粤港澳大湾区飞机LTO污染排放因子及排放清单
中国环境科学  2020,40(12)：5182~5190 China  Environmental  Science 粤港澳大湾区飞机LTO污染排放因子及排放清单
韩博1*，何真1，张铎2，孔魏凯1，王愚1(1.中国民航大学空中交通管理学院天津市空管运行规划与安全技术重点实验室，天津 300300；2.中国民用航空局空中交通管理局运行管理中心，北京 100022)
摘要：针对2018~2019航季年粤港澳大湾区机场，通过实际滑行时间修正和大气混合层高度对爬升/进近时间的修正，获得飞机主发动机排放因子和区内机场加权排放因子，同时考虑飞机辅助动力装置的排放，建立了区内飞机起飞着陆(LTO)污染排放清单.结果表明，区域内各机场污染物排放因子存在较大差异，主要来源于实际运行时间的修正以及各个机场不同的机型占比，其中NO x、CO、HC、SO2、PM 5类污染物的加权排放因子区内均值分别为17.58,8.60,0.79,1.37,0.15kg.排放量分别为15327.4,8066.7,728.4,1186.1,121.9t，绝大部分来自飞机主发动机排放.研究期内,NO x排放量在年内呈现夏秋季高、冬春季低的变化趋势，其他污染物排放量变化较为平缓.所有污染物在各机场排放量的次序较为一致，香港、广州白云分列前两位.各机型中，区内NO x及SO2主要来自A320排放，所占比例分别为19.5%、17.1%;CO及HC排放占比最大的机型均为A321，分别为25.4%、27.2%;PM排放量占比最大的机型是B738，约为23.1%.
关键词：粤港澳大湾区；飞机；排放清单；排放因子；起飞着陆
中图分类号：X511 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2020)12-5182-09
Research on aircraft LTO pollutant emission factors and emission inventory in Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area, China. HAN Bo1*, HE Zhen1, ZHAN G Duo2, KON G Wei-kai1, WAN G Yu1 (1. Tianjin Key Laboratory for Air Traffic Operation Planning and Safety Technology, College of Air Traffic Management, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China；2.Operation Management Center, Air Traffic Management Bureau, Civil Aviation Administration of China, Beijing 100022, China). China Environmental Science, 2020,40(12)：5182~5190
Abstract：For the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area airport group in the 2018~2019 shipping season, the aircraft main engine emission factor and the weighted airport emission factor in the region were obtained through the correction of the height of the mixed atmosphere to the climb/approach time and the actual taxi time. Meanwhile, considering the emissions of aircraft auxiliary power units, the inventory of aircraft Land take-off (LTO) pollution emissions was listed. The results showed that pollutant emission factors of airports in the region were significantly different, mainly due to the correction of actual operating time and the proportion of different aircraft types in each airport. The mean values of NO x, CO, HC, SO2 and PM weighted emission factors in the region were 17.58, 8.60, 0.79, 1.37 and 0.15kg respectively. The emissions were 15327.4, 8066.7, 7
28.4, 1186.1, and 121.9t respectively, most of which were from the main engine emissions of the aircraft. During the research, NO x emissions showed a high trend in summer and autumn and low in winter and spring, while changes of CO, HC, SO2 and PM emissions were relatively flat. The order of pollutant emissions from the airports in the area was relatively consistent, with Hong Kong and Guangzhou Baiyun ranking the top two. Among all models, N O x and SO2 mainly came from A320 emissions, accounting for 19.5% and 17.1% respectively; the models with the largest CO and HC emissions were A321, which were 25.4% and 27.2% respectively; the model with the largest proportion of PM emissions is B738, accounting for about 23.1%.
Key words：Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area；airport；emission inventory；emission factor；landing and take-off cycle
交通运输行业是大气污染排放的重要来源，其中，随着空中交通需求的迅速增加，航空相关排放对空气质量和人类健康造成的潜在影响随空中交通量的增长而增大[1-3].大型民航客机发动机运行中会排放NO x、CO、HC、SO2、PM和其他微量化合物[4].此外，飞机在地面运行中，还会使用到辅助动力装置APU为客舱提供电力空调以及启动主发动机，其本质也是一台涡轮发动机，在运行中也会排放大气污染物[5].
鉴于飞机在机场起飞着陆(LTO)阶段污染排放的影响，国内外学者进行了不同程度的研究,Kesgin 等[6]、Stettler等[7]、Winther等[8]相继对土耳其阿塔收稿日期：2020-05-09立春的风俗活动和寓意
基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1933110, 21707071)；天津市自然科学基金资助项目(18JCYBJC23800)；天津市教委科研计划项目(2018KJ248)
* 责任作者，副教授,**************
12期韩博等：粤港澳大湾区飞机LTO污染排放因子及排放清单 5183
图尔克国际机场(2007)、英国主要机场(2011)、丹麦哥本哈根凯斯楚普机场(2015)排放进行估计计算，确定了各种污染物在不同飞行阶段的排放特征.在国内，已有学者对广州白云国际机场[9]、北京首都国际机场[10]、上海浦东国际机场[11]等国内重点机场进行了排放清单研究，量化了航空器排放在时间上的排放分布，并分析了对机场附近的空气质量影响.在城市机场研究方面，王瑞宁等[12]以2017 年为基准年对长三角地区民航飞机 LTO循环大气污染物排放清单进行了研究，针对航空排放的空间分布进行了分析；韩博等[13]利用大气混合层高度变化对飞机进近和爬升时间进行优化.基于LTO的民航飞机排放因子是指飞机单位LTO排放量[14]，容易受机场周边大气混合层高度、飞机发动机运行情况等因素的影响，是计算排放清单的重要基础，目前针对航空排放因子的研究相对薄弱.
数据显示[15-17],2018年粤港澳大湾区机场完成旅客吞吐量2.1亿人次，货邮吞吐量828万t，其中，香港国际机场、广州白云国际机场、深圳宝安国际机场在全国机场旅客吞吐量排名中位列第2、4、6位.在把握“一带一路”发展重大机遇，打造世界级城市过程中，区域内民航发展也将提速，但目前尚缺乏针对区内机场飞机LTO污染排放的研究.本文针对2018~2019航季年，粤港澳大湾区机场飞机LTO排放因子和排放清单进行研究.同时考虑飞机主发动机和APU，采用排放因子法进行计算，通过实际滑行时间和大气混合层高度对模型进行修正，得到了区内重点机型排放因子以及各机场的加权排放因子，并在此基础上建立了LTO飞行大气污染排放清单.重点分析实际运行时间修正对各机场主发动机排放因子的影响，同时对排放清单的时空分布特征及各工作模式、机型对清单的贡献进行研究，旨在完善粤港澳大湾区污染防治的数据基础，为区域空气质量提升提供重要支撑.
1材料与方法
1.1研究区域与时间
粤港澳大湾区现有7个机场，分别位于广东省、香港特别行政区、澳门特别行政区，如表1所示.其中包括：广州白云国际机场、深圳宝安国际机场、珠海金湾机场、惠州平潭机场、佛山沙堤机场、香港国际机场、澳门国际机场.
表1  研究区域机场2018年吞吐量给台湾小朋友的一封信
Table 1 Throughput of research area airport in 2018
机场简称旅客吞吐量(人次)货邮吞吐量(t)起降架次(架次)
广州白云国际机场广州白云 69720403 1890560 477364
深圳宝安国际机场深圳宝安 49348950 1218502 355907
珠海金湾机场珠海金湾 11220703 46393 85380
惠州平潭机场惠州平潭 187**** **** 15110
佛山沙堤机场佛山沙堤 109228 129 817
香港国际机场香港 74672000 5121000 428000
澳门国际机场澳门 8261412 41509 65777 合计 215,226,929
8282085
1428355
我国民航航班计划分为夏秋航季和冬春航季，本文的研究时间为2018~2019航季年，即2018年10月28日~2019年10月26日，共计364d.其中，包括冬春航季自2018年10月28日~2019年3月30日，共计154d；夏秋航季自2019年3月31日~2019年10月26日，共计210d.涉及大气污染物包括NO x、CO、HC、SO2和PM.
1.2计算方法
本研究针对飞机LTO飞行过程中，主发动机及APU的大气污染排放进行研究，计算方法如下. 1.2.1  主发动机大气污染物排放因子计算飞机
主发动机的NO x、CO、HC排放因子与飞机的燃油
流量、排放指数、运行时间有关，通过ICAO和文献[13]中的方法可计算获得.同时，基于物料衡算法计
算SO2排放因子.
2
3
SO,
EF FSC FF(TIM60)210
k k k
λ
=×××××× (1) 式中:
2
SO,
EF
k
为SO2在k工作模式下的排放因子, g; FSC为航空煤油中的含硫量，本研究默认航空煤油
含硫量为0.068%;
k
FF为k工作模式下的燃油流率,
kg/s;TIM k为k工作模式下的工作时间, min;λ为燃
5184 中  国  环  境  科  学 40卷
烧效率，默认值为0.967[18].
本研究参考Wayson 等[19]创建的一阶近似法计算PM 的排放因子.
1.2.2  飞机APU 大气污染物排放因子计算  AP U 的排放因子可以通过各种工作负载的运行时间以及污染物排放系数来进行计算，其中APU 工作负载的实际运行时间不尽相同，本文以表2为准.本研究针对NO x 、HC 、CO 3种污染排放进行计算，计算公
式如下所示.  ,,EF EC (TIM 60)1000i k i k k θ=×××× (2) 式中:,EF i k 为i 类污染物在k 工作模式下的排放因子, g;,EC i k 为i 类污染物在k 工作模式下的排放系数,
kg/h;TIM k 为k 工作模式下的运行时间, min;θ为飞机APU 使用率，本研究默认为50%.
表2  APU 各负载模式运行时间表
Table 2  APU operation schedule of each load mode
飞机工作活动
双发飞机(min)
四发飞机(min)
APU 的启动与稳定 3    3 飞机准备、机组与旅客登机 3.6
5.3
主发动机启动 0.58 2.33
怎么显示隐藏的文件夹旅客下机以及飞机停飞 15
10式大口径反器材狙击步15
1.2.3  污染物排放量的计算  基于上述方法对污染物排放因子的计算，统计2018~2019航季年粤港澳大湾区机场的航班数据，可得污染物排放量计算公式如下所示.
,
EF i i k k E M =×∑ (3) 式中:i E 为i 类污染物的排放量, g;,EF i k 为i 类污染物在k 工作模式下的排放因子, g;M 为LTO 循环数，次.
1.3  基于实际数据的工作模式时间修正
ICAO 主发动机标准排放模型在起飞、爬升、进近、滑行阶段的推力分别为100%、85%、30%、7%，对应的参考工作时间分别为0.7,2.2,4.0,26.0min.本研究对其中的爬升、进近、滑行工作时间进行修正.
1.3.1  基于混合层高度的爬升/进近时间修正  利用美国EPA 方法修正ICAO 规定的爬升/进近参考时间[20].通过现有研究[21]，获得区内日最大混合层高度月均值，根据地理位置，广州白云、惠州平潭、佛山沙堤等3个内陆机场使用清远气象站数据，香港、澳门、深圳宝安、珠海金湾等4个沿海机场使用香
港气象站数据.
1.3.2  飞机滑行阶段工作时间修正  由于机场规模、空域容量等多种因素影响，各机场地面滑行时间差异较大，将对LTO 污染排放产生重要影响.为准确建立排放清单，本研究基于机场实际滑行时间对排放计算模型进行修正.此修正针对内地5机场，香港、澳门两场沿用ICAO 参考滑行时间.
2  结果与讨论
2.1  典型机型主发排放因子修正分析 在飞机的爬升/进近、滑行阶段，本研究通过各机场航班的实际运行时间，对各机型主发动机污染物单位LTO 排放量，即排放因子EF 进行修正.选取区内起降数量占比最高波音B737-800(B738)为典型机型，分析修正后的排放因子，如图1所示.各污染
物排放因子的差异，与区内7个机场各工作模式的运行时间密切相关.
其中,NO x 的排放主要来自飞机起飞、爬升等大推力状态的飞行，因此其排放因子主要受到爬升时间修正的影响.由于夏秋季较冬春季混合层高度高，因此在混合层内爬升时间延长，进而导致NO x 排放因子增大，在区内各机场均显示出较为一致的变化趋势.同时混合层高度还显示出内陆高于沿海地区的特点(图1)，对应在广州白云、惠州平潭、佛山沙堤机场的飞机NO x 排放因子略高于深圳、香港、澳
门、珠海等地机场.波音B738机型在各机场的NO x
年均排放因子平均值为13.42kg.
CO 、HC 主要来自航空煤油不完全燃烧，其排放因子受到滑行时间修正的影响最大.其中，广州白云、深圳宝安两场由于规模较大，年均地面滑行时间分别为25.8和25.1min，长于其他中小型机场，导致CO 、HC 排放因子较高，且排放因子与滑行时间的月变化趋势较为一致.而珠海金湾、惠州平潭、
佛山沙堤等三机场的年平均滑行时间分别为15.3,14.6, 12.2min，远低于ICAO 模型中基准滑行时间26.0min，因此修正后的CO 、HC 排放因子略低.香港、澳门两场使用ICAO 基准滑行时间未进行修正,CO 、HC 排放因子主要与发动机处于小推力状态运行的进近时间修正有关，且变化幅度很小.B738在各机场的CO 年均排放因子平均值为5.80kg，而HC 在各机场排放因子EF 年均值均低于1.00kg.
12期 韩  博等：粤港澳大湾区飞机LTO 污染排放因子及排放清单 5185银行贷款利息
图1  湾区内机场B738机型修正后排放因子
Fig.1  Modified emission factors of B738model for airport group in the Bay Area
PM 、SO 2的排放因子变化趋势较为复杂，分析发现与爬升时间修正的变化趋势比较接近.由于PM 、SO 2在各工作模式中的排放指数EI 较低，因此考虑与单位LTO 循环排放量的变化主要受到耗油量的影响.因此在夏秋季混合层高度较高时，爬升至混合层顶时间延长，导致排放因子增大.同时，由于内陆地区较沿海地区混合层高度高的原因(图1)，因此内陆机场PM 、SO 2的排放因子略高于沿海机场,B738在内陆机场的PM 、SO 2年均排放因子平均值分别为0.17,1.20kg，在沿海机场的PM 、SO 2年均排放因子平均值分别为0.16和
1.16kg.
2.2  湾区内机场加权排放因子分析
基于区内各飞机机型排放因子计算结果，结合各机场LTO 运行机型占比统计，获得了区内各机场污染物加权排放因子.生态环境部《非道路移动污染源排放清单编制技术指南(试行)》[14](简称“技术指南”)中，提供了一组飞机LTO 排放因子，但并未考虑机场实际运行时间及机型的差异.区内机场加权排放因子与技术指南的偏差情况如表3所示.
从NO x 加权排放因子看，香港机场最高，为29.91kg；珠海金湾机场最低，为12.88kg；各机场的均
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值为17.58kg，与技术指南的偏差率为7.9%，最接近指南所给排放因子的是深圳宝安机场，偏差率仅为3.4%.CO排放主要来自飞机的滑行阶段，各机场加权排放因子分布在4.55~15.78kg之间，区内均值为8.60kg，与技术指南的偏差率为5.9%.其中各机场之间数值差异较大，香港机场CO加权排放因子大致为佛山沙堤机场的3倍，主要考虑各机场的机型占比差异较大.从HC加权排放因子看，香港机场最高，为1.41kg，惠州平潭、佛山沙堤机场较低，分别为0.43,0.50kg，区内均值为0.79kg，与技术指南偏差较大，为70.6%.SO2排放主要来自于航空煤油中的含硫成分，各机场加权排放因子分布在1.02~2.14之间，区内均值为1.37kg.SO2排放计算方法为物料衡算法，排放因子的差异仅与燃油消耗有关.从PM加权排放因子看，各机场数值较小，均在1kg以下，最小的是惠州平潭机场和澳门机场0.12kg，最大的是香港机场0.20kg.区内均值为0.15kg，与技术指南的差异较大，偏差率为72.3%.
表3湾区内机场和技术指南排放因子(kg)
Table 3 Emission factors for airports and technology guidelines in the Bay Area (kg)
研究对象NO x(kg)偏差率(%)CO(kg)偏差率(%)HC(kg)偏差率(%)SO2(kg)偏差率(%)PM*(kg)偏差率(%)
广州白云19.82 21.7 10.15 11.0 0.93 65.1 1.61 - 0.17 68.0 深圳宝安16.84 3.4 9.24 1.1 0.82 69.4 1.38 - 0.15 72.0 珠海金湾12.88 20.9 5.45 40.3 0.56 79.2 1.02 - 0.13 75.5 惠州平潭15.55 4.6 5.15 43.7 0.50 81.4 1.12 - 0.12 76.9 佛山沙堤13.45 17.5 4.55 50.2 0.43 83.9 1.08 - 0.14 73.4 香港29.91 83.6 15.78 72.7 1.41 47.5 2.14 - 0.20 63.2 澳门14.60 10.4 9.88 8.1 0.86 67.8 1.25 - 0.12 77.2 湾区内均值17.58 7.9 8.60 5.9 0.79 70.6 1.37 - 0.15 72.3 技术指南16.29  9.14  2.68  - 0.54  注: “-”：无对比数据; “*”：由于飞机排放PM大多为纳米级，因此将PM与指南PM2.5排放因子数据进行对比[22].
总的来看，各机场加权排放因子差异主要来源于实际运行时间的修正以及各个机场不同的机型占比.NO x和CO排放因子与技术指南的相比差异较小，偏差率均在8.0%以内;HC和PM排放因子与技术指南的相比差异较大，偏差率均大于70.0%.由此可知，技术指南中排放因子更适宜于NO x和CO排放计算.
2.3污染物排放清单
一起来逛御花园
2018~2019航季年粤港澳大湾区飞机LTO大气污染物排放清单，如表4所示.其中,NO x是区内机场飞机LTO活动的主要污染物，排放总量达15327.4t.CO、SO2的排放量略低，分别为8066.7和1186.1t.,HC、PM排放量相对较少，分别为728.4和121.9t.其中香港、广州白云、深圳宝安机场是粤港澳大湾区的主要排放机场.
2.3.1  时间分布  2018~2019航季年粤港澳大湾区飞机LTO大气污染物排放月分布，见图2.NO x作为排放量最大的污染物，变化幅度较大，年内各月排放量在1107.1~1511.2t之间变化，月均值为1289.1t.呈现出夏秋季较高、冬春季较低情况，最大值出现在7月，与夏秋季NO x排放因子较高有关.年内CO排放量变化趋势略小，在644.9~704.1t之间变化，月均排放量为672.2t，低值集中在2、6、9月，考虑与区内LTO活动规律有关.HC、SO2和PM等污染物，月均排放量分别为60.7,98.8,10.2t，年内各月的排放量变化幅度较小.
表4  2018~2019航季年粤港澳大湾区飞机 LTO 循环大气
污染物排放清单(t)
Table 4 Air pollutant emission inventory from aircraft LTO cycles in the Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area during the 2018~2019 shipping season (t)
机场NO x CO HC SO2PM
香港6358.83354.6299.3454.742.2
广州白云4641.8 2376.9 218.8 378.1 40.5 深圳宝安3049.3 1672.8 148.5 249.9 27.4 珠海金湾544.4 230.5 23.5 42.9    5.6 澳门 546.2 369.6 32.3 46.7 4.6 惠州平潭149.5 49.5 4.8 10.8 1.2 佛山沙堤37.5
12.7 1.2 3.0 0.4 合计 15327.48066.7 728.4 1186.1 121.9 2.3.2  空间分布区内排放清单的空间分布情况见图3.同时将各机场飞机LTO飞行中主发动机不

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