□ 民航局空中交通管理局 劉芳子/文

航空運(yùn)輸業(yè)是當(dāng)今世界最活躍、最有潛力的產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(yùn)輸市場(chǎng)需求持續(xù)旺盛，航空器排放總量也隨之持續(xù)增長(zhǎng)，給全球生態(tài)環(huán)境變化帶來(lái)突出的負(fù)外部性。因航空運(yùn)輸業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境影響大、污染范圍廣、責(zé)任劃分難、減碳緊迫性強(qiáng)等特征，綠色航空發(fā)展成為全球社會(huì)各界廣泛關(guān)注的問(wèn)題。全球主要航空運(yùn)輸主體均已制定綠色發(fā)展戰(zhàn)略，并將空中交通的運(yùn)行效率提升與航行新技術(shù)應(yīng)用作為提升燃油效率實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。本文基于ADS-B飛行軌跡、航班計(jì)劃等數(shù)據(jù)，分別對(duì)全國(guó)、城市對(duì)和繁忙機(jī)場(chǎng)進(jìn)近（終端）不同維度對(duì)空中交通活動(dòng)的環(huán)境效能水平、特征以及優(yōu)化方向進(jìn)行實(shí)證評(píng)估和分析，并從空管角度提出綠色發(fā)展建議。

空中交通運(yùn)行優(yōu)化是民航綠色發(fā)展的重要手段

目前全球航空運(yùn)輸業(yè)在降低對(duì)環(huán)境影響方面主要采?。汉娇掌髋c發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)改進(jìn)、空中航行技術(shù)革新、ATM效率和航空公司運(yùn)營(yíng)效能改善、可持續(xù)替代燃料使用、碳市場(chǎng)機(jī)制和環(huán)保型基礎(chǔ)建設(shè)等（見圖1）。研究表明，近50年航空器和發(fā)動(dòng)機(jī)制造商通過(guò)改進(jìn)飛機(jī)性能，有效降低了70%左右的油耗和排放，但相關(guān)制造技術(shù)越來(lái)越成熟，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)跨越性創(chuàng)新需要時(shí)間周期更長(zhǎng)、成本更大，持續(xù)釋放節(jié)能減排紅利的空間越來(lái)越小。按現(xiàn)行生產(chǎn)技術(shù)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(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（IATA）預(yù)期目標(biāo)計(jì)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(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性等方面仍不具備廣泛應(yīng)用條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年歐洲境內(nèi)航班因未按最優(yōu)航跡運(yùn)行額外產(chǎn)生的CO2排放約占全年的4%，2015～2019年英國(guó)航空通過(guò)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(jī)場(chǎng)、航空公司運(yùn)行效率減排比例僅為0.3%和2.1%，每減少1分鐘航班運(yùn)行時(shí)間，一年將減少480萬(wàn)噸碳排放。研究與實(shí)踐表明優(yōu)化航空器空中交通運(yùn)行軌跡、提升地面滑行和空中運(yùn)行整體效率具有顯著節(jié)能減排效果，配合新航行技術(shù)的廣泛應(yīng)用預(yù)計(jì)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(lǐng)域，燃油效率也被國(guó)際民航組織（ICAO）列入衡量空中交通管理效能的重要指標(biāo)。

表1：空中交通環(huán)境效能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

我國(guó)空中交通運(yùn)行環(huán)境效能綜合評(píng)估

空管是民航運(yùn)行中樞，具有維護(hù)空中交通運(yùn)行安全、有序、高效的基本職責(zé)，綠色空中交通應(yīng)是兼顧民航發(fā)展的社會(huì)效益（旅客出行時(shí)效需求等）、經(jīng)濟(jì)效益（航空公司運(yùn)營(yíng)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(yùn)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(yùn)輸領(lǐng)域主要關(guān)注的五項(xiàng)尾氣排放物、體現(xiàn)運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益等環(huán)境效能綜合指標(biāo)（見表1），分別對(duì)全國(guó)、城市對(duì)和進(jìn)近（終端）不同維度對(duì)空中交通活動(dòng)的環(huán)境效能水平和特征進(jìn)行評(píng)估分析，為全面了解我國(guó)空中交通運(yùn)行環(huán)境影響的強(qiáng)度和時(shí)空分布特征，科學(xué)制定我國(guó)民航空管綠色發(fā)展規(guī)劃、精準(zhǔn)施策治理航空業(yè)對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類健康影響提供實(shí)證支撐。

（一）全國(guó)空中交通環(huán)境效能評(píng)估

選取新冠疫情前2019年6月1日（無(wú)大面積流量控制、重大天氣影響等）作為典型日，以當(dāng)日2884條國(guó)內(nèi)城市對(duì)航線共計(jì)8459架航班為對(duì)象，基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的燃油流率和排放測(cè)算模型得出當(dāng)日全國(guó)運(yùn)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(guó)航班燃油總消耗量達(dá)5.14×107kg，污染物排放量中CO2排放量占比最大，共計(jì)16.18×107kg，其次是NOx，排放量共計(jì)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(shí)間平均燃油消耗約50kg/min、單位里程平均燃油消耗約5kg/km（遠(yuǎn)高于美國(guó)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(shí)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(gòu)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?yàn)檠埠剑–CD）階段飛行距離較長(zhǎng)；CO排放量主要產(chǎn)生在航空器起降（LTO）階段，主要是因?yàn)楹娇杖加偷牟煌耆紵龑?dǎo)致；HC排放量產(chǎn)生在飛行全過(guò)程，但在平飛階段占比相對(duì)較多。所以通過(guò)調(diào)整航路航線結(jié)構(gòu)、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(duì)巡航階段環(huán)境效能綜合評(píng)估

針對(duì)典型日2884個(gè)城市對(duì)航線（往返記為不同城市對(duì)航線）綜合環(huán)境效能指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，單位里程平均油耗為3.89kg/km，低于全航程5kg/km，說(shuō)明巡航階段雖然排放量大，但因?yàn)轱w行距離長(zhǎng)、時(shí)間長(zhǎng)，燃油效率較高，實(shí)際優(yōu)化空間沒(méi)有起降階段大。從機(jī)型看，A319燃油效率顯著（p＜0.05）較高，B747燃油效率最低且波動(dòng)性較大（見圖3），平均單位公里油耗超過(guò)14kg，B788在寬體機(jī)中燃油經(jīng)濟(jì)性最佳，平均單位公里油耗僅為B747的49%。

1.綜合評(píng)估方法

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

（1）對(duì)比評(píng)價(jià)對(duì)象的每個(gè)指標(biāo)值的優(yōu)劣，分別找出正負(fù)理想解C+、C-：

其中，正理想解C+中的每個(gè)對(duì)象ci+均是觀測(cè)樣本中的最優(yōu)值，負(fù)理想解C-中的對(duì)象則為最劣值即：

（2）計(jì)算距離。計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象與正、負(fù)理想解之間的歐式距離：

（3）對(duì)象排序。根據(jù)相對(duì)接近程度f(wàn)i對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行排序，且：

2.綜合評(píng)估結(jié)果

根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，CO2、NOx、SOx等主要排放物與油耗量強(qiáng)正相關(guān)，相關(guān)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(dòng)的經(jīng)濟(jì)效益和綠色特性。為進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型，選取飛行效率（單位里程飛行時(shí)間）和燃油效率（單位里程燃油消耗）作為綜合評(píng)估指標(biāo)，即平衡空中交通運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)效益和綠色特性的綜合環(huán)境效能，結(jié)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(guó)繁忙城市對(duì)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(jī)偏多導(dǎo)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(dòng)性水平不高，深圳、廣州至北京的航線單位里程飛行時(shí)間最短，與燃油效率呈現(xiàn)一定程度的悖反關(guān)系。

綜合評(píng)估結(jié)果表明，ZGGG-ZSHC、ZUUUZGGG和ZUCK-ZGSZ的“綠色—經(jīng)濟(jì)”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(yùn)行效率、燃油效率以及污染排放綜合效能最差。

進(jìn)一步對(duì)ZSSS-ZBAA兩架航班三維飛行剖面和油耗進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(cè)算，飛行里程、飛行時(shí)長(zhǎng)、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(jì)性、環(huán)保性和時(shí)效性的有效方式。

表2： 繁忙航線綠色性能綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

（三）進(jìn)近（終端）階段空中交通環(huán)境效能評(píng)估

針對(duì)典型日35個(gè)主輔協(xié)調(diào)機(jī)場(chǎng)以及京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角和成渝四大機(jī)場(chǎng)群，開展進(jìn)近（終端）空域綠色空中交通分析與評(píng)估?？傮w上，進(jìn)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(duì)較少。對(duì)比進(jìn)、離場(chǎng)航班油耗及排放量可見，單位進(jìn)場(chǎng)航班燃油消耗和各類排放顯著（p＜0.001）低于單位離場(chǎng)航班燃油消耗（圖5以CO2排放為例）。

我國(guó)主輔協(xié)調(diào)機(jī)場(chǎng)中，珠海三灶、深圳寶安以及天津?yàn)I海機(jī)場(chǎng)單位架次離場(chǎng)航班燃油消耗和排放排名前三，大連周水子機(jī)場(chǎng)單位架次離場(chǎng)航班燃油消耗和排放排名最小。天津?yàn)I海、上海虹橋以及鄭州新鄭機(jī)場(chǎng)單位架次進(jìn)場(chǎng)航班燃油消耗排名前三，長(zhǎng)春龍嘉機(jī)場(chǎng)單位架次進(jìn)場(chǎng)航班燃油消耗最小。我國(guó)重要機(jī)場(chǎng)群中，珠三角機(jī)場(chǎng)群?jiǎn)挝患艽芜M(jìn)、離場(chǎng)航班燃油消耗和排放均為第一（見圖6）。

綜上，我國(guó)航班總體環(huán)境效率較低碳發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)近（終端）地區(qū)或航線環(huán)境效能明顯低。同時(shí)可見，優(yōu)化空中交通的運(yùn)行軌跡對(duì)節(jié)能減排具有顯著效果，特別是進(jìn)離場(chǎng)階段優(yōu)化空間更大。

推進(jìn)我國(guó)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(yùn)行環(huán)境效能的主要手段包括：優(yōu)化航線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低我國(guó)民航航路航線的非直線系數(shù)；加大臨時(shí)航線的開辟和使用，減少飛行距離；縮小管制運(yùn)行間隔，提升空域有效利用率；優(yōu)化管制運(yùn)行服務(wù)，實(shí)施精細(xì)化流量管理；提高氣象服務(wù)準(zhǔn)確率，減少天氣原因空中等待、返航、備降等；加快新航行技術(shù)應(yīng)用，持續(xù)釋放技術(shù)減排紅利。

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

一是將新航行技術(shù)應(yīng)用作為空管綠色發(fā)展主攻領(lǐng)域。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2019年先后在廣州、深圳、北京、上海等12個(gè)繁忙機(jī)場(chǎng)運(yùn)行了中國(guó)尾流重分類技 術(shù)（RECAT-CN），跑道高峰時(shí)段容量約提升2%，以A330和B787為例，前后機(jī)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(píng)估結(jié)果，進(jìn)離場(chǎng)階段為重點(diǎn)優(yōu)化對(duì)象，實(shí)踐表明廣州、北京、昆明等9個(gè)大中型機(jī)場(chǎng)實(shí)施連續(xù)爬升/下降運(yùn)行（CCO/CDO）技術(shù)，有效的優(yōu)化了航空器LTO階段飛行剖面，提升了經(jīng)濟(jì)和綠色性能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年，我國(guó)共有3180架航班執(zhí)行了CCO/CDO運(yùn)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(jì)劃》（DOC 9750，GANP）中航空系統(tǒng)組塊升級(jí)計(jì)劃（ASBU），結(jié)合《中國(guó)民航空管現(xiàn)代化戰(zhàn)略》（CAAMS），加快推進(jìn)其中具有節(jié)能減排效益的技術(shù)應(yīng)用推廣。

二是建立民航新航行技術(shù)應(yīng)用節(jié)能減排效果測(cè)算評(píng)估機(jī)制。針對(duì)重點(diǎn)推進(jìn)的新技術(shù)節(jié)能減排效果測(cè)算評(píng)估方法開展研究，并建立常態(tài)化監(jiān)控評(píng)估機(jī)制，科學(xué)制定減排目標(biāo)和計(jì)劃，激勵(lì)全行業(yè)積極主動(dòng)融入行業(yè)綠色發(fā)展。

三是針對(duì)空中交通環(huán)境效能明顯低的城市對(duì)航線和地區(qū)開展重點(diǎn)治理。系統(tǒng)性開展全國(guó)空中交通環(huán)境效能評(píng)估，結(jié)合實(shí)證量化結(jié)果，深入剖析原因，對(duì)排放較大的城市對(duì)航線或進(jìn)離場(chǎng)優(yōu)先試點(diǎn)應(yīng)用節(jié)能減排新技術(shù)或給予空域優(yōu)化、臨時(shí)航線申請(qǐng)等政策支持。