航空业非CO2气候效应研究揭示高减排情景下全球变暖仍将持续加剧

国际民航组织（ICAO）虽提出雄心勃勃的航空碳减排目标，但未量化其气候效应及非CO2排放的影响。本研究通过CICERO-SCM气候模型，首次系统评估ICAO长期情景下航空业CO2与非CO2排放（NOx、SO2、H2O、黑碳等）对全球气温变化的综合贡献。结果表明：即使最激进的减排情景（2040年全面淘汰化石航油），航空致暖效应仍将在2070年翻倍，非CO2效应占比达70%-80%。研究强调必须将非CO2减排纳入航空气候政策，为实现《巴黎协定》目标提供关键科学依据。

　　

随着全球航空业的快速发展，其已成为温室气体排放的重要来源。国际民航组织（ICAO）为响应《巴黎协定》提出了雄心勃勃的CO₂减排目标，包括年度燃油效率提升2%和从2020年起实现国际航空碳中性增长（CNG2020）。然而，航空业对气候的影响不仅来自CO₂排放，还包括非CO₂效应，如尾迹卷云（contrail-cirrus）、氮氧化物（NO_x）、水汽（H₂O）以及气溶胶与辐射的相互作用等。这些非CO₂效应虽持续时间较短，但对气候的增温贡献可能更大，且目前尚未被ICAO的目标所涵盖。更复杂的是，替代燃料（如可持续航空燃料SAF和液氢LH₂）的使用虽可减少CO₂排放，却可能改变非CO₂效应的强度和特性，从而对气候产生不确定的影响。因此，量化航空业在ICAO减排情景下对全球气温变化的综合贡献，对于制定有效的航空气候政策至关重要。

为回答上述问题，Borgar Aamaas、Marianne T. Lund等研究人员在《One Earth》上发表了题为“Continued global warming from aviation even under high-ambition mitigation scenarios”的研究论文。该研究利用CICERO-SCM简化气候模型，首次对ICAO提出的四种综合情景（IS0至IS3）下航空业的生命周期CO₂和非CO₂排放（NO_x、SO₂、H₂O、黑碳BC）的气候效应进行了系统评估。通过对比有/无航空排放的情景，量化了其对全球平均地表温度（GMST）变化的贡献，并深入探讨了非CO₂效应、替代燃料的不确定性以及背景排放情景对结果的影响。

本研究主要采用了以下几种关键方法：1）使用CICERO-SCM简化气候模型进行全球气温变化模拟；2）基于ICAO提供的长期情景数据，计算生命周期调整（采用CORSIA方法）和尾管（tailpipe）CO₂排放，并依据文献中的排放指数（Emission Indices, EIs）推导非CO₂污染物（NO_x、SO_x、nvPM/BC、H₂O）的排放时间序列；3）引入了一个新的参数化方案，量化航空NO_x效应对背景（陆地）NO_x排放的依赖性；4）针对替代燃料（SAF和LH₂）对尾迹卷云辐射强迫（ERF）的潜在影响，设置了调整因子（AF）并进行敏感性分析；5）利用蒙特卡洛模拟量化ERF不确定性对温度结果的传播。

集成情景与航空排放

研究人员分析了ICAO的四种情景（IS0-IS3）下的燃料使用和排放轨迹。IS0为冻结技术基线情景，IS1代表当前技术预期，IS2为中期目标情景，IS3是最激进的减排情景，计划在2040年完全淘汰传统化石航油（JetA），并大规模采用SAF和LH₂。即使在中位（MID）交通增长预测下，航空燃料需求仍从2020年的142百万吨大幅增长至2070年的约900百万吨。相应的，生命周期调整的CO₂排放量在IS0情景下急剧上升，而在IS3情景下显著下降。值得注意的是，采用生命周期视角而非尾管视角至关重要，因为替代燃料（如SAF）的上游生产过程可能产生CO₂排放，忽略这些会导致对其气候影响的低估。同时，替代燃料的引入也改变了非CO₂污染物的排放特征，例如SAF和LH₂的燃烧显著降低了黑碳（BC）和硫氧化物（SO_x）的排放。

航空致暖效应进一步增加

模型模拟结果表明，在所有情景下，航空业对全球气温的贡献（ΔGMST）在整个研究期内持续增加。2019年，航空导致的升温约为0.04°C。即使在最激进的IS3减排情景下，预计到2070年，航空导致的升温也将达到0.10°C（范围0.07°C-0.15°C），这比当前水平增加了一倍以上。与基线IS0情景（0.18°C）相比，强减排措施可使2070年的升温降低45%，但残余的CO₂和非CO₂效应意味着航空业的变暖影响仍在持续加剧。研究结果对替代燃料影响尾迹卷云的假设高度敏感。若假设SAF和LH₂能大幅减少尾迹卷云效应（低AF），IS3情景下2070年的升温可低至0.06°C；反之，若其效应接近甚至超过传统航油（高AF），升温可能高达0.13°C。不同交通增长情景（LOW, MID, HIGH）也会调制升温幅度，但趋势一致。

航空在总变暖中的份额增加

2019年，航空贡献了约4.3%的总人为变暖。到2070年，即使在最乐观的IS3情景下，这一份额也仅略微下降至4.6%（在SSP2-4.5背景情景下）。这意味着，尽管航空业努力减排，其相对气候影响依然显著。背景社会经济路径（SSPs）的选择会影响航空贡献的绝对值和相对份额。在高排放背景（如SSP3-7.0）下，航空的绝对升温更高；在低排放背景（如SSP1-1.9）下，其相对贡献更大。

ICAO情景下非CO₂效应的持续作用

对升温贡献的分解显示，非CO₂效应在2019年占总升温的69%。到2070年，其在IS1和IS3情景中的贡献分别升至71%和78%。尾迹卷云是最大的单一贡献者，其次是残余的CO₂和NO_x效应。在IS3情景中，由于燃料转换，SO₂排放带来的冷却效应减弱甚至消失。非CO₂效应相对重要性增加的原因是：燃料转换减少了CO₂排放，但持续增长的交通量意味着尾迹卷云、H₂O和NO_x等效应并未被消除。

对背景排放的敏感性

背景排放情景，特别是陆地NO_x排放的变化，显著影响航空NO_x效应的估算。本研究采用了一个新的参数化方案，认为航空NO_x的净辐射强迫（RF）会随着背景NO_x排放的减少而减弱。结果表明，在高背景NO_x排放情景（SSP3-7.0）下，航空NO_x导致的升温是SSP2-4.5下的两倍；而在极低背景NO_x排放情景（SSP1-1.9）下，航空NO_x的净气候效应在2070年可能变为微弱的负值（冷却）。

讨论

本研究将ICAO情景与文献中近120个其他航空排放情景进行了比较，发现其大致处于同类情景的范围之内，但作为积极的政策情景，其优势在于基于最新的交通预测以及详细的燃料和排放因子信息。本研究结果与已有的历史时期航空致暖估计值一致，但对未来的预测处于同类研究的高端，这主要是由于ICAO IS0基线情景的排放轨迹较高，以及本研究对非CO₂效应（特别是尾迹卷云）的处理更为详细。

研究强调了几个关键的不确定性领域。首先是尾迹卷云从替代燃料的形成和气候效应存在巨大科学不确定性，这直接影响了最激进减排路径的气候效益评估。其次是航空NO_x效应对背景状态的依赖性，目前的参数化仅基于单一研究，需要更多模型验证，尤其是在非常清洁的背景条件下。此外，气溶胶-云相互作用（ACI）被排除在主分析之外，但敏感性分析表明，若航空气溶胶（BC和硫酸盐）确实产生强烈的负辐射强迫（冷却），那么淘汰化石燃料、消除这种冷却效应，反而可能导致额外的变暖，这凸显了其潜在重要性。最后，排放的地理分布和时间变化也可能通过影响辐射强迫效率来影响结果，但这需要更复杂的大气模型进行探讨。

综上所述，本研究结果表明，尽管通过转向替代燃料以及提高运营效率和技术发展可以减缓航空引起的全球气温上升，但即使在最雄心勃勃的ICAO减排情景下，由于残余的CO₂排放和持续的非CO₂强迫，航空引起的变暖仍在继续增加。确切的幅度取决于潜在的交通增长，尤其是高度不确定的非CO₂效应相关假设。因此，制定有效的政策和减排战略，以减少航空引起的变暖，在很大程度上依赖于缩小关于传统化石燃料和替代燃料燃烧产生的尾迹卷云的形成和气候效应以及航空NO_x排放效应的科学不确定性。这可能需要持续的研究努力和新颖的战略，如实验性治理框架。本研究强调，未来的政策必须考虑将非CO₂影响减排措施与CO₂减排相结合，同时减少生命周期中的化石燃料使用，才能真正实现航空业的去碳化，并与《巴黎协定》的目标保持一致。