DOI: https://doi.org/10.5194/acp-24-725-2024
تاريخ النشر: 2024-01-18
المؤلف: Roger Teoh وآخرون
الموضوع الرئيسي: تصميم الطائرات المتقدمة والتقنيات
نظرة عامة
تقدم ورقة البحث جرد انبعاثات الطيران العالمية استنادًا إلى ADS-B (GAIA)، تم تطويره باستخدام مسارات الطيران التاريخية من نظام المراقبة المستندة إلى الاعتماد التلقائي (ADS-B) وبيانات الطقس المعاد تحليلها للسنوات 2019-2021. تكشف الدراسة أنه في عام 2019، استهلكت حوالي 40.2 مليون رحلة 283 Tg من الوقود، مما أدى إلى انبعاثات قدرها 893 Tg من CO₂، و4.49 Tg من NOₓ، وكميات كبيرة من المواد الجسيمية غير المتطايرة (nvPM). كان تأثير COVID-19 على الطيران ملحوظًا، مع انخفاضات في مسافة الرحلات والانبعاثات بنسبة 43%، 48%، و50% في عام 2020، و31%، 41%، و43% في عام 2021 مقارنة بمستويات عام 2019. تسلط التحليل الضوء على أن الرحلات القصيرة (أقل من 3 ساعات) شكلت 83% من جميع الرحلات لكنها كانت مسؤولة فقط عن 35% من انبعاثات CO₂، بينما مثلت الرحلات الطويلة (أكثر من 6 ساعات) 5% من الرحلات لكنها ساهمت بشكل غير متناسب في الانبعاثات.
تلتقط GAIA ما مجموعه 103.7 مليون رحلة فريدة على مدار السنوات الثلاث، مع تشغيل 75.2% بواسطة طائرات نفاثة. يشير الجرد إلى أن 92% من استهلاك الوقود حدث في نصف الكرة الشمالي، حيث كانت الولايات المتحدة وأوروبا وشرق آسيا مسؤولة عن 47% من استهلاك الوقود العالمي وانبعاثات CO₂ في عام 2019. كما تلاحظ الدراسة زيادة في متوسط الكفاءة الجانبية من 5.2% في عام 2019 إلى 5.6% في عامي 2020 و2021، والتي تعزى إلى نسبة أعلى من الرحلات القصيرة خلال هذه السنوات. تشير النتائج إلى أن GAIA توفر تمثيلًا أكثر دقة لانبعاثات الطيران مقارنة بالجردات الحالية، مما يمكّن الأبحاث المستقبلية من تقييم آثار انبعاثات الطيران على المناخ، وخاصة الملوثات غير CO₂.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير الاقتصادي الكبير للطيران، حيث يساهم بحوالي 3.5 تريليون دولار أمريكي، أو 4.1% من الناتج المحلي الإجمالي العالمي في عام 2018. على الرغم من الانخفاض الحاد في كيلومترات الركاب العالمية (RPKs) بنسبة 66% في عام 2020 بسبب COVID-19، تشير التوقعات إلى العودة إلى مستويات ما قبل الجائحة بحلول عام 2023، مع استمرار النمو بنسبة 4% سنويًا حتى عام 2040. ومع ذلك، يواجه قطاع الطيران أيضًا تحديات بيئية، حيث يساهم بحوالي 2.4% من انبعاثات غازات الدفيئة الناتجة عن الأنشطة البشرية، وخاصة CO₂، وغيرها من التأثيرات المناخية غير CO₂ مثل أكاسيد النيتروجين (NOₓ) والمواد الجسيمية، التي تفاقم من تغير المناخ ومشاكل جودة الهواء.
تناقش الورقة المنهجيات المستخدمة لتقدير انبعاثات الطيران، مميزةً بين الأساليب “من الأعلى إلى الأسفل” المعتمدة على استهلاك وقود الطائرات العالمية والأساليب “من الأسفل إلى الأعلى” التي تعتمد على بيانات الرحلات الفردية. تشير إلى أن التقديرات من الأسفل إلى الأعلى غالبًا ما تقلل من إجمالي استهلاك الوقود بنسبة 10%-20% بسبب عوامل مختلفة، بما في ذلك البيانات غير المكتملة حول العمليات العسكرية والعامة للطيران. كما تؤكد المقدمة على الانتقال إلى أنظمة المراقبة المستندة إلى الاعتماد التلقائي (ADS-B)، التي تعزز قدرات التتبع وتعالج القيود في الجردات الحالية للانبعاثات. تهدف الأبحاث إلى محاكاة استهلاك الوقود والانبعاثات من الرحلات الفردية باستخدام بيانات ADS-B عالية الدقة وبيانات الطقس المعاد تحليلها، مما ينتج عنه جرد تفصيلي لانبعاثات الطيران العالمية للفترة 2019-2021، وتقييم آثار COVID-19، وتحليل عدم كفاءة التوجيه. يهدف هذا الجرد إلى دعم نماذج الصحة والمناخ في تقييم آثار النشاط العالمي للطيران.
الطرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، لضمان إمكانية تكرار التجارب. كما يصف قسم الطرق البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
تُبرز المنهجيات الرئيسية، مثل إعداد التجربة، تدابير التحكم، وأي تقنيات لقياس البيانات أو الملاحظة. هذا القسم حاسم لفهم صحة النتائج ويسمح بتقييم نقدي للنهج البحثي. بشكل عام، يوفر نظرة شاملة على المنهجيات التي تدعم استنتاجات الدراسة.
النتائج
في قسم النتائج، يقدم المؤلفون أولاً نظرة عامة على نشاط حركة الطيران السنوي والانبعاثات لعام 2019، مما يثبت أنه خط الأساس لظروف الحركة الطبيعية. يتم تفصيل ذلك في القسم 3.1. بعد ذلك، يقوم القسم 3.2 بت quantifying آثار جائحة COVID-19 على الطيران، مبرزًا التغييرات الكبيرة في أنماط الحركة والانبعاثات.
تقدم الجدول 3 ملخصًا شاملاً لنشاط حركة الطيران العالمية، واستهلاك الوقود، والانبعاثات من 2019 إلى 2021، مما يسمح بإجراء تحليل مقارن مع الدراسات الحالية في القسم 3.3. بالإضافة إلى ذلك، يتناول القسم 3.4 إحصائيات دقيقة من الرحلات الفردية، مقدماً تقييمًا مفصلاً للاختلافات في مقاييس الطيران خلال الفترة المحددة.
المناقشة
تقدم الدراسة جرد انبعاثات الطيران العالمية استنادًا إلى ADS-B (GAIA) للسنوات 2019-2021، مدمجةً بيانات متعددة لتعزيز دقة تقديرات انبعاثات الطيران. تشمل مجموعات البيانات الرئيسية مجموعة بيانات نشاط الطائرات العالمية من Spire Aviation، وقاعدة بيانات الأسطول من Cirium، ونماذج أداء الطائرات (BADA4 وBADA3)، وبيانات انبعاثات محركات الطائرات من ICAO، وبيانات الطقس التاريخية من ECMWF. خضعت مجموعة بيانات ADS-B، التي تشمل 103.7 مليون مسار رحلة فريدة، لعملية تنظيف بيانات صارمة لضمان سلامة سجلات الرحلات، مما أسفر عن جرد شامل يلتقط 75.2% من الرحلات بواسطة الطائرات النفاثة.
تستخدم الدراسة نماذج BADA لتقدير كتلة الطائرات واستهلاك الوقود، بينما يتم حساب الانبعاثات باستخدام بيانات محددة للمحركات من ICAO EDB. تشير النتائج إلى أن الطيران العالمي انبعث منه حوالي 893 Tg من CO₂ في عام 2019، مع اختلافات إقليمية كبيرة في استهلاك الوقود وملفات الانبعاثات. من الجدير بالذكر أن الجرد يبرز تأثير COVID-19، الذي أدى إلى انخفاض كبير في حركة الطيران والانبعاثات، حيث انخفض استهلاك الوقود السنوي بنسبة 48% في عام 2020 مقارنة بمستويات عام 2019. يعد جرد GAIA أداة حاسمة لفهم التأثير البيئي للطيران ويمكن استخدامه في نماذج المناخ المختلفة لتقييم انبعاثات الطيران بدقة أكبر.
DOI: https://doi.org/10.5194/acp-24-725-2024
Publication Date: 2024-01-18
Author(s): Roger Teoh et al.
Primary Topic: Advanced Aircraft Design and Technologies
Overview
The research paper presents the Global Aviation emissions Inventory based on ADS-B (GAIA), developed using historical flight trajectories from Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) telemetry and reanalysis weather data for the years 2019-2021. The study reveals that in 2019, approximately 40.2 million flights consumed 283 Tg of fuel, resulting in emissions of 893 Tg of CO₂, 4.49 Tg of NOₓ, and significant amounts of non-volatile particulate matter (nvPM). The impact of COVID-19 on aviation was notable, with reductions in flight distance and emissions of 43%, 48%, and 50% in 2020, and 31%, 41%, and 43% in 2021 compared to 2019 levels. The analysis highlights that short-haul flights (under 3 hours) constituted 83% of all flights but only accounted for 35% of CO₂ emissions, while long-haul flights (over 6 hours) represented 5% of flights but contributed disproportionately to emissions.
GAIA captures a total of 103.7 million unique flights over the three years, with 75.2% operated by jet aircraft. The inventory indicates that 92% of fuel consumption occurred in the Northern Hemisphere, with the United States, Europe, and East Asia responsible for 47% of global fuel consumption and CO₂ emissions in 2019. The study also notes an increase in mean lateral inefficiency from 5.2% in 2019 to 5.6% in 2020 and 2021, attributed to a higher proportion of short-haul flights during these years. The findings suggest that GAIA provides a more accurate representation of aviation emissions compared to existing inventories, enabling future research to assess the climate impacts of aviation emissions, particularly non-CO₂ pollutants.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant economic impact of aviation, contributing approximately USD 3.5 trillion, or 4.1% of the global GDP in 2018. Despite a drastic reduction in global revenue passenger kilometers (RPKs) by 66% in 2020 due to COVID-19, forecasts indicate a return to pre-pandemic levels by 2023, with continued growth at 4% per annum until 2040. However, the aviation sector also poses environmental challenges, notably contributing around 2.4% of anthropogenic greenhouse gas emissions, primarily CO₂, and other non-CO₂ climate impacts such as nitrogen oxides (NOₓ) and particulate matter, which exacerbate climate change and air quality issues.
The paper discusses the methodologies for estimating aviation emissions, contrasting “top-down” approaches based on global jet fuel consumption with “bottom-up” methods that rely on individual flight data. It notes that bottom-up estimates often underestimate total fuel consumption by 10%-20% due to various factors, including incomplete data on military and general aviation operations. The introduction also emphasizes the transition to Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) systems, which enhance tracking capabilities and address limitations in existing emissions inventories. The research aims to simulate fuel consumption and emissions from individual flights using high-resolution ADS-B data and reanalysis weather data, ultimately producing a detailed global aviation emissions inventory for 2019-2021, assessing the impacts of COVID-19, and analyzing routing inefficiencies. This inventory is intended to support health and climate models in evaluating the effects of global aviation activity.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, equipment, and biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methods section also describes the protocols followed for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Key methodologies are highlighted, such as the experimental setup, control measures, and any techniques for data measurement or observation. This section is crucial for understanding the validity of the findings and allows for critical assessment of the research approach. Overall, it provides a comprehensive overview of the methodologies that underpin the study’s conclusions.
Results
In the Results section, the authors first provide an overview of annual air traffic activity and emissions for the year 2019, establishing it as a baseline for normal traffic conditions. This is detailed in Section 3.1. Following this, Section 3.2 quantifies the impacts of the COVID-19 pandemic on aviation, highlighting significant changes in traffic patterns and emissions.
Table 3 presents a comprehensive summary of global air traffic activity, fuel consumption, and emissions from 2019 to 2021, allowing for a comparative analysis with existing studies in Section 3.3. Additionally, Section 3.4 delves into granular statistics from individual flights, offering a detailed evaluation of the variations in aviation metrics during the specified period.
Discussion
The research presents the Global Aviation Emissions Inventory based on ADS-B (GAIA) for the years 2019-2021, integrating multiple datasets to enhance the accuracy of aviation emissions estimates. Key datasets include a global ADS-B aircraft activity dataset from Spire Aviation, a fleet database from Cirium, aircraft performance models (BADA4 and BADA3), the ICAO Aircraft Engine Emissions Databank, and historical weather data from ECMWF. The ADS-B dataset, encompassing 103.7 million unique flight trajectories, underwent a rigorous data-cleaning process to ensure the integrity of flight records, resulting in a comprehensive inventory that captures 75.2% of flights by jet aircraft.
The study employs BADA models to estimate aircraft mass and fuel consumption, while emissions are calculated using engine-specific data from the ICAO EDB. The findings indicate that global aviation emitted approximately 893 Tg of CO₂ in 2019, with significant regional variations in fuel consumption and emissions profiles. Notably, the inventory highlights the impact of COVID-19, which led to a substantial reduction in air traffic and emissions, with annual fuel consumption dropping by 48% in 2020 compared to 2019 levels. The GAIA inventory serves as a critical tool for understanding aviation’s environmental impact and can be utilized in various climate models to assess aviation emissions more accurately.