【摘要】：为实现民航业长期脱碳发展目标，通过建立考虑供需关系、技术应用、减排成本和政策支持的中国民航脱碳系统动力学（SD）模型，剖析系统多重反馈机理和要素间协同作用关系，对民航业减排路径的实施效果和减排成本进行情景模拟和探讨。结果表明：行业实施节能技术进步、替代燃料应用、新动力能源推广、碳抵消机制和高铁替代的单一政策模拟方案无法实现行业的碳中和式长期发展目标。多种措施的组合政策为行业脱碳发展提供最优的综合脱碳方案。未来行业应在短期内积极推广可持续航空燃料（SAF）规模化应用，中期加大对于氢能、电能、混合动力飞机的研发引进，积极采用高铁替代等综合交通方式，长期持续改进行业节能减排技术水平，推动民航业纳入全国碳市场。研究结果可为民航部门可持续发展提供政策制定参考，助力行业深度脱碳化发展。
【关键词】：中国民航；系统动力学（SD）模型；多情景模拟；脱碳路径
引言：
民航业碳减排是当前的热点研究问题，尤其是在全球气候变暖日益严峻和世界航空交通量快速增长的背景下[1]，未来如何实现行业的低碳转型发展成为世界各国政府部门和学界的关注焦点。我国是航空运输发展最迅速的国家之一，运输总周转量和旅客周转量位居世界第二，民航碳排放在2010—2019年间增速超过10%，是交通部门中排放增速最快的行业[2]，未来仍有巨大排放潜力。然而如何在总量大、增速快的行业碳排放发展趋势下实现低碳长期发展目标是我国实现民航业绿色可持续发展过程中亟待解决的重要现实问题。在已有研究中，国内外学者对民航业的碳排放问题开展了诸多方面工作，大致可分为碳排放测算[3-4]、驱动因素分解[5-7]以及趋势预测[8-9]等领域；研究主体可分为机场、航空公司和民航业整体；在研究方法上有STIRPAT回归模型[10]、蒙特卡洛模拟[11-12]、LEAP模型、分解模型[5]、仿真模型预测[13-14]、ARIMA时间序列模型[15]等。然而，尽管已有研究取得了一定进展，但现有研究大多侧重于单一的脱碳策略或技术，缺乏对多种策略的综合分析和减排成本比较，未能充分考虑到技术进步、能源转型、政策支持等多方面的综合实施效果。此外，针对中国民航业的具体情况，如何制定符合国情、切实可行的脱碳路径，尚缺乏深入研究和探讨。
系统动力学（SD）理论为研究气候战略和碳排放问题提供了有效方法和手段。SD强调系统的整体性和复杂性，能够综合考虑各种因素之间的相互作用和影响，从而揭示系统深层次原因和作用机理，这使其在研究碳排放问题时具有独特的优势。如Liu等[16]针对中国碳排放建立了包含社会子系统、经济子系统和能源子系统的SD模型，模拟预测不同发展模式（低、中、高）下中国碳排放的达峰时间和峰值大小；Li等[17]从动态角度构建了电力建设项目（PCP）的SD模型，对系统碳排放进行关键因素的敏感性分析和多种方案的碳减排情景动态预测；Akbari等[18]建立基于城市交通的SD模型，分析了2015—2025年间日常商业、优先公共交通、技术进步、行政法规管理、出行需求管理和综合政策这6种政策情景下的碳减排实施效果，为政府部门能源消耗评价和制定减排政策提供建议。
本文旨在基于SD模型，对中国民航业的脱碳路径进行深入研究，建立考虑供需关系、技术应用、减排成本和政策支持的脱碳SD分析模型，在各子系统因果关系和存量流量图构建的基础上，分析系统各因素之间互为因果、相互作用的动态机制，从而更好地研究民航业碳减排过程中的复杂性和不确定性，明确多种脱碳路径方案的实施效果和减排阈值，从而为民航部门运输发展策略和减排决策提供系统集成的方法工具和理论支撑。
1、技术路线和数据来源
中国民航要实现碳达峰、碳中和的发展目标受到社会、经济、环境等多方面的影响，同时也需要行业自身从技术进步、能源转型、政策支持等多个方面来努力实现减排目标。本文采用系统动力学软件VensimPLE构建中国民航业的脱碳SD模型，结合情景分析方法探究中国民航业的不同脱碳路径方案，建模及设计思路如下。（1）确定系统边界。定义模型所要研究的系统范围，以便明确和理解研究的需求和期望。（2）构建系统因果关系。通过对各子系统的反馈关系分析，揭示系统运作的内在规律，帮助更好地认识和理解系统。（3）构建存量流量图。在因果关系图基础上，通过参数估计、初始赋值以及建立结构方程式明晰系统内部的多重反馈机制。（4）模型检验与调试。对模型参数和方程进行不断检验与调试以确保模型的准确性和鲁棒性，以便达到仿真和政策模拟的预期效果。（5）模型仿真与情景设置。结合情景分析方法设定脱碳方案，模拟和评估不同决策的实施效果和影响程度，为行业脱碳路径选择提供量化参考。（6）对比分析与方案选择。基于不同路径方案运行结果的综合比较，综合评估不同情景系统的变化和结果，评估不同路径方案的效果和影响，为有针对性地制定科学有效的脱碳方案提供决策依据。
周转量数据来源于《民航业发展统计公报》和《从统计看民航》；人口数据来源于国家统计局官方网站和《世界人口展望（2022）》；行业碳排放和燃油消耗数据来源于田利军等[19]的研究；全球航空商业运输市场恢复情况参考国际民用航空组织（ICAO）①和国际航空运输协会（IATA）②的预测；中国未来机队规模参考《民用飞机中国市场预测年报（2021—2040）》；未来GDP预测参考经济合作与发展组织（OECD）对中国2020—2060年的GDP长期基线预测情况。
2、民航业脱碳系统动力学模型构建
2.1模型系统边界
中国民航业与经济、能源和环境之间构成了一个互相作用影响的复杂系统，国民经济水平的提高和人口规模的扩大促进行业发展和运输量的不断增长，同时消耗大量化石能源，相应带来不可忽视的环境影响，对社会和经济的发展产生了阻碍，制约了民航业的可持续发展；中国民航业面临不断增大的环境保护压力，开始低碳发展转型升级，在保证行业持续发展的前提下增加节能减排投资，通过实施各类减排政策和减排方案降低碳排放对环境的不利影响，以期在未来实现行业的脱碳化发展。
2.2各子系统因果关系
2.2.1民航业与经济子系统
国民经济水平的不断提高带动三次产业的发展，使人们对于航空运输的需求不断加大，导致航空客运和货运周转量增加，而运输量的增加也会相应带动运输附加值促进经济的增长。与此同时为了满足不断扩张的运输需求，行业加大对于航空运力的优化投资，通过不断引进新的航空机队增加航空运输供应来弥补逐渐拉大的运输供需缺口。除此之外考虑到高铁运输对于航空运输的替代效应，经济发展带来高铁运输需求增加的同时会对航空运输产生一定的冲击和挤占效果，对航空运量的增加起负向抑制作用。
2.2.2民航业与能源要素子系统
航空运输需求增加会导致客运和货运周转量增加，从而带来大量化石能源消耗和碳排放，碳排放增加会促进行业加大对技术和运营方面的节能投入从而提升行业节能效果，同时开始引入航空替代燃料并不断提高其在商业航班活动中的替代比例，氢能和电能飞机逐步进入航空运输市场并逐步取代中短程机队，从而减少了行业传统化石能源的直接消耗。各类节能减排措施的应用提升行业能源效率从而降低总能源消耗，实现行业整体碳排放的减少。
2.2.3民航业与成本要素子系统
民航业碳排放增加产生的环境影响给行业带来减排压力，行业开始逐渐加大对于节能减排方面的资金投入。节能投资成本为机队翻新和运行管理带来基础成本投入，氢能和电动新动力飞机的使用成本以及替代航空燃料等新技术的应用成本随着减排技术的突破和规模化应用而相应出现降低。碳抵消措施作为市场手段的减碳方式同样对行业的碳减排成本产生重要影响，同时会产生一定的减排成本，而减排成本的提高意味着行业减排实施力度加大，从而带来更少的碳排放。
2.2.4民航业与环境影响子系统
民航业发展带动航空运输量增加产生的碳排放会对国民经济发展造成一定的损失和风险，而通过节能投资的方式可抑制行业碳排放，从而减少其对环境造成的污染损失。经济发展水平和产业结构的变化促进了航空客运和货运的运输需求增长，带动相应碳排放的增加，使环境污染损失增大，促进了行业对节能减排方面的投资，从而实现了降低碳排放的效果。
2.3存量流量图及参数方程
构建中国民航脱碳路径SD模型存量流量图（图略）[20]，设定系统主要参数方程见表1。模型准确性检验在5%的平均误差内，敏感度检验结果显示模型具有较好的结构敏感性和参数敏感性，全面验证了模型的合理性和可靠性。
3、民航业脱碳发展路径仿真模拟
3.1减排情景设计
在构建中国民航业的脱碳发展路径时需要进行减排情景设计，制定不同发展路径和政策方案，以便能够系统性评估各种可能发展路径的经济适用性和减排潜力。在参考行业主流减排技术报告[21-24]和相关政策文件[25-28]的基础上，结合SD模型设定5种单一政策情景：节能技术进步、替代燃料应用、新动力能源推广、碳抵消机制和高铁替代情景，另设定8种组合政策应用情景（表2）。冻结情景为中国民航业延续传统发展路径，燃油效率技术进步达到瓶颈且没有施加其他节能减排措施的趋势外推情况（包含国际和国内航线碳排放），在此基础上针对不同场景设置不同参数的变化和调整③。5种单一政策情景模拟运行结果见图1
3.1.1节能技术进步
民航业的节能技术进步包括机队翻新技术和运营管理方面的改善。考虑到未来不同程度的节能技术投资对行业碳排放变化的影响程度，分别设置节能投资系数为0的冻结情景、节能投资系数为0.8×10-3的节能技术进步情景1和节能投资系数为1.5×10-3的节能技术进步情景2这3种不同政策模拟的情况，模型运行结果见图1所示。
随着行业节能技术投资的不断增加，机队翻新和运营管理带来的各类机型的燃油效率也在不断提升，从而直接影响当年的燃油消耗和碳排放。模拟结果显示，节能技术投资的增加可以有效降低行业碳排放，2060年冻结情景、节能技术进步情景1和节能技术进步情景2的行业碳排放分别为3.9亿t、3.6亿t和3.5亿t。相对于冻结情景，节能技术进步情景1和节能技术进步情景2增加的累计减排成本分别为1.6万亿元和4.0万亿元；碳减排量分别为0.3亿t和0.4亿t；相应的减排率分别为8%和10%。总体上通过加大节能减排投资能够对行业节能减排产生积极影响，虽然单纯依靠传统节能减排的技术手段带来的减排效果相对有限，但从长期来看还是应重视节能技术进步给行业带来的潜在减排率的提升。
3.1.2替代燃料应用
IATA在2050年实现行业净零排放的发展愿景中明确了关键时间节点SAF占总燃料需求的比例，其中2030年行业消耗燃料中SAF占总燃料需求的5.2%，到2050年SAF占比达到65%。依据中国民用航空局发布的行业发展统计公报的机型分类标准，将中国运输飞机划分为宽体客机、窄体客机、支线客机以及货运飞机四类，以便更好地反映我国运输机队能源结构变化情况，逐年SAF渗透率比例进行Gompertz曲线拟合处理。
目前市场替代燃料大规模应用的具体前景还不明确，考虑到行业减排经济效益，只有SAF价格降低至传统燃油水平，航空公司才有动力广泛应用，不断提高航油掺混比例。设置3种不同比例的SAF实施情况来模拟不同掺混措施对行业碳排放的影响程度。SAF情景3表示2020年中国开始逐步开展SAF的商业航班飞行并不断提高掺混比例，在2030年航油掺混比例扩大至4%，2050年掺混比例达到65%；考虑到中国SAF产业链与全球产业相比处于发展初期，故设置保守的SAF情景1和SAF情景2分别为2030年航油掺混比例分别达到2.4%和3.2%，2050年分别达到36%和50%。
模拟结果表明，航油掺混比例的提高可以显著降低行业碳排放，2060年SAF情景1、SAF情景2和SAF情景3的碳排放分别为2.2亿t、1.6亿t和0.9亿t，相比冻结情景分别实现43%、59%和77%的减排效果，但是增加6.4万亿元、8.6万亿元和11.4万亿元的累计减排成本。2020—2030年间虽然SAF开始逐步进入到航空运输市场，但是由于其在整体航油消耗比例中仍然不超过5%，很难发挥出对行业碳排放的抑制效果。2030年后随着SAF的渗透率逐年增加，3种SAF情景下的减排效果开始显现，有效遏制了后期碳排放的增长趋势，推动行业碳排放分别在2035、2034年和2032年实现碳达峰。可以看出在综合考虑SAF使用成本的情况下，推广替代燃料规模化应用可在短期内发挥明显的碳减排效果。
3.1.3新动力能源推广
目前各国都在积极推动新能源飞机的研发和应用，本文设置两种新动力能源应用场景，情景1表示在2035年支线飞机开始逐步使用新动力能源飞机，并在2060年实现覆盖全部支线航空市场，部分货运和窄体飞机在2040年开始逐步推广应用新动力能源飞机，到2060年仅覆盖30%的窄体和货运机市场，不考虑宽体飞机的应用场景；情景2表示在情景1的基础上增大货运和窄体机的能源渗透率，即在2060年实现覆盖50%的货运和窄体机市场。
模型结果表明，新动力能源飞机的推广应用有效降低了行业在2060年的碳排放，在2040年后开始逐步发挥出减排效果。相比冻结情景，2060年两种新动力能源情景下分别实现26%和40%的减排效果，累计减排成本分别增加7.2万亿元和1.2万亿元。支线飞机在市场占比很小，难以对行业整体减排产生明显作用，随着货运机和窄体机在2040年逐步应用新动力能源，减排作用开始逐步显现。新动力能源推广情景1在2049年实现碳排放达峰，并在之后进入排放平台期，2060年碳排放为2.9亿t；新动力能源推广情景2在2044年实现碳排放达峰，之后碳排放进入快速下降阶段，2060年碳排放为2.3亿t。因此，依赖新动力飞机情景主要是在后期发挥减排效果。
3.1.4碳抵消机制
碳排放权交易通过市场机制控制和减少温室气体排放，为行业低碳发展提供新思路。国际上旨在通过市场手段抵消国际航班碳排放的国际航空业碳抵消与削减机制（CORSIA）将于2027年正式进入第二阶段（强制阶段），中国《民航绿色发展专项规划》明确提出“十四五”期间推动建立统筹国内、国际碳市场的运输航空飞行活动碳减排市场机制。文中设置3种碳抵消机制的作用场景，情景1表示中国民航业自2027年开始通过使用合格排放单元的方式来抵消无法通过航空技术改进、日常运营技改以及SAF应用等措施的国际航班碳排放；情景2表示在情景1的基础上大力推动国内碳市场建设，不断扩大行业纳入碳市场的交易比例，增加碳排放交易份额至覆盖国内65%行业排放；情景3在情景2的基础上进一步增大实施力度，逐渐将当年行业全部碳排放纳入到全国碳市场交易行为。
模型结果表明，实施碳抵消机制对于行业碳排放的影响是直接且显著的，相比冻结情景，在碳抵消机制情景1、情景2和情景3下行业2060年碳排放分别下降36%、78%和100%，累积碳减排成本分别增加7.4万亿元、15.9万亿元和18.0万亿元。相对于其他减排手段，碳抵消情景在行业减排成本明显升高的前提下也表现出了更加显著的减排效果，成本明显增加主要是碳价在后期拥有较大的增长空间所致。基于市场机制的碳抵消政策对于行业实施减排行动来说初期成本相对低且减排效果更好，因此航空公司前期可能会倾向于购买合格的排放单元而不是其他直接的减排手段。但考虑到未来碳市场供应和价格的不确定性以及减排项目的长期有效性，行业过度依赖碳抵消机制可能会面临较大不确定性和风险。
3.1.5高铁替代
随着我国“八纵八横”高铁网络的不断发展和完善，高铁出行成为航空运输的重要补充方式，然而现有研究指出高铁会对航空运输需求产生负面影响，对航空业产生冲击和挤占效果[29]。设置替代系数为0.1×10-4的高铁替代情景1和0.2×10-4的高铁替代情景2的情景模拟。
模型结果表明，随着高铁网络的不断发展，高铁替代效应可以发挥出一定的减排效果。高铁运输降低了部分航空旅客的潜在需求，加速不同出行方式旅客行为偏好的分化进程，从而对民航减排产生积极影响。相比冻结情景，高铁替代情景1和情景2在2060年分别减少0.1亿t和0.2亿t碳排放，仅分别减排3%和6%。但高铁替代情景相对其他减排措施并不需要民航额外增加相应的减排成本和其他资金投入，因此高铁替代措施对于民航业来说是一种相对绿色、性价比较高的节能减排方式。
3.2组合政策模拟
从以上研究结果可以看出，中国民航业依赖单一节能减排手段实现低碳可持续发展的目标愿景存在局限性，需要综合考虑各种减排措施的组合实施效果、减排成本和现实可行性，从而更全面地适应未来复杂多变的外部环境。组合政策模拟情景设置见表2。同时，考虑到各项措施之间存在成本竞争和相互影响，故设定：（1）SAF的生产和应用成本在前期高于传统化石燃料时会限制其推广和应用，航空公司会倾向于选择继续使用传统化石燃料和节能技术，从而发挥对节能技术进步的促进作用，后期技术的进步和政策支持使SAF应用成本逐渐降低从而增强其市场竞争力，表现出对节能技术进步的挤出效应。（2）新动力能源情景应用成本明显高于节能技术进步，故设定其长期表现出对技术进步的促进作用。（3）在碳抵消机制初期，航空公司会由于相对低的碳价格倾向于直接购买碳抵消额度来满足减排要求，而不是积极投入研发和应用节能技术且缺乏足够动力去推广SAF、探索和应用新动力能源飞机，从而导致其他减排措施的实施力度减弱，后期碳价攀升至明显高于当年其他措施的减排成本时，这些减排措施的实施力度将得到增强。（4）高铁情景下短途航空旅行的减少使航空公司更加关注长途航班的运营效率和减排，而长途航班通常具有更高的能耗和碳排放，因此节能技术优化能够放大长途航班的减排效果，从而更有效地降低行业碳排放。8种组合政策情景下的模型仿真运行结果如图2和表3所示。
2020—2060年间基准情景、替代情景、力度情景、抵消情景、高铁情景、综合情景1和综合情景2相对于冻结情景分别累计减少碳排放32.8亿t、37.7亿t、57.9亿t、57.5亿t、27.6亿t、88.4亿t和99.2亿t。基准情景通过实施传统节能技术和替代燃料可减排48%，带来8.0万亿元的累计减排成本；替代情景由于考虑了新动力能源应用的飞机革命情景，其在2035年后新动力能源规模化推广的减排效果开始显现，虽然相比基准情景，减排率提升了13%，但累计减排成本也明显增加；力度情景在此基础上采取更激进的实施力度，减排率达到88%，累计减排成本也约为基准情景的3倍；抵消情景累计减排成本略高于基准情景，但边际减排成本小于基准情景，这是由于前期较低的碳价使购买碳排放配额的成本较低，从而降低了其整体的边际减排成本；虽然高铁情景的减排率最差，仅为21%，但相应累计减排成本也最低；综合情景1由于发挥更多组合政策实施效果，其长期减排效果明显提升，累计减排成本达到23.3万亿元；综合情景2在综合情景1的基础上应用组合政策力度加大，减少更多碳排放，累计减排成本也增加了21%，边际减排成本和综合情景1基本一致，两种综合情景下的边际减排成本均低于平均值。
整体来看，不同减排技术手段的应用带来行业减排率提升和减排成本改变，同时采用多种政策的组合模拟情景可以更全面地实现行业的脱碳发展，中国民航单纯依靠自身内涵式发展难以实现碳中和，需要依靠外部抵消的综合措施才可能实现净零排放的长期目标。
4、研究结果与讨论
（1）构建的中国民航减排路径综合评估模型，基于SD原理和情景分析方法从减排率、减排成本以及现实可行性等多维度系统评估行业多种可能的脱碳路径方案，考虑了行业特性和现实约束以及民航业在运营、管理、技术革新和政策实施等方面的现实情况，确保了评估结果的全面性和实用性，探讨了不同发展情景下行业碳排放变化趋势和脱碳方案的综合实施效果。
（2）冻结情景在不考虑燃油效率提升以及其他减排手段的发展路径模拟中，行业碳排放持续走高并在2060年达到3.9亿t。同类型研究中，李心怡等[10]和韩博等[30]的中国民航运输碳排放峰值预测虽然和本文选的关键碳排放影响因子不同，但其基于各影响因素平缓增长的趋势外推预测的碳排放峰值预测结果和本文冻结情景较接近。
（3）单一政策模拟方案无法实现行业的碳中和式长期发展目标。具体地，在节能技术进步模拟中，行业依靠传统技术进步手段实现了减排效果稳步提升，减排率为8%～10%，虽然减排效果相对有限，但是长期来看还是应重视其带来的直接能源消耗和碳排放减少；替代燃料应用在短期内可以明显抑制行业碳排放，助力行业碳排放进入平台期，减排率为43%～77%，但航空公司运营成本明显增加，因此未来SAF产能和价格是影响替代燃料规模化推广的关键；新动力能源推广主要依赖飞机清洁能源转型在2040年后发挥对行业脱碳的积极作用，减排率为26%～40%；碳抵消机制通过市场化手段具有明显的减排效果和巨大的潜在减排空间，但过度依赖碳抵消机制可能会面临较大的碳价和市场的不确定性风险，不利于行业减排项目的长期有效性；高铁替代的减排空间相对受限，减排率较低，但不会带来额外的减排成本，相对其他措施是一种性价比高、相对绿色的节能减排方式。
（4）不同措施的组合政策表现出不同的减排率、累计减排成本和边际减排成本。组合政策的累计减排成本最高的是综合情景2（28.2万亿元），最低为高铁情景（4.0万亿元）；边际减排成本最高的是力度情景（0.45万元/tCO2），其次是替代情景，最低的是高铁情景。抵消情景边际减排成本和碳市场价格关系密切。组合策略的模拟结果表明，民航应采用多种策略的组合手段才有可能实现行业的脱碳式发展，依靠自身手段难以在2060年实现净零排放的目标。综合情景1的累计减排成本较低但无法实现行业的净零排放目标，综合情景2在综合考虑应用成本的情况下实现零排放，且边际减排成本低于平均水平，是具备更好减排效果和经济适用性的最优路径方案。
（5）随着减排措施的实施力度加大，各项措施之间的规模效应和协同效应逐渐显现。例如，采用多种组合政策的综合情景减排效果更好，虽然总减排成本有所上升，但其减排的边际成本均低于平均值，说明组合策略能够使不同政策间实现互补和强化从而使减排效果更明显，同时降低了单位CO2减排量的应用成本。本文结果与许绩辉等[31]计算得到的平均总成本大致接近，虽然可能由于其研究方法考虑了各项减排技术的全周期成本，导致各情景下的边际减排成本普遍低于本文，但本文侧重于直接应用成本的分析，以便更准确地把握技术方案在实际应用中的直接减排成本。
综上，为实现中国民航业长期脱碳发展目标，行业应在短期内积极推广SAF规模化应用，中期加大对于氢能、电能、混合动力飞机的研发引进，积极采用高铁替代等综合交通方式，长期持续改进行业节能减排技术水平，推动民航业纳入全国碳市场。这涉及到技术创新、航空燃料改进、运营优化、碳市场参与等多个方面。因此，中国民航业要实现低碳可持续的发展目标，需要将多种行业减排措施实现综合的科学合理应用，使中国民航业在低碳可持续发展的道路上能够不断坚实地迈进。
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