京沪航线航空公司碳排放差异及效率比较研究_韩瑞玲.pdf

书书书第 48 卷第 2 期2023 年 2 月环境科学与管理ENVIONMENTAL SCIENCE AND MANAGEMENTVol.48 No.2Feb 2023收稿日期:2023 02 09基金项目:国家自然科学基金(No 42071266);河北省自然科学基金(No D2021205003);第三批河北省青年拔尖人才项目作者简介:韩瑞玲(1984 )，女，博士，教授，研究方向:区域可持续发展。通信作者:李宗哲文章编号:1674 6139(2023)02 0033 05京沪航线航空公司碳排放差异及效率比较研究韩瑞玲1，李宗哲2，李玲玲2，郭晓阳2(1 河北师范大学 家政学院，河北 石家庄 050024;2 河北师范大学 地理科学学院，河北 石家庄 050024)摘要:以京沪航线 8 家执飞的航空公司为研究对象，使用航班实际运行数据，利用航空器碳排放基准评估模型，对航班平均碳排放量与旅客人均碳排放量进行了总量与不同飞行阶段的评估;使用 DEA SBM 模型，比较了航空公司平均航班碳排放效率差异。结果表明:京沪航线 8 家航空公司航班平均碳排放量主要与航空公司使用航空器的机型有关，航空公司航班旅客人均碳排放量则主要受到航空公司航班平均碳排放量及航班客座率的影响;京沪航线上，中国南方航空集团有限公司、中国厦门航空有限公司的平均航班碳排放效率最高。关键词:京沪航线;航空公司;碳排放;碳排放效率中图分类号:X22文献标志码:AComparative Study onCarbon Emission Differenceand Efficiency of Airlines for Beijing Shanghai routeHan uiling1，Li Zongzhe2，Li Lingling2，Guo Xiaoyang2(1 College of Home Economics，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China;2 College of Geographical Sciences，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，China)Abstract:Eight airlines flying from Beijing to Shanghai were used as the target of this study Using the actual flight operationdata，the average carbon emissions of flights and carbon emissions per passenger were evaluated in total and at different flight stagesusing the aircraft carbon emission benchmark assessment model Using the DEA SBM model，the differences in the average flightcarbon emission efficiency of airlines were compared The results show that the average carbon emissions of the flights of the eightairlines on the Beijing Shanghai route are mainly related to the type of aircraft used by the airlines，while the carbon emissions perpassenger of the airline flights are mainly influenced by the average carbon emissions of the airline flights and the seat rate of theflights On Beijing Shanghai route，China Southern Airlines Group Co and China Xiamen Airlines Co have the highest averageflight carbon emission efficiencyKey words:Beijing shanghai route;airlines;carbon emissions;carbon emission efficiency前言航空业已成为世界十大温室气体排放行业之一，也被列为中国八大重点污染排放行业之一。2019 年，全球航空碳排放量已占到交通运输业碳排放总量的 10%，占全球碳排放总量的 2 1%1。航空公司的航空器飞行过程中的航油消耗占航空业总能耗的 97 52%，航油燃烧产生的 CO2占航空业总排放量的 79%，降低区域环境空气质量，增加温室效应，加剧全球气候变暖2。航空公司进行民航运输活动的首要条件是拥有航线的执飞许可，航线规定了航空器飞行的方向、起讫点和经停点。京沪航线是中国航空运输业运量最大的航线，也是各航空33第 48 卷第 2 期2023 年 2 月韩瑞玲等京沪航线航空公司碳排放差异及效率比较研究Vol.48 No.2Feb 2023公司争相开辟的航线，2000 年 2019 年航空器飞行班次由 1 76 104架增至 3 92 104架，其占中国民航运输总量的年均比例为 1.08%;旅客运输量由265 68 104人次增至 824 62 104人次，占中国航空运输总量的年均比例为 2 56%，高运输量导致了该航线航空碳排放量节节攀升。因此，研究以航空公司为主体，研究了京沪航线执飞航空公司航班平均碳排放差异与旅客人均碳排放差异;并结合 SBM模型分析了不同航空公司的碳排放效率。文章对中国航空运输市场中典型航线的航空公司执飞过程中碳排放、碳排放效率进行判定，有助于引导航空公司积极实现绿色高效发展3，为促进航空运输业加速实现“3060”双碳目标提供理论研究基础。1研究方法与数据来源1 1研究方法1 1 1航空器碳排放基准评估模型航空器碳排放基准评估模型是 ICAO 为更精确地评估航空器的实际排放于 2007 年制定的计算模型 4 根据航空器飞行过程(LTO 和巡航)，以及据航空器机型认证数据库与飞行操作数据库具体计算航空器一次完整飞行的 CO2总排放量(E)。公式如(1):Ej=(TIMjk60)FFjkEIjkNEj(1)式中，Ej表示 j 机型航空器一次飞行产生的 CO2总排放量，TIMjk表示 j 机型航空器在不同飞行过程k(k=滑行、起飞、爬升、进近、巡航)状态下所用的时间(mins);FFjk表示 j 机型航空器在 k 状态下每个发动机的燃油流量(kgs1);EIjk表示 j 机型航空器每个发动机在 k 状态下排放物 CO2的排放指数(3 6kgkg1);NEj表示j 机型航空器搭载的发动机数量(个)。1 1 2航班飞行平均成本模型航空公司航班运行成本分为 2 部分:固定成本与变动成本5。由于航空公司在不同航线、航季的商业策略和市场环境不同，相同机型的航空器也会产生成本和收益上的差异6，因此具体研究中将固定成本视为常数，主要选取变动成本中的燃油成本、时间成本和排放成本对京沪航线航班运行平均成本进行研究。公式如(2):C=(CFi+CTi+CEi+CC)m=(PFTiFfi+PTTi+PEEMI+CC)m(2)式中，C 表示航空公司的航班平均运行成本(元)，CFi为航空公司第 i 次航班的燃油成本(元)，CTi为航空公司第i次航班的时间成本(元)，CEi为航空公司第 i 次航班的 CO2排放成本(元)，CC为航空公司航班运行固定成本(元);PF为燃油价格(元kg1)，Ti表示航空公司第 i 次航班所使用的飞行时间(s)，Ffi为航空公司第 i 次航班所使用航空器的燃油流量(kgs1)，PT为单位时间成本(元s1)，PE为 CO2的排放价格(元kg1)，EMI 为 CO2排放量(kg)。1 1 3超效率 SBM 模型文章采用由 Tone 提出的非径向且基于松弛变量的超效率 DEA 模型(Slacks Based Measure，SBM)，其直接将松弛变量加入目标函数，计算结果可以在实际利润最大化基础上展现效益比例结构优化7，以区分不同 DMU 的效率并评价非期望产出下的生产部门效率。通过 SBM 模型可以测算出生产部门的规模效率和纯技术效率，综合两者可得到综合技术效率8，即为航空公司航班的碳排放效率。为方便比较不同航空公司的航班碳排放水平，将其分为 4 个等级，若某家航空公司的碳排放效率为 1，则表示该公司在京沪航线 8 家航空公司中为最高水平、0.9，1)为较高水平、0.6，0.9)为中等水平、0，0.5 为较低水平。模型假设有 n 个 DMU，每个DMU 由投入 m、期望产出 r1和非期望产出 r2共3 个部分构成。研究中 DMU 为京沪航线的航空公司，m43第 48 卷第 2 期2023 年 2 月韩瑞玲等京沪航线航空公司碳排放差异及效率比较研究Vol.48 No.2Feb 2023为航空公司航班运行的燃油成本、时间成本，r1为航空公司航班收入(元)(主要为票价收入，一次飞行的航班收入为航班实际搭乘人数与机票价格的乘积)，r2为航空公司 CO2排放量(kg)。具体公式如(3)(4):phi*=min1mmi=1?xx()ik1r1+r2r1s=1ydydsk+r2q=1yuyuq()k(3)s t?x nj，kxijj(i=1，2，m)ydnj=1，kydsjj(s=1，2，r1)yunj=1，kyuqj(q=1，2，r2)j0(j=1，2，n)?x xik(j=1，2，m)yd yesk(s=1，2，r1)yu yuq(u=1，2，r2)(4)式中，phi*表示该模型评估DMU的碳排放效率均值;x、yds和 yuq分别为投入、期望产出和非期望产出;向量?x、yd和 yu分别为投入松弛量、期望的产出松弛量和非期望产出的松弛量。1 2数据来源研究使用数据为统计数据，笔者统计了 2021 年10 月1 日京沪航线8 家航空公司总计120 次航班飞行过程的完整数据，共计6 899条。选取 10 月 1 日的数据进行研究，是因为当日各个机场旅客运输量大，旅客出行需求旺盛，航空公司间竞争激烈，能表现不同航空公司在该航线上的航班运营水平。航班及航空公司、执航空器型、实际搭乘人数、机龄、飞行里程、LTO 循环数等数据来源非常准确，具体 LTO、巡航阶段划分及其时间数据来源于 flightrader24APP，其中航空器一次完整飞行过程要经历起飞前与降落后的 2 次滑行，为方便数据计算将 2 次滑行时间合并，统称为滑行阶段;各机型发动机各阶段燃油消耗率和 CO2排放指数数据来源于 ICAO 发动机排放数据库;航空器机票价格数据来源于携程网。2京沪航线航空公司碳排放量分析2 1航空公司航班平均碳排放量及旅客人均碳排放量航班平均碳排放量差异与航空公司使用航空器的机型有关，航空公司之间差别较大。京沪航线 8家航空公司航班平均碳排放量按从高到低排列依次为:东方航空、海南航空、中国国航、联合航空、南方航空、吉祥航空、厦门航空、上海航空(如图 1 所示)，东方航空航班平均碳排放量与上海航空相差1 24 倍，机型决定了航空器燃油流量，产生的航空碳排放量也明显不同。2021 年 10 月 1 日京沪航线全天航班中，东方航空共执飞 47 次，其中 35 次航班(占比 74 47%)由波音 777 300E、空客 330 343E、空客 350 941、空客 330 243E 共 4 类大型航空器完成，仅 12 次航班由空客 321 211、空客321 231 共 2 类中型航空器执飞完成，大型航空器飞行过程中各阶段油耗是中型航空器的 2 倍以上;与之对应的是，上海航空在京沪航线上仅使用波音737 800 单一中型民用航空器，因此航班平均碳排放量也较小。南方航空作为中国三大航空公司之一，在京沪航线上航班平均碳排放量方面表现较好，主要因为多数航班由空客 321 211 中型航空器完成，在旅客流量较大的时段则使用空客 321 253N大型航空器以保证运输量。航空公司旅客人均碳排放量主要受到航空公司航班平均碳排放量及航班客座率的影响。京沪航线8 家航空公司按旅客人均碳排放量由高到低依次为:中国国航、东方航空、上海航空、联合航空、海南航空、吉祥航空、厦门航空、南方航空(如图 1 所示)。航空公司航班平均客座率越高说明航空公司的综合管理水平、运营效率与服务质量越高，因此提高航班平均客座率不仅有利于航空公司提高盈利53第 48 卷第 2 期2023 年 2 月韩瑞玲等京沪航线航空公司碳排放差异及效率比较研究Vol.48 No.2Feb 2023率，同时有助于降低航班平均碳排放量。图 1航班平均及旅客人均碳排放量2 2不同飞行阶段航空公司航班平均碳排放量巡航阶段航空公司航班平均碳排放量最高(如图 2 所示)，滑行阶段次之，进近、起飞、爬升阶段的航空公司航班平均碳排放量较低。具体看:图 2不同飞行阶段航班平均碳排放量巡航阶段航班平均碳排放量的均值为35 000kg，在所有飞行阶段中最高，占当日航班总排放量的9224%，主要与该阶段飞行时间长有关系。京沪航线航空器平均飞行时间约 120 mins，巡航阶段所需时间约 90 mins。滑行阶段 8 家航空公司航空碳排放量均值为1 200 kg，占当日航班总排放量的3.09%，滑行时间长增加了航空公司平均碳排放量，滑行时长是决定因素。爬升阶段是航空器飞行过程中航空公司平均碳排放量最低的阶段，平均产生了420 kg CO2，约占当日航班总排放量的 1.08%，主要受机型影响较大。虽然爬升阶段航空器的发动机燃油流量较大(仅低于起飞阶段)，但绝大多数航班的航空器起飞阶段用时不超过 60 s。起飞阶段各航空公司的航班平均碳排放量略高于爬升阶段，碳排放量均值为 650 kg，占当日航班排放总量的 1 55%，主要受机型影响。起飞阶段运行时间与爬升阶段非常接近，但由于航空器发动机在起飞阶段燃油流量更高，提高了航空公司航班平均碳排放量。进近阶段航空平均碳排放量约为 770 kg，占当日航班总排放量的 2.03%，8 家航空公司航班平均碳排放量之间差别较大，主要受飞行时长、机型和运行数量的综合影响。进近阶段是航空器下降的过程，此时航空器需调整飞行高度、对准跑道，避开地面障碍物，因此天气状况和时刻资源直接影响到航空器进近阶段的运行时间，进而影响了该阶段的航班平均碳排放量。因天气状况属于不可控因素而不予探讨。通过分析 2021 年 10 月 1 日京沪航线上 4 个机场航班离港进港时间与进近阶段运行时间，发现 19:00 之前出发的航班进近阶段平均运行时间较 19:00 之后出发的航班少用 32 s(当日的日落时间为 17:59)，主要因为能见度降低增加了进近飞行时长。2 3不同飞行阶段航空公司旅客人均碳排放量分析巡航阶段旅客人均碳排放量最高(如图 3 及图4 所示)，爬升阶段最低。不同飞行阶段的旅客人均碳排放量为各阶段航班平均碳排放量与航空器搭载人数的比值，因此主要受到各阶段航班平均碳排放量与航班客座率 2 个因素影响。具体看，航班平均碳排放量高，实际搭乘旅客人数少，则旅客人均碳排放相对较高。滑行阶段旅客人均碳排放量较高，航空公司排放均值为 7 5 kg，其中特别分析海南航空，其京沪航线上航班滑行阶段航班平均碳排放量最高，但由于其航班客座率较高，使得其旅客人均碳排放量低于东方航空、中国国航与吉祥航空。爬升阶段旅客人均碳排放量最低，为 2 5 kg。且各航空公司之间的旅客人均碳排放量差异也较小。中国国航最高(3.75 kg)，厦门航空最低(1 43 kg)，两者仅相差63第 48 卷第 2 期2023 年 2 月韩瑞玲等京沪航线航空公司碳排放差异及效率比较研究Vol.48 No.2Feb 20232.32 kg。起飞阶段旅客人均碳排放量差别不大，人均碳排放量约为 5 kg。进近阶段人均碳排放量约为5 kg。巡航阶段旅客人均碳排放量远高于其他飞行阶段，约为220 kg，中国国航与东方航空均由于航班客座率不足导致人均碳排放量较大，巡航阶段旅客人均碳排放量均高于300 kg;上海航空与联合航空同样因为客座率问题，在巡航阶段旅客人均碳排放位于 200，300 kg 之间;其他航班客座率高的 4 家航空公司巡航阶段旅客人均碳排放量均低于180 kg。图 3不同飞行阶段旅客人均碳排放量图 4航空公司航班碳排放效率3京沪航线航空公司航班碳排放效率分析利用 python 中的 gurobipy 模块作为实现京沪航线航空公司航班碳排放效率的测算工具。结果发现:(1)航班碳排放效率水平最高的航空公司有南方航空、厦门航空，其效率值为 1。主要因为 2 家航空公司各项成本投入均处于最低水平，且航班平均碳排放量低，航班平均收入较高。航班碳排放效率水平较高的是吉祥航空，效率值为 0.91。吉祥航空的各项成本投入及非期望产出与南方航空极为接近，但航班平均收入与南方航空具有较大差距，而碳排放量又高于厦门航空，使得其碳排放效率低于南方航空与厦门航空。(2)航班碳排放效率中等水平的有海南航空、上海航空、联合航空，其效率值分别为 0.71、0.66、0.62。其中海南航空虽然为京沪航线上航班平均收入最高的航空公司，但由于燃油、时间、排放成本高加之较高的航班平均碳排放量，使得航班碳排放效率处于中等水平;上海航空是航班平均碳排放量最低的航空公司，其各项成本投入也很低，但由于航班平均收入处于最低水平，使得上海航空的航班平均碳排放效率处于中等水平;联合航空的各项投入与产出水平均处于中等水平，其生产方式是中等碳排放效率水平公司的典型模式。(3)航班碳排放效率处于较低水平的有东方航空与中国国航，其效率值分别为 0.41、0.48。2 家大型航空公司的航班平均收入分别位列第二位、第三位，但 2 家航空公司的成本投入与非期望产出都居于最高水平，而航班收入却远低于海南航空，因此 2 家航空公司碳排放效率最低。4结论文章研究发现航班平均碳排放量在不同航空公司间差别较大。京沪航线 8 家航空公司航班平均碳排放量主要与航空公司使用航空器的机型有关，航空公司旅客人均碳排放量则主要受到航空公司航班平均碳排放量及航班客座率的影响。不同飞行阶段航空碳排放量存在明显差异。巡航阶段航空公司平均碳排放量最高，滑行阶段次之，主要受飞行时长影响;进近、起飞、爬升阶段的航空公司平均碳排放量较低，主要受机型影响。旅客人均碳排放量主要受到各阶段航班平均碳排放量与航班客座率 2 个因素影响，巡航阶段旅客人均碳排放量最高，爬升阶段最低。航班碳排放效率方面，收入高、碳排放量更低的航空公司表现更为亮眼。(下转第 70 页)73第 48 卷第 2 期2023 年 2 月许婧等水环境中新污染物研究进展Vol.48 No.2Feb 20234 4结语结语国内外研究者对于水环境中新污染物还处于初级的研究阶段，未来的方向是减轻国内外研究者对于水环境中新污染物还处于初级的研究阶段，未来的方向是减轻、预防和控制新污染物，这是当前需要认识到的重点之一预防和控制新污染物，这是当前需要认识到的重点之一。首先要从源头管控，相关部门应制定统一规定检测和排放废水，或者出台相关政策提倡使用对环境友好类产品，从源头控制新污染物的污染首先要从源头管控，相关部门应制定统一规定检测和排放废水，或者出台相关政策提倡使用对环境友好类产品，从源头控制新污染物的污染。其次增加水环境的监测，以保证掌握水质现状以及变化趋势其次增加水环境的监测，以保证掌握水质现状以及变化趋势。对于水体中出现的污染物超标情况应及时排查处理对于水体中出现的污染物超标情况应及时排查处理。另外要提高工艺的处理效率，当前去除新污染物技术需要进一步研究，开发一种具有良好工作条件的生态友好型综合废水处理系统另外要提高工艺的处理效率，当前去除新污染物技术需要进一步研究，开发一种具有良好工作条件的生态友好型综合废水处理系统。该技术可以提高过滤效率，具有良好的新污染物去除效果，并可显著降低整体处理成本该技术可以提高过滤效率，具有良好的新污染物去除效果，并可显著降低整体处理成本。参考文献:参考文献:1 1KHAN SKHAN S，ANJUM ANJUM，BILAL M evealing chemicalspeciation behaviors in aqueous solutions for uraniumBILAL M evealing chemicalspeciation behaviors in aqueous solutions for uranium(VIVI)andeuropiumandeuropium(IIIIII)adsorption on zeoliteadsorption on zeolite J J Environmental Tech-nology Innovation Environmental Tech-nology Innovation，20212021，2222 2 2 农工党中央 农工党中央 建议国家尽快出台新污染物治理行动方案建议国家尽快出台新污染物治理行动方案 J J 前进论坛，前进论坛，20212021(4 4):):6060 3 3ZHAO QZHAO Q，ZHAO XZHAO X，CAO J Advanced Nanomaterialsfor Degrading Persistent Organic PollutantsCAO J Advanced Nanomaterialsfor Degrading Persistent Organic Pollutants M M AdvancedNanomaterials for Pollutant Sensing and Environmental Catalysis2020AdvancedNanomaterials for Pollutant Sensing and Environmental Catalysis2020:249 305249 305 4 4 乔宇，闫振飞，冯承莲，等 乔宇，闫振飞，冯承莲，等 基于文献计量学的环境内分泌干扰物研究热点分析基于文献计量学的环境内分泌干扰物研究热点分析J J 环境科学研究，环境科学研究，20222022，3535(2 2):):1111 5 5 王依琳，张蕊，张强英，等 王依琳，张蕊，张强英，等 污水中抗生素的分布，来源及去除研究进展污水中抗生素的分布，来源及去除研究进展 J J 再生资源与循环经济，再生资源与循环经济，20222022，1515(3 3):):6 6 6 6 AHMED AHMED，HAMID A KHAMID A K，KEBSBACH S AKEBSBACH S A，et alCritical review of microplastics removal from the environmentet alCritical review of microplastics removal from the environment J J ChemosphereChemosphere，20222022，293293:133557133557 7 7 李瑞，李宁，梁澜，等 李瑞，李宁，梁澜，等 水环境中微塑料去除技术的研究进展水环境中微塑料去除技术的研究进展 J J 水处理技术，水处理技术，20222022，4848(2 2):):6 6 8 8 黄伟杰，刘学智，唐红亮，等 黄伟杰，刘学智，唐红亮，等 水环境中持久性有机污染物污染现状及处理技术简析水环境中持久性有机污染物污染现状及处理技术简析J J 广东化工，广东化工，20212021，4848(2020):):3 3 9 9 许锴，刘康乐，彭思伟，等 许锴，刘康乐，彭思伟，等 水中内分泌干扰物(水中内分泌干扰物(EDCsEDCs)去除技术研究进展)去除技术研究进展 J J 应用化工，应用化工，20202020，4949(5 5):):5 5 1010 王金鑫，刘振中，江文，等 王金鑫，刘振中，江文，等 淡水环境中微塑料及其污染物去除淡水环境中微塑料及其污染物去除 J J 山西建筑，山西建筑，20212021，4747(1 1):):3 3(上接第(上接第 3737 页)页)参考文献:参考文献:1 1 王俊文，任平阳 王俊文，任平阳 欧盟积极推进交通领域减排欧盟积极推进交通领域减排 J J 生态经济，生态经济，20212021，3737(3 3):):1 41 4 2 2 李玲玲，韩瑞玲，张晓燕 李玲玲，韩瑞玲，张晓燕 中国航空碳排放及其效率时空演化特征分析中国航空碳排放及其效率时空演化特征分析 J J 生态学报，生态学报，20222022，4242(1010):):3919 39323919 3932 3 3 张思敏，李琪 张思敏，李琪 碳排放交易体系下航空公司应对策略碳排放交易体系下航空公司应对策略 J J 物流技术，物流技术，20212021，4040(1212):):30 3930 39 4 4 严宇，熊静，陈聪聪，等 严宇，熊静，陈聪聪，等 基于跑道容量的航班恢复优化调度基于跑道容量的航班恢复优化调度 J J 物流科技，物流科技，20222022，4545(2 2):):99 10299 102 5 5 郑宇婷，赵碧玲 郑宇婷，赵碧玲 亚太地区航空公司能源效率与环境效率研究亚太地区航空公司能源效率与环境效率研究 J J 武汉理工大学学报:信息与管理工程版，武汉理工大学学报:信息与管理工程版，20202020，4242(5 5):):446 452446 452 6 6 史家财，汪腾，徐海文 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