一種可消除因當(dāng)前模型中的方法假設(shè)而產(chǎn)生的不準(zhǔn)確之處。 由于Sabre Holdings 模型比其他航空二氧化碳排放量計(jì)算器更為復(fù)雜，這可以為碳排放計(jì)算提供一種潛在的統(tǒng)一方法，并消除目前觀察到的計(jì)算程序之間的誤導(dǎo)性差異。

（3）提前預(yù)估二氧化碳排放量，便于客戶選擇低碳航班從而創(chuàng)造一個(gè)更環(huán)保航班的市場(chǎng)，以促進(jìn)每個(gè)座位的低二氧化碳排放。 并可分析出行前和出行后二氧化碳排放量，同時(shí)允許與其他運(yùn)輸方式的二氧化碳排放量進(jìn)行比較。

根據(jù)Sabre Holdings 方法的計(jì)算流程， 提供相應(yīng)的出發(fā)點(diǎn)和目的地，根據(jù)已知的姿態(tài)和經(jīng)度坐標(biāo)計(jì)算航線距離。 所需的燃油數(shù)據(jù)在本模型中未體現(xiàn)，需額外的子模型提供燃油數(shù)據(jù)的計(jì)算。 Sabre 開發(fā)了對(duì)應(yīng)的燃油消耗公式，燃料的消耗是關(guān)于距離的函數(shù)。 因此，使用適當(dāng)?shù)墓讲⑤斎牒桨啵诓襟E（1）中根據(jù)距離給出了飛行的燃油消耗量，然后計(jì)算每個(gè)座位的燃油消耗量。 再按航空公司和飛機(jī)型號(hào)分類的數(shù)據(jù)，基于每個(gè)座位的二氧化碳排放量可以通過(guò)乘以排放量來(lái)計(jì)算系數(shù)為3.157 kg CO2/kg 燃油。 需要注意的是，這只是二氧化碳，而且不包括排放對(duì)氣候的額外影響的乘數(shù)。

1.3 DEFRA 方法

DEFRA 方法是聯(lián)合國(guó)負(fù)責(zé)環(huán)境保護(hù)的部門開發(fā)的一種用于計(jì)算碳排放計(jì)算的程序。 該算法長(zhǎng)期應(yīng)用于英國(guó)的二氧化碳排放計(jì)算， 同時(shí)也被其他國(guó)際組織采納。 DEFRA 程序采用開源方式確保排放報(bào)告應(yīng)用更廣泛。 該工具基于一種旨在估計(jì)整個(gè)航班燃油消耗量的方法， 估算的結(jié)果和歐洲運(yùn)營(yíng)航空公司實(shí)際燃油消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證， 并定期更新數(shù)據(jù)以便提高其準(zhǔn)確性。

DEFRA 方法公布了各種有代表性的飛機(jī)被用于計(jì)算國(guó)內(nèi)、短途和長(zhǎng)途飛行的排放系數(shù)，分別為0.1580、0.1304 和0.1056 kg CO2/km， 這些數(shù)字來(lái)自標(biāo)準(zhǔn)形式的更復(fù)雜排放量計(jì)算。 對(duì)于貨物，排放系數(shù)按噸千米運(yùn)輸貨物的數(shù)量。 非英國(guó)國(guó)際航班的排放因子的計(jì)算方法與英國(guó)主要航班的排放因子計(jì)算類似， 使用按飛機(jī)類型劃分的不同地區(qū)之間航班的DFT 數(shù)據(jù)，并使用EUROCONTROL 工具計(jì)算排放因子。 主要計(jì)算特點(diǎn)如下：

（1）DEFRA 方法的貨物負(fù)載可按以下兩種方式之一處理。 第一種，排放量按乘客和貨物各自重量的比例分配，長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量為28.8%，短途運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)量不到1%。 第二種方案考慮到旅客服務(wù)（座位、廚房等）所需的額外重量，并將較低的百分比分配給貨運(yùn)（長(zhǎng)途運(yùn)輸為11.9%）。

（2）座位配置以CAA 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，輔以來(lái)自非英國(guó)航空公司的信息。 同一個(gè)飛機(jī)類型分別給出了國(guó)內(nèi)、短途和長(zhǎng)途的3 個(gè)排放系數(shù)。

（3）排放量根據(jù)不同艙段進(jìn)行分配，每千米的乘客排放量不僅受到飛機(jī)技術(shù)性能的影響，而且還受到航班占用率/載客率的影響。

（4）客運(yùn)服務(wù)運(yùn)輸?shù)呢浳镆脖豢紤]在內(nèi)，同時(shí)考慮運(yùn)費(fèi)對(duì)長(zhǎng)途運(yùn)輸因素有顯著影響。

2 結(jié)論

減排措施實(shí)施的首要工作就是進(jìn)行碳排放的計(jì)算，遺憾的是當(dāng)前碳排放的方法并不統(tǒng)一，從而導(dǎo)致結(jié)果上的偏差。 本文中列出的幾種常見的碳排放計(jì)算方法各有特點(diǎn)，而且計(jì)算的復(fù)雜程度也因所需的數(shù)據(jù)輸入品質(zhì)和所利用的數(shù)據(jù)源范圍而異，這些原因都會(huì)引起碳排放計(jì)算沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的結(jié)果。 而最好的計(jì)算應(yīng)該簡(jiǎn)單易用且用于計(jì)算的系數(shù)又要足夠精準(zhǔn)，因?yàn)橛脩粜袨榈娜魏巫兓紤?yīng)該反映在計(jì)算出的碳足跡的減少中。 因此，需要一種標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)計(jì)算航空碳排放，使其結(jié)果統(tǒng)一準(zhǔn)確。 對(duì)于航空業(yè)而言，如今還沒(méi)有航空脫碳的技術(shù)，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是脫碳特別困難。 其他行業(yè)都已提供了減少排放的解決方案。 欣慰的是一些設(shè)計(jì)概念正在出現(xiàn)，例如，空中客車公司宣布計(jì)劃在2035 年前生產(chǎn)第一架使用氫燃料電池的零排放飛機(jī)。創(chuàng)新的解決方案可能即將出現(xiàn)， 但它們可能還很遙遠(yuǎn)。 對(duì)于民航而言，節(jié)能減排還有很長(zhǎng)的路要走。