邢　輝,段樹林,黃連忠,劉勤安 (大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧 大連 116026)

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基于AIS數(shù)據(jù)的渤海灣地區(qū)海運(yùn)排放測(cè)算

邢輝,段樹林?,黃連忠,劉勤安 (大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧 大連 116026)

摘要：將船舶活動(dòng)狀態(tài)分為港口鄰近區(qū)域的機(jī)動(dòng)操縱工況和停泊工況以及海上航路的定速巡航工況;采用基于船舶活動(dòng)的方法,建立了區(qū)域性海運(yùn)排放測(cè)算模型.根據(jù)中國(guó)船級(jí)社船舶數(shù)據(jù)庫(kù),確定了不同類型船舶主、副機(jī)標(biāo)定功率和設(shè)計(jì)航速與船舶總噸之間的關(guān)系;通過對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AIS)船舶流量軌跡圖的統(tǒng)計(jì)分析,得到了2014年渤海灣地區(qū)船舶流量數(shù)據(jù);基于所確定的模型參數(shù),計(jì)算得到了渤海灣地區(qū)海運(yùn)排放清單.結(jié)果表明,2014年渤海灣地區(qū)海運(yùn)N Ox、CO、HC、C O2、SO2和PM排放量分別為173808、14436、6144、7208919、120748 和15292t;貨船、危險(xiǎn)品船和客船對(duì)海運(yùn)排放的貢獻(xiàn)占比分別約為73%、21%和6%;海上航路定速巡航工況對(duì)海運(yùn)排放的貢獻(xiàn)占比約為90%;其中,成山頭至老鐵山水道和老鐵山水道至渤海中部航路排放之和約占海上航路排放的50%;天津港和大連港分別約占港口鄰近區(qū)域排放的30%和20%.基于AIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的自下而上方法對(duì)區(qū)域性海運(yùn)排放的測(cè)算具有可操作性.

關(guān)鍵詞：廢氣排放；海運(yùn)船舶；AIS；渤海灣地區(qū)；基于船舶活動(dòng)的方法

*責(zé)任作者, 教授, oliverduan@163.com

隨著海運(yùn)貿(mào)易的發(fā)展和普通民眾對(duì)公共健康的關(guān)注,近年來海運(yùn)排放對(duì)區(qū)域性大氣排放的貢獻(xiàn)越來越受到人們的重視[1].國(guó)際海事組織、歐盟、美國(guó)、澳大利亞等一些全球性、區(qū)域性或地區(qū)性的排放標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)也陸續(xù)更新或出臺(tái).為了更準(zhǔn)確的進(jìn)行排放清單測(cè)算,海運(yùn)排放測(cè)算的方法和模型也在不斷完善.早期主要是基于船舶燃油消耗的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算的.例如,一些研究者[2-8]使用船舶燃油消耗量和基于燃油消耗的質(zhì)量排放量因子,進(jìn)行了區(qū)域或全球范圍內(nèi)的海運(yùn)排放測(cè)算.基于燃油消耗的方法后來被認(rèn)為不準(zhǔn)確[9],而基于船舶活動(dòng)的方法在區(qū)域性排放清單的測(cè)算中得到了廣泛應(yīng)用.有學(xué)者[10-16]將該方法用于歐盟、北美等國(guó)家或地區(qū)的測(cè)算.國(guó)內(nèi)學(xué)者[17-21]也采用該方法對(duì)我國(guó)廣東、上海、青島等多個(gè)地區(qū)的海運(yùn)排放清單進(jìn)行了初步研究.另外,采用基于燃油消耗和基于船舶活動(dòng)相結(jié)合的方法也得到了廣泛應(yīng)用[22-26].但是,各種研究方法均存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏及模型參數(shù)對(duì)具體測(cè)算區(qū)域適用性問題.因此,為降低海運(yùn)排放清單的不確定性,針對(duì)具體區(qū)域開展模型參數(shù)的收集工作成為近年來研究的熱點(diǎn).這其中,基于岸基及衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)開展全球或區(qū)域性海運(yùn)排放測(cè)算得到了普遍應(yīng)用.Corbett等[27]和Winther等[28]基于衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)了北極地區(qū)2020年、2030年和2050年的排放量,所采用的測(cè)算方法對(duì)于其他地區(qū)排放清單的測(cè)算有較好的參考意義. Goldsworthy等[29]基于AIS觀測(cè)數(shù)據(jù),建立了澳大利亞港口及近岸區(qū)域的海運(yùn)排放測(cè)算模型,得到了不同船舶類型、噸級(jí)、運(yùn)行工況和不同設(shè)備類型的排放量.Ng等[1]通過AIS獲得了船舶活動(dòng)及航速數(shù)據(jù),并通過勞氏船級(jí)社船舶數(shù)據(jù)庫(kù)獲得船舶噸位、建造時(shí)間和發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)定功率數(shù)據(jù),研究確定了香港及珠三角地區(qū)的遠(yuǎn)洋船舶排放清單.Yau等[30]通過AIS觀測(cè)得到船舶實(shí)時(shí)航速和航跡數(shù)據(jù),測(cè)算了2007年香港地區(qū)的遠(yuǎn)洋船舶NOx、SO2和PM排放量.譚建偉等[31]也基于AIS觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大連海域船舶排放進(jìn)行了初步研究.總體來看,AIS可被用來獲取船舶類型、數(shù)量、航跡、航速、主機(jī)負(fù)荷因子等多個(gè)參數(shù),為海運(yùn)排放的準(zhǔn)確測(cè)算提供了當(dāng)前最為有效的手段.

環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈是我國(guó)重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)極,近年來,該地區(qū)的大氣環(huán)境污染問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到京津冀及渤海灣地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[32-33].國(guó)家“大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃”明確提出要建立區(qū)域性大氣污染防治協(xié)作機(jī)制[34],做到地區(qū)之間、部門之間、行業(yè)之間的聯(lián)防聯(lián)控.在此背景之下,渤海灣地區(qū)海運(yùn)廢氣排放也逐漸進(jìn)入我國(guó)公眾的視野.與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家或地區(qū)相比,我國(guó)對(duì)海運(yùn)排放的評(píng)價(jià)、管理和控制以及相關(guān)政策措施的完善還存在較大差距.開展港口及海運(yùn)排放研究將能為沿海港口城市大氣污染監(jiān)管、政策措施的制定提供有效的支撐.本研究對(duì)CCS(中國(guó)船級(jí)社)船舶數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,確定海運(yùn)船舶主機(jī)標(biāo)定功率、副機(jī)標(biāo)定功率、船舶設(shè)計(jì)航速、船長(zhǎng)與船舶總噸(GT, Gross Tonnage)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,參照相關(guān)研究和海運(yùn)專家的航海操作經(jīng)驗(yàn)確定主、副機(jī)廢氣排放因子和負(fù)荷因子,通過AIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得到2014年渤海灣地區(qū)主要航路和主要港口的船舶類型、流量、噸級(jí)數(shù)據(jù),建立渤海灣地區(qū)海運(yùn)排放(包括船舶NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放)測(cè)算模型.相關(guān)的測(cè)算方法和研究結(jié)論可為我國(guó)海運(yùn)排放的測(cè)算或相關(guān)部門的政策制定提供參考.

1　研究方法

1.1研究對(duì)象和范圍

圖1　渤海灣地區(qū)船舶流量軌跡示意Fig.1　Schematic diagram of ship traffic in Bohai Sea areas

區(qū)域性排放清單的測(cè)算往往是基于船舶活動(dòng)進(jìn)行的.基于岸基或衛(wèi)星AIS數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計(jì)出一年當(dāng)中測(cè)算區(qū)域內(nèi)船舶運(yùn)行軌跡和流量.本研究的測(cè)算范圍如圖1所示,包括37°23'N以北和122°57'E以西的渤海及部分黃海海域.根據(jù)2014年的AIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),測(cè)算范圍內(nèi)9個(gè)主要航路上的船舶流量(包括往、返船舶)為330656艘次,其中海運(yùn)船舶230743艘次,非運(yùn)輸船舶99913艘次;測(cè)算范圍內(nèi)10個(gè)主要港口的船舶流量(包括進(jìn)、出港船舶)為478286艘次,其中海運(yùn)船舶233309艘次,非運(yùn)輸船舶244977艘次.根據(jù)我國(guó)海事局的AIS監(jiān)控統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),目前還難以得到測(cè)算范圍內(nèi)各具體船舶的詳細(xì)活動(dòng)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)得到的船舶流量數(shù)據(jù)僅包括客船、貨船、油船、危險(xiǎn)品船和非運(yùn)輸船舶等類型,缺乏更詳細(xì)的分類.因此,本研究不包括漁船、拖輪、駁船等非運(yùn)輸船舶,并將油船歸入危險(xiǎn)品船,測(cè)算的船舶類型分為客船、貨船和危險(xiǎn)品船.

1.2計(jì)算模型

船舶廢氣排放量的測(cè)算可根據(jù)船舶運(yùn)行階段在空間上分為兩部分:定工況的海上航路排放和變工況的港口鄰近區(qū)域排放.為簡(jiǎn)化計(jì)算,將船舶活動(dòng)狀態(tài)歸結(jié)為3種運(yùn)行工況:定速巡航工況、機(jī)動(dòng)操縱工況和停泊工況.每一種運(yùn)行工況下的船舶排放按推進(jìn)柴油機(jī)(主機(jī))、發(fā)電柴油機(jī)(副機(jī))分開計(jì)算,忽略鍋爐的排放.

因此,測(cè)算范圍內(nèi)一年當(dāng)中某種成分廢氣排放量計(jì)算公式可表達(dá)為

其中

式中:E為排放量,t;ME為主機(jī);AE為副機(jī);P為標(biāo)定功率,kW;LF為負(fù)荷因子;T為運(yùn)行時(shí)間,h;EF為比排放因子,g/(kW·h);i為船舶艘次編號(hào);j為運(yùn)行工況編號(hào);k為廢氣成分編號(hào).

1.3模型參數(shù)的確定

1.3.1標(biāo)定功率和設(shè)計(jì)航速因難以統(tǒng)計(jì)到具體船舶的主、副機(jī)功率和航速數(shù)據(jù),一般的研究[1,5-6,9,12,15,21-26,29-30]均是根據(jù)船級(jí)社的船舶數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.本研究模型中的客船僅指普通客船、客滾船,不包括高速客船,對(duì)入級(jí)CCS的119艘國(guó)際和國(guó)內(nèi)航行的178≤GT≤34222的客(滾)船進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;模型中的貨船視為包含集裝箱船、散貨船和雜貨船,對(duì)入級(jí)CCS的144艘國(guó)際和國(guó)內(nèi)航行的897≤GT≤187 541的海運(yùn)集裝箱船、390艘國(guó)際和國(guó)內(nèi)航行的1965≤GT≤ 106334的海運(yùn)散貨船、121艘國(guó)際和國(guó)內(nèi)航行的1495≤GT≤28147的海運(yùn)雜貨船進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析;模型中的危險(xiǎn)品船視為包含油船、化學(xué)品船和氣體運(yùn)輸船,對(duì)入級(jí)CCS的288艘國(guó)際和國(guó)內(nèi)航行的139≤GT≤167572的海運(yùn)油船/化學(xué)品船及69艘國(guó)際和國(guó)內(nèi)航行的497≤GT≤114 166的海運(yùn)氣體運(yùn)輸船進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.最終得到了船舶主機(jī)標(biāo)定功率(PME)、設(shè)計(jì)航速(Vd)和船舶總長(zhǎng)(LOA)與船舶GT之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,如表1所示.副機(jī)總標(biāo)定功率(PAE)通過與PME取比值再取算術(shù)平均值的形式給出.航速數(shù)據(jù)比較離散,尤其對(duì)于貨船,它包含集裝箱船、散貨船和雜貨船等船型,設(shè)計(jì)航速差異更大.為了便于擬合,將貨船按噸級(jí)分為10個(gè)等級(jí),求各等級(jí)航速的算術(shù)平均值,然后再進(jìn)行擬合.

表1　主、副機(jī)標(biāo)定功率、船舶總長(zhǎng)和設(shè)計(jì)航速與船舶總噸間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1　The relationships of ME &AE rated power, ship length and ship design speed against ship gross tonnage

1.3.2負(fù)荷因子和運(yùn)行時(shí)間主機(jī)負(fù)荷因子(LF)定義為某一實(shí)際航速Va下的主機(jī)功率與PME之比.船舶以設(shè)計(jì)航速Vd航行時(shí)所消耗的主機(jī)功率受船體臟污程度、裝載、海況和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行年限的影響.本研究取船舶以Vd航行時(shí)對(duì)應(yīng)的主機(jī)功率為0.9PME[25],則船舶以實(shí)際航速Va航行時(shí)所對(duì)應(yīng)的主機(jī)負(fù)荷因子LF=0.9·(Va/Vd)3.船舶在海上航路定速巡航時(shí),主機(jī)一般以75%～85%標(biāo)定負(fù)荷運(yùn)行,此時(shí)按推進(jìn)特性運(yùn)轉(zhuǎn)的柴油機(jī)的燃油消耗率最低.但實(shí)際的運(yùn)行負(fù)荷跟市場(chǎng)需求、主機(jī)性能、天氣海況等有關(guān),國(guó)內(nèi)的監(jiān)控AIS還沒有形成具體船舶的航速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).因此,本研究參照文獻(xiàn)[35]及一般的航海操作經(jīng)驗(yàn),對(duì)各類型船舶在各運(yùn)行工況下負(fù)荷因子及運(yùn)行時(shí)間的取值如表2所示.海上航路定速巡航距離LC及港口航道機(jī)動(dòng)操縱距離LM根據(jù)海圖測(cè)算獲得,停泊工況時(shí)間參照文獻(xiàn)[17]取值.

1.3.3比排放因子柴油機(jī)比排放因子與質(zhì)量排放量因子存在如下轉(zhuǎn)換關(guān)系

式中:EF為比排放因子,g/(kW·h);EFf為質(zhì)量排放量因子,kg/t燃料;SFOC為燃油消耗率,g/(kW·h);k為廢氣成分編號(hào).

各類型柴油機(jī)NOx、CO、HC、CO2比排放因子和SFOC參照文獻(xiàn)[25-26]取值,如表3所示.文獻(xiàn)[25,32]假設(shè)有97.75%的S(硫)轉(zhuǎn)化成了SO2,按式(5)確定SO2質(zhì)量排放量因子

另外,文獻(xiàn)[25]對(duì)2.7%硫含量燃油的PM質(zhì)量排放量因子取值為6.70kg/t燃料.結(jié)合式(4),得到各類型柴油機(jī)SO2和PM比排放因子,也列于表3中.

表2　負(fù)荷因子和運(yùn)行時(shí)間Table 2　Load factors and run-time

表3　比排放因子[g/(kW?h)]Table 3　Specific emission factors [g/(kW·h)]

根據(jù)目前市場(chǎng)上各類型船舶主、副柴油機(jī)的選配情況,主機(jī)功率5 000kW以下的船舶所用主機(jī)一般均為四沖程柴油機(jī);主機(jī)功率5 000kW以上的船舶一般均采用二沖程柴油機(jī);副機(jī)均采用四沖程柴油機(jī).因此,參照表1對(duì)主機(jī)功率的測(cè)算,本研究統(tǒng)一取船長(zhǎng)150m以下船舶主機(jī)為四沖程機(jī),船長(zhǎng)150m以上船舶主機(jī)為二沖程機(jī).

1.3.4船舶流量統(tǒng)計(jì)渤海灣地區(qū)船舶流量軌跡如圖1所示,主要的海上航路包括:①-大連至煙臺(tái)航路;②-成山頭至大連航路;③-成山頭至老鐵山水道航路;④-成山頭至長(zhǎng)山水道航路;⑤-老鐵山水道至遼東灣北部航路,包括老鐵山水道至營(yíng)口港和錦州港;⑥-老鐵山水道至渤海中北部航路,主要指老鐵山水道至秦皇島港;⑦-老鐵山水道至渤海中部航路,包括老鐵山水道至天津港、曹妃甸港、京唐港和黃驊港;⑧-長(zhǎng)山水道至渤海中南部航路,包括長(zhǎng)山水道至天津港、曹妃甸港和黃驊港;⑨-長(zhǎng)山水道至萊州灣航路.

根據(jù)2014年全年船舶流量軌跡圖,統(tǒng)計(jì)得到渤海灣地區(qū)9個(gè)主要航路船舶流量數(shù)據(jù)如表4所示.AIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏各類型船舶具體的噸級(jí)數(shù)據(jù),僅能得到按船長(zhǎng)分類的船舶數(shù)量,即90～150m、150～200m、200～300m和300m以上幾個(gè)噸級(jí).船舶分級(jí)數(shù)據(jù)沒有按船型分開列出,所以目前的應(yīng)用還存在一定的缺陷,本研究對(duì)3種船型均按表4所示的相同的分級(jí)占比進(jìn)行處理.視非運(yùn)輸船舶船長(zhǎng)均為90m以下,將運(yùn)輸船舶對(duì)應(yīng)的船長(zhǎng)分為70m、120m、175m、250m和330m用于計(jì)算.

基于AIS觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到2014年進(jìn)出大連、營(yíng)口、錦州、秦皇島、京唐、曹妃甸、天津、黃驊、萊州灣、煙臺(tái)10個(gè)港口的船舶流量如表5所示,總流量為233309艘次.而表4中9個(gè)主要航路上的船舶總流量為230743艘次,兩個(gè)數(shù)據(jù)相差1.1%,可認(rèn)為基本吻合.

2　結(jié)果與討論

船舶在海上航路定速巡航時(shí)一般燃用重油,而在港口鄰近區(qū)域機(jī)動(dòng)操縱和停泊時(shí)所用燃油情況比較復(fù)雜,根據(jù)機(jī)型差異和操作情況可能繼續(xù)燃用重油或者換用輕柴油,具體情況目前還難以統(tǒng)計(jì).本研究的計(jì)算模型沒有考慮燃油類型對(duì)NOx、CO、HC和CO2排放的影響,僅考慮不同含硫量的燃油對(duì)SO2和PM排放有影響,取世界船用燃油平均硫含量2.7%[25,31,35]用于計(jì)算.

表4　2014年渤海灣地區(qū)主要航路船舶流量數(shù)據(jù)Table 4　Statistics of ship traffic at sea routes in Bohai Sea areas in 2014

表5　2014年渤海灣地區(qū)主要港口船舶流量數(shù)據(jù)Table 5　Statistics of ship traffic at major ports in Bohai Sea areas in 2014

根據(jù)式(1)～(5)和表1～表5,計(jì)算得到渤海灣地區(qū)海運(yùn)排放清單如表6所示.其中,NOx、 CO、HC、CO2、SO2和PM排放總量分別為173808, 14436,6144,7208919,120748,15292t;貨船對(duì)廢氣排放的分擔(dān)率最大,占比約為73%;危險(xiǎn)品船對(duì)廢氣排放的分擔(dān)率次之,占比約為21%;客船對(duì)廢氣排放的分擔(dān)率最小,占比約為6%.各廢氣成分有近似相等的分擔(dān)率,這是因?yàn)闇y(cè)算對(duì)象僅包括主、副柴油機(jī),兩類設(shè)備有相似的排放特性.

表6　2014年渤海灣地區(qū)海運(yùn)排放清單(t)Table 6　Emissions inventory of sea-going ships in Bohai Sea areas in 2014 (t)

圖2　不同設(shè)備的廢氣排放分擔(dān)率Fig.2　Contribution of emissions by different equipment

圖3　不同運(yùn)行工況的廢氣排放分擔(dān)率Fig.3　Contribution of emissions under different operating modes

主、副機(jī)廢氣排放分擔(dān)率如圖2所示.渤海灣地區(qū)海運(yùn)船舶主機(jī)NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分擔(dān)率分別為88%、88%、89%、85%、84%和84%;副機(jī)NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分擔(dān)率分別為12%、12%、11%、15%、 16%和16%.

不同運(yùn)行工況廢氣排放分擔(dān)率如圖3所示.海上航路定速巡航工況NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分擔(dān)率最大,分別為91%、91%、92%、89%、89%和89%;停泊工況NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分擔(dān)率次之,分別為7%、7%、6%、9%、9%和9%;而進(jìn)、出港機(jī)動(dòng)操縱工況廢氣排放分擔(dān)率均僅占2%左右.若將燃油鍋爐納入計(jì)算,停泊工況廢氣排放分擔(dān)率整體會(huì)偏高一些.若在該測(cè)算范圍內(nèi)所有船舶各工況均要求燃用0.1%硫含量的燃油,則SO2和PM排放分別為4472t和2417t,減排量分別達(dá)到96% 和84%.

在定速巡航工況,9個(gè)主要海上航路廢氣排放分擔(dān)率如圖4所示.其中,成山頭至老鐵山水道航路NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分擔(dān)率最大,分別為34%、34%、34%、33%、33% 和33%;老鐵山水道至渤海中部航路NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分擔(dān)率次之,分別為17%、17%、17%、16%、16%和16%.這兩個(gè)航路上的排放約占9個(gè)主要海上航路廢氣排放的50%.

各港口廢氣排放分擔(dān)率如圖5所示.在港口鄰近區(qū)域機(jī)動(dòng)操縱和停泊期間,10個(gè)主要港口NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放分別為15 311、1292、482、781915、13641和1728t.其中,天津港廢氣排放分擔(dān)率最大,約為30%;大連港廢氣排放分擔(dān)率次之,約為20%.金陶勝等[8]測(cè)算得到2006年天津港NOx、CO、HC和PM排放總量為5360t,而本文測(cè)算得到2014年天津港NOx、CO、HC和PM排放總量為5652t,因測(cè)算區(qū)域、測(cè)算對(duì)象的差異導(dǎo)致測(cè)算結(jié)果有一定差異,但具有可比性.本文對(duì)大連港的測(cè)算結(jié)果遠(yuǎn)低于譚建偉等的[31]測(cè)算結(jié)果,這是因?yàn)槠錅y(cè)算區(qū)域不僅限于港口鄰近區(qū)域,還包含定速巡航工況所對(duì)應(yīng)的港外區(qū)域.但即便這樣,比照文獻(xiàn)[8,17-19,21,30]的測(cè)算結(jié)果,譚建偉等[31]的測(cè)算結(jié)果也明顯偏大.

圖4　定速巡航工況下不同航路廢氣排放分擔(dān)率Fig.4　Contribution of emissions by different sea routes under normal cruising mode

圖5　港口鄰近區(qū)域不同港口廢氣排放分擔(dān)率Fig.5　Contribution of emissions by different major ports in near port areas

3　結(jié)論

3.1建立了基于AIS統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的海運(yùn)排放測(cè)算模型,確定了具有較好適用性的模型參數(shù),通過在渤海灣地區(qū)的應(yīng)用,表明了該模型對(duì)區(qū)域性海運(yùn)排放清單的測(cè)算具有可操作性,為相關(guān)部門的政策制定提供了方法上的參考.

3.2渤海灣地區(qū)2014年海運(yùn)NOx、CO、HC、CO2、SO2和PM排放總量分別為173808,14436, 6144,7208919,120748,15292t;貨船、危險(xiǎn)品船和客船對(duì)廢氣排放的貢獻(xiàn)分別占比73%、21%和6%;未計(jì)及鍋爐排放的情況下,海上航路定速巡航工況對(duì)廢氣排放的貢獻(xiàn)占比約為90%;進(jìn)、出港機(jī)動(dòng)操縱工況對(duì)廢氣排放的貢獻(xiàn)僅占2%左右;就海上航路定速巡航工況的排放而言,成山頭至老鐵山水道和老鐵山水道至渤海中部航路排放占比之和約為50%;天津港和大連港的排放約占港口鄰近區(qū)域機(jī)動(dòng)操縱和停泊期間排放的30% 和20%.

3.3本研究?jī)H基于AIS船舶流量軌跡圖統(tǒng)計(jì)了渤海灣地區(qū)9各主要海上航路和10個(gè)主要港口的船舶流量數(shù)據(jù),另考慮AIS系統(tǒng)本身也會(huì)存在數(shù)據(jù)遺漏,因此,測(cè)算結(jié)果會(huì)存在一定偏差;沒有計(jì)及非運(yùn)輸船舶的排放,雖然噸級(jí)均較小,但該類船舶流量將近35萬艘次,下一步有必要針對(duì)該類船舶建立測(cè)算模型并確定模型參數(shù),形成完整的渤海灣地區(qū)船舶廢氣排放清單.

3.4目前我國(guó)的AIS系統(tǒng)還缺乏船舶類型、噸級(jí)、航速、發(fā)動(dòng)機(jī)類型、生產(chǎn)年份等詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),這將給模型測(cè)算結(jié)果帶來一定的誤差,今后還有待進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化AIS監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)功能;對(duì)于具體的測(cè)算區(qū)域,有必要針對(duì)船舶停港時(shí)間、所用燃油類型、排放因子等模型參數(shù)開展具體的調(diào)研和統(tǒng)計(jì);另外,對(duì)于船舶燃油鍋爐目前還缺少比較實(shí)用、準(zhǔn)確的排放測(cè)算方法,也是下一步需要完善的地方.

參考文獻(xiàn)：

[1] Ng S K W, Loh C, Lin C, et al. Policy change driven by an AIS-assisted marine emission inventory in Hong Kong and the Pearl River Delta [J]. Atmospheric Environment, 2013,76:102-112.

[2] Trozzi C, Vaccaro R, Nicolo, L. Air pollutants emissions estimate from maritime traffic in the Italian harbours of Venice and Piombino [J]. The Science of the Total Environment, 1995,169: 257-263.

[3] Hulskotte J H J, Denier H A C. Fuel consumption and associated emissions from seagoing ships at berth derived from an on-board survey [J]. Atmospheric Environment, 2010,44:1229-1236.

[4] Kesgin U, Vardar N. A study on exhaust gas emissions from ships in Turkish Straits [J]. Atmospheric Environment, 2001,35:1863-1870.

[5] Endresen O, Bakke J, Sorgard E, et al. Improved modelling of ship SO2emissions—a fuel-based approach [J]. Atmospheric Environment, 2005,39:3621—3628.

[6] Deniz C, Durmusoglu Y. Estimating shipping emissions in the region of the Sea of Marmara, Turkey [J]. Science of the Total Environment, 2008,390:255-261.

[7] Skjolsvik K O, Andersen A B, Corbett J J, et al. Study of greenhouse gas emissions from ships. Final Report to the International Maritime Organization. MT Report: MT00A23-038, Trondheim, Norway, 2000.

[8] 金陶勝,殷小鴿,許嘉,等.天津港運(yùn)輸船舶大氣污染物排放清單 [J]. 海洋環(huán)境科學(xué), 2009,28(6):623-625.

[9] Miola A, Ciuffo B. Estimating air emissions from ships: Meta-analysis of modelling approaches and available data sources [J]. Atmospheric Environment, 2011,45:2242-2251.

[10] Schrooten L, Vlieger I D, Panis L I, et al. Emissions of maritime transport: A European reference system [J]. Science of the Total Environment, 2009,408:318—323.

[11] Schrooten L, Vlieger I D, Panis L I, et al. Inventory and forecasting of maritime emissions in the Belgian sea territory, an activity-based emission model [J]. Atmospheric Environment, 2008,42:667—676.

[12] Tzannatos E. Ship emissions and their externalities for Greece [J]. Atmospheric Environment, 2010,44:2194-2202.

[13] Tzannatos E. Ship emissions and their externalities for the port of Piraeus, Greece [J]. Atmospheric Environment, 2010,44:400-407. [14] Meyer P D, Maes F, Volckaert A. Emissions from international shipping in the Belgian part of the North Sea and the Belgian seaports [J]. Atmospheric Environment, 2008,42:196—206.

[15] Maragkogianni A, Papaefthimious S. Evaluating the social cost of cruise ships air emissions in major ports of Greece [J]. Transportation Research Part D, 2015,36:10—17.

[16] Lonati G, Cernuschi S, Sidi S. Air quality impact assessment of at-berth ship emissions: Case-study for the project of a new freight port [J]. Science of the Total Environment, 2010,409:192—200.

[17] 林楚彬,趙黛青,蔡國(guó)田,等.廣東貨船水運(yùn)的溫室氣體排放和低碳發(fā)展對(duì)策 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2013,26(12):1340-1348.

[18] 葉斯琪,鄭君瑜,潘月云,等.廣東省船舶排放源清單及時(shí)空分布特征研究 [J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2014,34(3):537-547.

[19] 伏晴艷,沈寅,張健.上海港船舶大氣污染物排放清單研究[J]. 安全與環(huán)境學(xué)報(bào), 2012,12(5):57-64.

[20] 劉靜,王靜,宋傳真,等.青島市港口船舶大氣污染排放清單的建立及應(yīng)用 [J]. 中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè), 2011,27(3):50-53.

[21] Song S. Ship emissions inventory, social cost and eco-efficiency in Shanghai Yangshan port [J]. Atmospheric Environment, 2014,82:288-297.

[22] Corbett J J, Koehler H W. Updated emissions from ocean shipping [J]. Journal of Geophysical Research, 2003,108(D20): 4650.

[23] Winther M. New national emission inventory for navigation in Denmark [J]. Atmospheric Environment, 2008,42:4632—4655.

[24] Eyring V, Isaksen I S A, Berntsen T, et al. Transport impacts on atmosphere and climate: Shipping [J]. Atmospheric Environment, 2010,44:4735—4771.

[25] IMO. Second IMO GHG Study 2009 [R]. London: International Maritime Organisation, 2009.

[26] IMO. Third IMO GHG Study 2014 [R]. London: International Maritime Organisation, 2014.

[27] Corbett J J, Lack D A, Winebrake J J, et al. Arctic shipping emissions inventories and future scenarios [J]. Atmospheric Chemistry and Physics, 2010,10:9689—9704.

[28] Winther M, Christensen J H, Plejdrup M S, et al. Emission inventories for ships in the arctic based on satellite sampled AIS data [J]. Atmospheric Environment, 2014,91:1-14.

[29] Goldsworthy L, Goldsworthy B. Modelling of ship engine exhaust emissions in ports and extensive coastal waters based on terrestrial AIS data -An Australian case study [J]. Environmental Modelling & Software, 2015,63:45-60.

[30] Yau P S, Lee S C, Corbett J J, et al. Estimation of exhaust emission from ocean-going vessels in Hong Kong [J]. Science of the Total Environment, 2012,431:299—306.

[31] 譚建偉,宋亞楠,葛蘊(yùn)珊,等.大連海域遠(yuǎn)洋船舶排放清單 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2014,27(12):1426-1431.

[32] 劉俊,安興琴,朱彤,等.京津冀及周邊減排對(duì)北京市PM2.5濃度下降評(píng)估研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2014,34(11):2726-2733.

[33] 伯鑫,趙春麗,吳鐵,等.京津冀地區(qū)鋼鐵行業(yè)高時(shí)空分辨率排放清單方法研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2015,35(8):2554-2560.

[34] 國(guó)務(wù)院.大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃 [EB/OL]. 北京:國(guó)務(wù)院, 2013-09-12 [2015-06-15]. http://www.gov.cn/zwgk/2013-09/ 12/content_2486773.htm.

[35] U.S. EPA. Regulatory Impact Analysis: Control of emissions of air pollution from category 3marine diesel engines[R]. U.S. Environmental Protection Agency: EPA-420-R-09-019, 2009.

AIS data-based estimation of emissions from sea-going ships in Bohai Sea areas.

XING Hui, DUAN Shu-lin*, HUANG Lian-zhong, LIU Qin-an(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China). China Environmental Science, 2016,36(3)：953～960

Abstract：The ship’s operations were classified as maneuvering mode and hotelling mode in near port areas and normal cruising mode at sea routes. A ship activity-based approach was employed and a model which was used to calculate the exhaust emissions from sea-going ships was established. Based on ship database of China Classification Society, the relationships of main engine rated power, auxiliary engine rated power and ship design speed against ship gross tonnage for different kinds of sea-going ships were developed. Ship traffic in Bohai Sea areas was obtained based on AIS (automatic identification system) statistical data. Finally, the exhaust emissions inventory of sea-going ships in Bohai Sea areas was obtained. The results show that the emissions of NOx, CO, HC, CO2, SO2and PM from sea-going ships in Bohai Sea areas in 2014 were 173808, 14436, 6144, 7208919, 120748 and 15292 tons respectively. The contributions of exhaust emissions from cargo ships, dangerous goods carriers and passenger ships were about 73%, 21% and 6% respectively. Normal cruising mode at sea routes contributed approximately 90% of exhaust emissions. Chengshantou-Laotieshan route and Laotieshan-Central Bohai Sea route contributed approximately 50% of exhaust emissions at sea routes totally. Tianjin port and Dalian port contributed approximately 30% and 20% of exhaust emissions in near port areas respectively. The AIS data-based bottom-up method was applicable to estimate the regional emissions from sea-going ships.

Key words：exhaust emission；sea-going ship；AIS；Bohai Sea area；ship activity-based approach

作者簡(jiǎn)介：邢輝(1980-),男,湖北浠水人,副教授,大連海事大學(xué)博士研究生,主要從事船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置排放測(cè)試與評(píng)價(jià)方面的研究.發(fā)表論文30余篇.

基金項(xiàng)目：交通運(yùn)輸部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015328225150);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132014110)

收稿日期：2015-08-20

中圖分類號(hào)：X51

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-6923(2016)03-0953-08