航迹云模型和SAF燃料共同减缓航空温室效应|温室效应_新浪财经

航迹云使全球变暖作用机制。

基于AI的谷歌航迹云地图。

全球航空业ERF主要组成部分及变化趋势。王美廷　梁长虓　　11月11~22日，第29届联合国气候变化大会（COP29）在阿塞拜疆首都巴库举办。期间，来自由比尔·盖茨2015年投资成立的气候初创公司“突破能源”的Reviate工作组（致力于研究飞行尾迹）和剑桥大学AIA（航空冲击加速器，Aviation Impact Accelerator，简称AIA）联合主办了关于飞机航迹云的会议活动，这是联合国气候大会上首次出现的专门针对航迹云的会议。由于航空器产生的航迹云比二氧化碳排放导致了更多的净温室效应，近年来愈发吸引国际研究组织的关注。航迹云现象与温室效应　　传统喷气燃料的芳烃成分是飞机发动机内的重要密封剂，有助于防止燃料泄漏，但芳烃不充分燃烧释放出的尾气烟尘微粒会在8~12千米高空停留数小时。在这个高度的对流层顶端，存在一些湿度接近饱和且气温极低的冰超饱和区域（ISSR，Ice Supersaturated Regions），成为了烟尘产生航迹云的集中高发区。ISSR宽至数百千米，但其厚度一般不超过1千米。当烟尘颗粒被排放至ISSR中时，会迅速催化周围的水蒸气凝结，并形成持续的云雾状冰晶，即航迹云。在白天，航迹云将部分阳光的短波辐射向上反射回高空并产生轻微降温效果，同时将来自地表的长波热辐射反射回地面并产生升温效果。航迹云在对流层与平流层的交界处增强辐射力，并将热量困在大气中，产生温室效应。一般来说，在夜晚或冬季等缺少日照的时间段，航迹云产生的净温室效应更加显著。　　目前，航空界减少航迹云对气候变暖影响的方式有很多种，解决方案包括使用可持续航空燃料（SAF）和利用人工智能仿真平台进行航路规避。多个研究实体已证实SAF燃料在飞机飞行过程中产生的航迹云更少。此外，通过软件和人工智能监测及预测的地图模型也成了近年新出现的减缓航迹云方法，目前有多种数字资源正进行航迹云仿真，可供航空公司参照并调整航线。100% SAF有效抑制航迹云的产生　　SAF燃料是航空领域实现净零排放的重要手段，也是目前多个航空业巨头重要的研发和技术验证方向。至今，多个典型商用飞机型号完成了100% SAF燃料的飞行验证，不同比例混合的SAF燃料同时开始逐步替代传统航煤。此外，采用SAF燃料不仅可以有效减少直接碳排放，还可以减少烟尘排放从而进一步削减航迹云的形成、降低其温室效应。SAF使用SPK、合成芳烃煤油（SAK）等替代了传统航煤中的芳烃成分，既能起到密封作用，又能产生更少的烟尘颗粒、形成极少的冰晶。今年3月，普惠公司的V2500发动机通过了验证，可以在100% HEFA-SPK燃料条件下良好运行，燃料组成中的SPK是由不含芳香环的碳氢化合物组成的石蜡，多种这样的合成成分已作为Jet A-1中芳烃的合格替代品。　　2024年，空客、罗罗、德宇航、耐斯特等公司和机构合作开展的ECLIF3围绕100% SAF对航迹云的影响进行了研究。结果显示，在宽体机上采用100%SAF可以减少多达56%的航迹云，该试验通过了空客A350平台验证。　　替代燃料的排放和气候影响（ECLIF）系列飞行活动从2015年开始，第一阶段（ECLIF1）确定了合成燃料的排放特征，第二阶段（ECLIF2）在2018年证实了50%的SAF燃料对飞机尾迹的形成具有减缓作用。　　今年6月，ECLIF3飞行实验采用由2台XWB-84发动机提供动力的空客A350客机，应用的SAF为HEFA-SPK燃料。在测量阶段，空客A350在10千米高空南北向飞行，2台发动机依次燃烧Jet A-1和HEFA-SPK燃料，评估产生的废气、挥发性和非挥发性气溶胶微粒以及尾迹冰晶。通过捕捉2种燃料燃烧的凝结尾迹数据，量化使用SAF燃料对发动机排放烟尘颗粒的减少量和抑制航迹云的效果。结果显示，使用100%SAF时烟尘颗粒数减少了35%，燃烧同等质量燃料形成的冰晶尾迹为使用传统航煤的56%。　　除空客以外，波音也在SAF的航迹云影响方面进行不断研究与飞行试验。近一年来，波音正在与NASA和其他组织合作利用ecoDemonstrator的737-10飞机对100%SAF燃料与传统航煤的非二氧化碳排放特性进行研究。该飞机装配了独立的SAF和航煤油箱，可在空中切换燃油并由紧随其后的NASA DC-8飞机对尾气和尾迹进行探测。利用AI预测模型进行航迹控制有效减少航迹云　　研究表明，航迹云的温室效应是一个高度集中的问题。虽然所有航班都会产生碳排放，但加剧温室效应的航迹云仅集中在少数航班的部分航线阶段。目前全球只有不到四分之一的航班会产生持续的航迹云，2019年，80%航空航迹云产生的温室效应来自仅3%的航班。因此，只对经过容易产生航迹云的ISSR的这一小部分航班航线进行适当调控，便可以极大程度上缓解航迹云的热效应，同时避免大规模航线调整对航空运营产生负面影响。目前，得益于新技术融合的产物，对于ISSR的检测和预报已经具备了充分的资源。　　近年来，由于大数据/人工智能等新兴数字技术逐渐成熟并渗透至诸多行业，应用这些先进算力资源也成为减缓航迹云温室效应的一大途径。目前，先进的图像识别算法能够利用卫星图像信息大规模、快速且精准地识别大部分飞机产生的航迹云及其时空分布数据。这些大数据结合现有的气候大模型和航班航线信息成为了监测和预测航迹云高发区的重要途径。通过现有飞行航线计划软件集成的航迹云地图仿真模型能够帮助航空业运营者预测天气、优化航线，避开 ISSR并减少航迹云，从而降低其温室效应。这些新技术资源的成熟促使多个公司开始开发用于减缓航迹云的航班航线规划软件。利用仿真软件规划和调整经过ISSR航线的高度，如进行部分微小的高度爬升和下降，就可避免大部分航迹云的生成。这种尝试在近5年产生了很多成功的实验成果。　　2023年，谷歌与美国航空合作开展基于AI模型的航迹云规避验证试验。谷歌用AI模型结合大量的卫星图、气象和飞行路径数据，开发了美国本土的航迹云预测地图，提供给美国的航空公司并辅助规避ISSR。除了检测航迹云以外，谷歌的模型能够监视地表热辐射（OLR）和反射太阳辐射（RSR），以便于未来计算区域航迹云产生的净增温和降温效果。谷歌通过与美国的航司合作的飞行试验，发现通过略微调整航班航线可以实现54%的航迹云减缓。　　据统计，这些经过航线调整的航班也同时产生了约2%的额外燃油消耗，意味着这种途径仍需要燃料成本和碳排放代价。不过，这2%的额外燃油仅相对于经过航线调整的这一小部分航班，而平均在整个机队规模来看，这些增加的燃油需求其实远低于这一比例。根据突破能源的航迹云团队研究，整个机队仅需增加约0.11%的燃油消耗和0.08%的成本就能降低超过70%的航迹云温室效应。减少的航迹云温室效应和额外燃油产生的温室效应相比，比例高达数十甚至百倍，这一方案无疑能够有效且快捷地降低航空对全球变暖的影响。　　英国SATAVIA公司近年来开发了DecisionX软件作为航迹云动态预测平台，辅助调节航班航线以规避大多数ISSR。2023年以来，SATAVIA已与12个航空公司合作，进行了为期10个月的试验，通过调节65个航班航线实现规避动作。　　此外，“突破能源”（Breakthrough Energy）公司的核心团队创建了Reviate工作组，多年来致力于研究航迹云的温室效应影响及其解决方案。该工作组希望通过航迹云动态地图模型等先进技术快速将航迹云的研究成果形成可行的气候解决方案。Reviate在COP29气候峰会上公布并介绍了其开发的航迹云检测地图。这个动态地图显示航班航线和航线产生的航迹云，可以动态追踪ISSR。值得注意的是，Reviate的航迹云监视平台可以区分对大气环境有温室或寒室效应的两种航迹云，在地图中分别显示为橙色和蓝色。以全年周期、全球范围来看，航迹云对大气温度的总升温作用显著高于降温作用。因此，这些通过大数据和AI软件模拟和监视航迹云高发区域的技术方案有望辅助航空业快速降低对环境的温室效应。成本考虑及未来启示　　现阶段，航迹云温室效应的量化主要依据ERF（Effective Radiative Forcing,有效辐射力）概念，其单位是兆瓦/平方米。根据相关模型估算，以2018年为基准的航空业单年温室效应ERF为100.9兆瓦/平方米，其中航迹云产生的ERF高达57.4兆瓦/平方米，超过总量的一半；而与之相对的，二氧化碳排放产生的ERF则为34兆瓦/平方米，仅占总量的三分之一。可见航迹云对环境的温室效应十分显著，且仍快速增长。利用仿真模拟来预测天气，将实时追踪等AI模型大规模应用于现有的航空运营体系，将会是未来十年内减排要求下航司和空管系统优化航线的重要乃至必要的工具。　　然而，微调航线产生不可避免的额外燃料消耗仍需业界关注。将100% SAF投入飞机运行可以确保为减少航迹云的额外燃油消耗时不增加直接碳排放。考虑到多种飞机已具备在空中切换燃料类型的能力（如经过验证的波音737-10和空客A350等），可以在航迹云低发时间段和区域采用Jet A-1来节约成本，并在高发时段和区域调整航线同时切换成较为昂贵的SAF燃料，以经济性地最大程度减少温室效应。　　目前，利用软件仿真进行航线调整的成本已有初步估计方案，例如计算航班票价的平均涨幅或折算成每减少tCO2eq温室效应需要投入的成本。相关机构评估了纽约至巴黎的航程，发现每张机票价格仅需上涨3.9欧元便能实现明显减排效果。而经过突破能源的研究，平均1美元/tCO2 e就可以在20年时间维度上减少73%的航迹云。　　此外，鉴于相关AI模型愈发成熟，航班还可以通过在特定时段的ISSR内产生降温航迹云，抵消更多温室效应。需要指出的是，若要商业化应用这些更新颖的技术手段，就需要更翔实的经济学理论模型和管理体系的支撑，以及利益相关方的深度合作。未来，航迹云的温室效应不仅需要类似碳排放领域的量化标准（如折算成CO2eq），也需要纳入碳税体系并折算成货币成本（如美元/tCO2e）。这样，航空公司将更容易认可将航迹云纳入减排方案的经济性，航空业也能更明确地将多种减缓航迹云和减少碳排放措施融入航班运营体系，形成更全面的应对气候变化的解决方案。