空管视域下民航碳排放研究现状及前景分析

□ 民航华东地区空管局 王艺霖/ 文

当前，旅客出行需求和信心快速提升，民航业整体呈现全面复苏局面。根据国际机场理事会（ACI）对于空中交通流量的最新预测，民航业将在2024 年恢复至 2019 年同期水平，到2041年，全球机场运输航空货物将接近2 亿吨，而美国和中国仍将是最大的两个市场，共占全球货运总量的40%。而在客运方面，预计到2041 年全球机场的飞机起降将达到1.538 亿架次，美国、中国和印度将成为飞机起降最为繁忙的市场，分别占全球起降总量的23%、16%和4%，客运量排名前十的国家详见表1。

表1：2021 年和2041 年（预测）民航客运量排名前十的国家

随着民航运输量恢复并快速增长，由此带来的环境问题日益严峻。据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的统计，民用航空运输产生的碳排放量约占人类活动碳排放总量的3%，并以年均4%～5%的速度增长，已成为增速最快的温室气体排放领域之一。

民航运输碳排放主要来自化石燃料燃烧，其中航空燃油燃烧产生二氧化碳占据民航碳排放的95%以上。因此，控制民航运输碳排放的关键在于提高能源利用效率，从而降低单位产出碳排放强度。目前，实现该目标的举措主要有三种：一种是提升航空器节油性能，包括制造更环保的发动机、改进气动外形等；一种是使用生物燃油替代传统航空燃料；还有一种是改进并优化空中交通运行状况。

具体到我国民航业的碳减排工作，对于上述三种方案，笔者认为，相比前两种方案，第三种方案在可操作性、碳减排潜力方面更有优势，具体原因在于：第一，改进并优化空中交通运行状况有助于提高民航航班运行效率，与我国民航“十四五”规划契合；第二，通过技术和管理手段来达到改进和优化空中交通运行状况，相比于上述两种方案更加灵活、实施成本更低、可操作性更高；第三，据相关研究统计，仅2021 年，我国共有28.97 万架次航班通过航路优化、空域调整的方式节省燃油消耗6.65 万吨，减少二氧化碳排放约20.95 万吨。根据欧洲航空安全组织（EUROCONTROL）测算，改进并优化空中交通运行可节省8.6%～11.2%的碳排放/架次，最大碳排放降低可达1863kg/架次，主要节能减排措施的碳排放减少率如图1 所示。民航空中交通管理部门负责维护和促进空中交通安全，保障航班流的安全高效运行。该部门是空中交通运输体系的重要组成部分。因此，改进并优化空中交通运行状况的研究需要依托民航空管部门开展。

图1：五种主流措施的碳排放减少率对比

基于文献的民航碳排放研究现状分析

目前，民航领域碳排放的研究主要集中在三方面：即民航运输碳排放测算；民航运输碳排放绩效评估；民航运输碳排放减排路径及政策研究。

（一）民航运输碳排放测算

对于民航运输碳排放的测算的研究主要集中在测算民航运输能源消耗量、二氧化碳排放量、二氧化碳排放强度以及动态演化特征等方面。IPCC是推进碳减排研究和实践的国际权威机构。该组织提出了碳排放量测算范式与框架，发布了温室气体排放源的指导性清单和计算方法。民航运输领域的许多碳排放测算方法基于IPCC 提供的清单。He 利用IPCC 提供的计算方法测算了1996 至2009 年之间的年度碳排放量、碳排放强度等指标，并得出了中国民航运输碳排放强度呈下降趋势且降幅趋缓的结论。该学者采用的定量计算方法为后续研究提供了理论依据。Fan 等根据全国航班时刻表、国际民航组织（ICAO）发动机排放数据库颗粒物基准排放指数和飞机/发动机组合信息，测算了2010 年度国内航班燃油消耗量和二氧化碳排放量。与Fan采用的方法不同，曹惠玲等人选用波音燃油流量法2（BFFM2）进行测算，他们基于北京首都机场运行数据和航空器机载飞行数据，计算了飞机主发动机碳排放量，并分析了北京首都机场航班碳排放特征。Quadros 等则提出了一种新的测算方法，该方法综合使用了航空器ADS-B 数据、BADA 飞机性能模型（Base of Aircraft Data 3.15 aircraft performance model）和国际民航组织的航空器发动机排放数据库（ICAO Aircraft Engine Emissions Databank），为验证测算方案的有效性，Quadros 评估了2017 ～2020 年全球飞机运营的燃油消耗和二氧化碳、水、NOx 等排放情况以及航班平均排放量随时间的演变。从上述研究中可以发现，数据质量和选用的测算方法是建立测算模型的两个关键问题。

（二）民航运输碳排放绩效评价

安全和高效是民航运输的核心要义。因此，围绕飞行安全和经济高效的民航绩效评价一直是较热门的研究方向。近年来，许多学者采取定量方法研究民航碳排放绩效评价，其中较为主流的研究方法是基于非参数的数据包络分析法（DEA）。Lee 等认为在衡量民航部门绩效时，除了要考虑期望产出，还要考虑生产经营过程中的非期望产出（二氧化碳排放）。基于此观点，Lee 等人运用Malmquist-Luenberger 生产率指数评价了35 家航空公司的绩效。魏中许则综合采用了Malmquist-Luenberger 生产率指数和SBM 模型，对我国航空公司碳排放效率进行了针对性研究。Cui 等提出了一个动态环境DEA 模型并测算了欧盟排放权交易制（EU-ETS）对于大型航空公司的影响程度；Seufert 等将二氧化碳排放纳入计量范围从而提出Luenberger-Hicks-Moorsteen 生产率指数，选取并测算了多家航空公司的运行效率。文军等在传统的网络DEA 中加入合作博弈，并利用Shapley 值分配效率收益，对我国部分航空企业碳排放效率进行了实证分析。具体到空管部门的研究，刘子昂等构建了一个市场化碳排放约束下的航班飞行成本模型，并发现该约束将导致空中交通流量管理系统总延误增大，周转能力降低。

（三）民航运输碳减排路径

现有的关于民航运输碳减排路径的研究主要为碳排放交易体系的构建。具有代表性的是Grote 等所作的研究，该研究认为民航碳减排路径包括两类：法律法规和技术革新。法律法规包含设定减排目标、通过ICAO 设立普适性减排计划、制定民航减排标准等。技术革新则包含使用清洁能源、优化民航运输管理部门运行等。Andreas W 等认为，在实际运行过程中，采取哪种碳减排手段还应考虑碳减排的经济成本，基于此观点，该学者选取了20 种碳减排手段，基于美国民航窄体客机的运行数据，分析了各种二氧化碳减排手段的成本效益。结果发现，在油价介于50 ～100 美元/桶的假设前提下，采取机型更新、空中交通管制技术革新等综合手段可使平均二氧化碳排放强度降低约2%，从而使边际成本接近为零。若提高可持续燃油使用率，虽然可能更大幅度减排，但将会带来额外的成本。杨绪彪等研究了基于市场措施的碳减排方案，提出短期应实施抵消措施，中期有歧视性的分阶段的实施排放权交易计划，最后建立全球单一基于市场的措施方案即全球性排放权交易计划。

（四）空中交通运行改进与优化

除了以上三方面，具体到民航空管领域，许多学者还从空中交通运行改进和优化的目标出发进行了研究。

在排除极端天气、军方活动等非正常因素干扰的前提下，民航飞行的进、离场（以下简称“进离场”）航段最容易发生拥堵，进而引发航班延误、备降等。可以说，进离场航段是限制空中交通运行效率、造成航班延误的关键环节。近年来，众多学者研究了进离场航段空中交通优化问题。从优化目标的角度分析，早期的进离场空中交通优化主要目标是减少航班延误。相比而言，将碳减排作为优化目标的研究目前处于发展期，何修奇等以环境运营成本和时间成本总和最小为目标函数，构建了绿色轨迹优化模型，利用该模型选择航空器巡航高度和巡航速度可获得较小的环境运营成本和时间成本总和。李超等在考虑枢纽航线网络的运输成本目标和二氧化碳排放目标的基础上建立了枢纽航线网络绿色优化模型。

基于技术及运行层面的空管碳减排研究前景分析

通过对现有文献的回顾与总结，可以发现关于民航运输领域碳排放的研究已取得较为丰硕的成果，但在该课题下的细分研究领域仍存在需要深究的问题，笔者认为具体包含以下四点：

（一）设计更为精准的民航运输碳排放测算方法

通过对碳排放数据的测算及预测，更有针对性地制定碳减排的行动方案，对促进空管行业高质量发展具有重要意义。如何在动态模型下考察空管碳排放的影响因子，以及科学的预测未来碳排放的基本趋势，这些问题都需进一步探讨。

（二）建立空管部门碳排放绩效评估模型

有效的碳绩效评价体系不仅能系统地评价空管碳绩效水平，还能增强空管核心竞争力，有助于更好地实现其战略目标。目前对于民航的碳排放绩效评估对象主要为各航空公司，由于各个航空公司掌握的飞行数据分散且不完整，故以此为依据建立的碳排放绩效评估模型并不能真实反映民航的整体碳排放情况。空管部门可依托自身的数据优势，运用定量方法（如基于非参数的数据包络分析法、成本函数法、基于计量的回归分析方法等）开展碳排放绩效评价研究，有利于构建一个更贴合我国民航实际的碳排放绩效评估模型。

（三）开展空管新技术环境效益评估研究

目前，广播式自动相关监视（ADS-B），基于平视显示器（HUD）的运行、基于性能导航（PBN）等新技术的广泛应用显著提升了民航运行效率和质量。作为空管部门，有必要评估各项技术改进对民航节能减排的贡献度，对于新技术实施前后的碳排放绩效水平，识别新技术的碳减排潜力大小。

（四）碳减排目标下的民航空中交通优化方法研究和实证分析

经过上述研究，空中交通碳排放体系的优化机理将得以明确。在此基础上，构建低碳目标下的空中交通技术路线选择和决策的组合优化数学模型，针对我国各地区空中交通体系现状进行量化研究，包括该地区空中交通体系碳排放量实证测算和碳减排目标下该地区空中交通体系优化。以满足该地区空中交通碳排放量最低化等条件作为约束，在考虑该地区空域结构和限制因素的基础上获得最优的空中交通运行方案，从而为政策实施提供数据支持。总之，在理论层面进行分析和探讨的同时，运用案例分析法可以更好地对理论研究进行验证。通过对比碳减排路径实施前后的碳排放量，可以验证相关理论的实用性和可操作性。

总结与建议

空管部门是实施民航碳减排的主要参与者和重要贡献者。本文从空管视角出发，梳理了国内外在该领域的研究现状，并从空管技术和运行层面提出了下一步的潜在研究方向。

以碳减排为代表的“零碳理念”必将对人的行为方式和社会产业发展产生深远影响。总体来看，当前对于空管碳减排的研究尚处于“全面摸排”阶段，需要学界联合产业界从目标设立、精准核算、动态监测和绩效评估等多方面进行研究。同时，对于空管碳减排的研究需要以多维度的实践推动，并在实践过程中进一步深化碳减排研究。

从空管碳减排实践角度，笔者建议：一是树立碳减排理念，使空管部门从业者对碳排放及其对国民生活水平和经济发展等诸多方面的影响有全面的认识，从而在生产生活、工作决策时将节能减排纳入考核体系。例如，空管部门可将碳减排纳入运行管理的衡量标准，采取改善建筑隔热、安装可再生能源系统、监测加热、通风和冷却系统的效率，购买低排放或零排放车辆等节能措施；二是行业管理部门可从提升碳排放统计监测能力入手，构建空管行业碳排放监测平台，加强碳排放统计核算能力，提升信息化实测水平；三是厘清空管碳排放监督职责的归属，完善空管碳排放从监测到监督的管理过程。