本项目源于国家自然科学基金民航联合基金重点项目“多源数据与模型驱动的机场大气污染排放精准评估关键技术研究”（No. U2133206），起止时间2022.1-2025.12。本项目工作概括如下：
（一）项目背景
机场大气污染是国际民航组织长期关注的航空业主要环境问题之一，目前已逐渐成为我国环境问题的焦点。截至2019年底我国拥有机场238个，年旅客吞吐量1000万人次以上机场已达39个。《国家综合立体交通网规划纲要》中提出，到2035年我国民用机场将达400个。在机场数量、规模不断扩大的形势下，飞机起降飞行及机场地面活动排放的大气污染物，对城市生态环境和人体健康影响日益突出，亟待进行科学管控。然而，飞机发动机污染排放的复杂性导致精准定量困难，飞机特有的四维运行特点和空地通信技术限制了环境影响评估的实时性，且我国尚无飞机排放与机场大气污染的监测技术，难以支撑机场大气环境治理。
（二）研究内容及进展
任务一，机场大气污染在线立体监测技术体系。研究明确了飞机发动机典型工况的划分阈值与参数特征指标，研发了适配飞机发动机排放特性的监测技术方案，包括发动机台架监测、机场跑道遥感监测和真机在翼试车监测，建立了覆盖样品采集、预处理、分析测试、数据校准全流程的QA/QC方法。通过开展监测实验，获取了多工况下目标污染物的排放特征及排放因子，研究揭示了排放特征的影响因素及机制，研究了多种类型在线监测仪器在机场环境中的适用性，筛选适配机场环境的最优仪器组合方案，综合考虑机场地形地貌、气象条件、污染源排放强度等多因素，构建了基于固定点位和移动走航式相结合的机场大气污染监测技术，并在示范机场开展监测实验。
图1 机场立体监测技术体系
任务二，机场动态排放清单编制技术。基于飞机发动机台架、机场跑道遥感及在翼试车测试，构建了民机发动机基准排放因子数据库。基于飞机机载数据，利用斯皮尔曼系数、归一化互信息和极致梯度提升树三种方法识别发动机燃油流量的影响因子。通过改进传统深度学习方法仅考虑燃油流量时间变化的局限性，充分利用航空器空间位置信息，构造能表征燃油流量时间变化和空间变化特征的燃油流量拟合模型，并探索飞行航迹与飞机性能参数之间的非线性关系，建立“航迹-性能”参数匹配模型。同时，基于ADS-B数据集的四维飞行航迹，引入燃油流量的时空特征，利用机器学习模型构建燃油流量计算模型，并耦合污染物排放计算方法，最终建立飞机实时动态排放表征方法。
图2 基于飞行航迹的动态排放表征技术
任务三，机场空气质量评价与预报技术。研究了示范机场大气污染特征与时空变化规律，揭示了机场飞机活动对PM粒径分布与组分含量的影响。将用于模拟固定点源的非稳态拉格朗日烟团模型系统（CALPUFF）进行修正，建立飞机排放烟羽动态模拟技术，通过对飞机连续的飞行轨迹进行离散化，将离散后的多个空间点逼近飞机完整飞行过程的轨迹，用于近似表征连续的飞机飞行轨迹，通过创建不均匀排放的点源排放文件，实现飞机排放烟羽的动态仿真模拟。利用改进后的CALPUFF模拟系统，结合任务二构建的动态精细化飞机污染物排放清单，对飞机排放烟羽的扩散与演化过程进行动态仿真模拟，探究飞机排放污染物的影响尺度及贡献。研究设置了多组时间和空间敏感性试验，模拟不同时空分辨率对污染物扩散结果的影响，并确定适宜飞机排放环境影响评估的模型配置。
图3 基于小尺度数值模型的飞机排放环境影响评估技术
任务四，典型机场技术示范与绿色运行优化设计。选取青岛胶东国际机场和天津滨海国际机场进行技术示范，基于ADS-B数据建立机场高分辨率排放清单，利用改进后的CALPUFF模型模拟了不同时段机场飞机源排放的NOx、SO2和PM2.5的地面浓度分布特征，包括常态和非常态两种情况。在此基础上，对飞机在机场场面的运行过程进行分析，以飞机滑行时间最短为优化目标，提出机场运行优化策略并定量评估减排潜力。
图4 青岛胶东国际机场示范—四维秒级排放清单
图5 青岛胶东国际机场示范—精细化环境影响评估
图6 青岛胶东国际机场示范—减排策略及潜力评估
（三）研究成果
项目构建了一套机场大气污染评估技术体系，融合机场立体监测、飞机动态排放清单、空气质量评价预报等关键技术，为机场大气环境治理提供完整解决方案。
项目建立了“全球-洲际-国家-区域-机场”多尺度航空排放数据库，包含2012年至今全球民航任意航班、飞行阶段、机场、航路、区域、时间范围NOx、PM、SO2、CO、HC、CO2等多种污染组分排放量、加权排放因子、航油消耗量等数据要素，数据达2.9亿条。
实施期间，研究发表学术论文15篇，其中SCI一区收录6篇；申请国家发明专利3项，获授权1项；登记软件著作权1项、数据知识产权1项；培养研究生15名。
图7 主要成果展示
