沿海低氧现象的水质监测：卫星图像与机器学习模型的结合应用

《Marine Pollution Bulletin》：Water quality monitoring for coastal hypoxia: Integration of satellite imagery and machine learning models

柴油-电动混合动力渡轮可降低NOx浓度达45%，显著改善港口及沿海居民区空气质量。通过GT-SUITE模型模拟发动机燃油消耗与NOx排放，结合AERMOD大气扩散模型分析Tsawwassen港实际气象与土地利用数据，量化了插电式混合动力系统对污染物空间分布的影响，为沿海交通脱碳提供新路径。

　　柴油-电动大型乘客渡轮在连接沿海社区方面发挥着关键作用。当前的柴油-电动动力系统使得这些渡轮成为实现脱碳的有吸引力的候选者，提供了一种经济且可行的路径。尽管减少燃料消耗和二氧化碳排放是混合系统公认的益处，但本研究的主要目标是量化和评估与混合动力系统相关的空气污染协同效益，特别是在渡轮码头及其周边区域，这些地方的人口暴露较高，沿海社区受到的影响也最为显著。研究评估了不列颠哥伦比亚省（BC）渡轮公司“海岸级”渡轮在常规柴油-电动动力系统下，以及在采用插电式混合推进系统时，对不列颠哥伦比亚省温哥华岛Tsawwassen港口的局部空气质量的影响。

为了估算柴油发动机的燃料消耗和氮氧化物（NOx）排放，研究开发了GT-SUITE?发动机模型，用于“海岸级”渡轮所使用的海上柴油发动机。利用渡轮交通数据和巡航、操作、靠泊等不同运行模式下的排放因子，研究通过车队活动基础方法计算了年度NOx排放量。计算出的NOx排放量、本地气象数据和沿海土地利用数据被用于AERMOD模型，以评估污染物浓度，分析海洋和住宅区域的浓度情况，并量化混合动力系统带来的空气质量效益。研究结果表明，混合化渡轮动力系统可能会减少NOx浓度高达45%，为脱碳效益提供显著的空气质量改善，尤其是在人口密集和环境敏感的沿海区域。

渡轮是全球航运业中重要的交通工具，特别是在许多沿海社区。它们的短途且可预测的航线为减少温室气体（GHG）和关键空气污染物（CACs）提供了理想的机遇。尽管渡轮在全球航运业中的GHG排放占比仅为2%-3%（国际海事组织，2021），但它们对港口社区的空气质量和CACs的贡献却非常显著。在不列颠哥伦比亚省，最繁忙的渡轮航线是在温哥华市和温哥华岛之间，三主要航线每天的单程渡轮数量在42至70艘之间。这些船只的载重约为10,000吨，可搭载100至360辆汽车和500至2100名乘客（“不列颠哥伦比亚省渡轮运营与可持续发展报告”，2022）。单程航程在45至70公里之间，巡航速度约为20节（37公里/小时），耗时1.5至2小时。渡轮运营对本地和沿海社区环境的影响已成为环境研究和政策措施的重要焦点。因此，一些减少环境影响的措施被提出作为政策建议（G?ssling等，2021）。

为了减少船舶排放，国际海事组织（IMO）制定了《防止船舶污染国际公约》（MARPOL）（MARPOL，2025；Ni等，2020），引入了针对氮氧化物（NOx）、硫氧化物（SOx）和颗粒物（PM）的Tier I、Tier II和Tier III排放标准。减少渡轮燃料消耗和CACs的迫切需求推动了对各种解决方案的研究。减少船舶排放的主要途径包括技术措施，如发动机效率提升、替代燃料和推进系统，以及运营措施，如速度降低和航线优化（Barreiro等，2022；Bouman等，2017；Garbatov和Georgiev，2024；Grigoriadis等，2024）。技术进步使得柴油发动机的效率得到了显著提升，在重型应用中，峰值效率超过了50%（Balazadeh Meresht等，2023）；类似的趋势也预计会出现在渡轮所使用的海上柴油发动机中（Nguyen等，2021）。

除了利用废气再循环（EGR）（Balazadeh Meresht等，2023；Ni等，2020）等技术，选择性催化还原（SCR）等尾气处理系统是减少船舶NOx排放最有效的技术（Elkaee等，2024；S. Feng等，2022）。替代燃料的探索进一步减少了航运业的环境影响。液化天然气（LNG）由于其现有的基础设施和对传统污染物及二氧化碳的减少，被认为是重要的过渡燃料（Gray等，2021）；然而，甲烷滑移会降低其整体温室气体效益（Balcombe等，2019；Bouman等，2017；Gray等，2021）。尽管甲醇提供了对现有船舶进行改造的潜力，但大规模生产仍面临挑战。氢气和氨气虽然提供了长期的前景，但在成本、存储和基础设施方面也存在障碍（Bilgili，2023；Gray等，2021；Zou和Yang，2023）。

除了发动机效率的提升和低碳燃料的采用，推进系统的重新设计也为减少排放提供了重要机会。目前，内燃机（ICE）仍然是海上运输中主要的能量转换系统，因其能够满足各种船舶类型的功率需求（Geertsma等，2017；Inal等，2022）。在大型沿海渡轮中，多个柴油发动机/发电机单元为电动机提供电能，而电动机则连接到螺旋桨轴。在短途、低速的航线中，柴油发电机单元可以被电池组取代，以实现全电动运行，而电池组可以在渡轮停泊时进行充电。在长途航线中，采用混合推进系统，将柴油发电机与电池结合使用，可以提供额外的效益。对于沿海乘客渡轮而言，其相对短且明确的航线使得推进系统架构的优化成为可能（Geertsma等，2017）。在短期内，柴油-电动混合船舶在实现空气质量合规和减少温室气体排放方面展现出巨大潜力（Inal等，2022；Nkesah和Solvoll，2024）。

研究显示，混合推进系统可以带来2%至45%的燃料消耗减少，具体取决于混合系统的设计（Bouman等，2017；Y. Feng等，2019；Lindstad和Sandaa，2016；Sciberras等，2015）。在传统柴油-电动混合的滚装/滚卸乘客（RO-PAX）渡轮中，通过引入电池或超级电容器，已被证明在港口停泊期间可以显著减少燃料消耗，主要原因是减少柴油发电机的运行和峰值负载（Barone等，2024；Ritari等，2020）。尽管已有研究探讨了混合渡轮的燃料节约效益，但尚未研究混合推进系统对港口空气质量的影响，这在文献中留下了一定的空白。已有研究探讨了乘客或RO-PAX渡轮对空气质量的影响，主要集中在使用传统柴油-电动推进系统的船舶上。Krecl等（Krecl等，2020）通过实验收集，评估了巴西境内乘客渡轮中黑碳和颗粒数（PN）的暴露情况，考虑了海风对清洁或污染效果的影响，根据风向变化。研究发现，黑碳暴露水平远高于全球其他地区的渡轮航行，强调了制定和执行乘客渡轮排放标准的紧迫性，并提出了实施检查和维护计划的建议。

Onat等（Onat等，2019）通过测量渡轮和码头上的黑碳和颗粒物（PM2.5）浓度，旨在评估400名乘客容量的快速渡轮和108辆汽车、600名乘客容量的汽车渡轮中乘客对污染物的暴露情况。研究发现，当渡轮靠泊时，污染物浓度最高。此外，结果还表明，快速渡轮对黑碳和PM2.5的暴露最为严重。已有研究探讨了船舶排气排放对局部和区域空气质量的影响。然而，之前研究中评估的船舶并未配备替代推进系统，如混合动力系统。这些研究主要分析了港口区域活动所产生的CACs对空气质量的影响，尤其是船舶在靠泊期间的排放。文献中的研究主要评估了多种船舶类型的综合排放，包括集装箱船、散货船、油轮、普通货物船、车辆运输船、游轮、以及RO-RO和RO-PAX渡轮。这些研究在不列颠哥伦比亚省温哥华岛的Salish Sea地区进行了分析，同时也在美国洛杉矶港口（Agrawal等，2019）、意大利那不勒斯港（Toscano等，2021）、南非德班港（Manqele等，2024）、丹麦哥本哈根港（Lans?等，2023）以及意大利南部的爱奥尼亚海（Lonati等，2010）等地区进行了研究。这些研究利用CALPUFF、AERMOD和OML-Multi大气扩散模型，量化了包括NOx、SOx、PM、一氧化碳（CO）和挥发性有机化合物（VOCs）在内的CACs，并评估了气象条件对污染物浓度的影响，同时将其与环境空气质量标准进行了比较。

这些研究强调了渡轮NOx排放对港口和沿海社区空气质量的显著贡献，有时甚至导致监管限值的超标。例如，巴塞罗那的一项研究得出结论，NO2导致的8%过早死亡与港口活动有关（Mueller等，2024）。Lonati等（Lonati等，2010）在爱奥尼亚海进行的大气扩散建模研究显示，最暴露的区域是在海上和港口，NO2的1小时浓度经常超过参考标准。在南非德班港的研究中，也观察到了NO2峰值短期浓度的超标（Manqele等，2024）。在意大利那不勒斯港，Toscano等（Toscano等，2021）基于900艘船舶的信息，创建了完整的NOx、二氧化硫（SO2）和PM排放清单，并进行了扩散建模。研究发现，污染物的年平均浓度与接收器距离港口的距离有关。对于NO2，其贡献范围为5%至64%；对于SO2，其贡献为1%至92%；而对于总PM10，其贡献为1%至11%。同样，Lans?等（Lans?等，2023）研究了哥本哈根港的345艘游轮，指出游轮的NOx小时最大值超过了标准限值，同时游轮使港口的NO2年平均浓度比城市背景水平提高了31%。Karl等（Karl等，2019）通过扩散建模发现，船舶排放占整个波罗的海地区年平均NO2水平的40%以上。

本研究的目标是评估混合化渡轮动力系统对本地空气污染物排放的影响，尤其是在港口环境和沿海社区中。研究假设，由于低功率需求的短暂运行模式，如怠速和操作，占主导地位，因此渡轮混合化在港口终端的空气污染协同效益可能比温室气体（GHG）效益更为显著。具体而言，本研究聚焦于评估插电式混合动力系统在RO-PAX渡轮上实施后，对短途重复航行的NOx排放变化的影响。通过在不同混合架构上进行嵌套优化，并量化插电式混合设计的燃料消耗减少，本研究进一步分析了混合动力系统对空气质量的影响。

由于混合动力系统在不同运行模式下的操作方式各异，取决于负载、速度和电池状态，因此其排放，特别是NOx，可能会有显著波动。通过详细的NOx排放因子建模和扩散模拟，本研究旨在提供一种现实的评估，以了解这种系统对港口和社区空气质量的影响。NOx被选为代表性污染物，因为其与柴油燃烧有直接联系，且受非海上来源（如灰尘）的干扰较小。同时，NOx在研究区域内的船舶排放中贡献显著。最终，我们希望理解减少运营过程中二氧化碳排放如何转化为对NOx及其在沿海环境中的空间扩散的实质性减少。

本文的其余部分组织如下。第二部分描述了研究方法，包括整合建模框架，如发动机模型的开发、排放因子的计算、混合动力系统配置及其运行模式，以及扩散建模。第三部分将展示和讨论能量消耗分析、NOx排放比较和空间空气质量评估的结果。第四部分将总结关键发现，并强调未来工作的机会。

研究方法部分详细介绍了研究的整合建模方法，从动力系统优化到排放因子计算，再到扩散建模，以评估混合推进系统对RO-PAX渡轮的环境影响。研究开发了一个1-D柴油发动机燃烧模型，使用GT-SUITE?并基于五种不同的发动机负载进行了实验数据验证。通过该模型，得出了燃料消耗和NOx排放因子。此外，研究还结合了基准柴油-电动推进系统的运行模式，评估了不同运行阶段对总体NOx排放的贡献。研究使用了AERMOD模型，该模型已被证明能有效捕捉污染物浓度趋势，可以评估混合动力系统对港口及周边区域空气质量的影响。

研究结果表明，混合化渡轮动力系统在港口终端附近可能带来显著的NOx浓度减少，从而改善空气质量。通过详细的建模和分析，研究还评估了不同混合架构对燃料消耗和NOx排放的影响。研究发现，插电式混合动力系统在短途航行中表现出更高的能源效率，同时在港口停泊期间有效降低了NOx排放。此外，研究还分析了气象条件对污染物扩散的影响，结合土地利用数据，评估了不同区域的空气质量变化。研究结果表明，混合化动力系统不仅有助于减少温室气体排放，还能在一定程度上改善空气质量，特别是在人口密集和环境敏感的沿海区域。

在讨论部分，研究进一步分析了混合动力系统在不同运行模式下的表现。通过将排放因子与运行模式结合，研究评估了各阶段对NOx排放的贡献。此外，研究还分析了气象条件对污染物扩散的影响，结合土地利用数据，评估了不同区域的空气质量变化。研究发现，混合动力系统在短途航行中表现优异，同时在港口停泊期间有效降低了NOx排放。研究还指出，气象条件对污染物扩散具有重要影响，特别是在港口终端和沿海社区中，污染物的浓度和分布受到风向、风速等条件的显著影响。因此，结合这些因素进行建模分析对于准确评估混合动力系统对空气质量的影响至关重要。

研究结论部分总结了混合化渡轮动力系统对港口终端附近NOx浓度的影响。研究整合了发动机和扩散模型，以估算在不列颠哥伦比亚省Delta地区Tsawwassen港口终端周边的排放及其空间分布。研究特别关注不列颠哥伦比亚省“海岸级”渡轮的中期翻新计划，评估了实施插电式混合动力系统的空气质量效益。研究发现，混合化动力系统不仅有助于减少温室气体排放，还能在一定程度上改善空气质量，特别是在人口密集和环境敏感的沿海区域。通过详细的建模和分析，研究强调了混合动力系统在减少局部空气污染方面的潜力，以及其在实现可持续发展目标中的重要性。

在研究过程中，研究团队还注意到了一些关键的挑战和机遇。例如，尽管混合动力系统在减少燃料消耗和NOx排放方面表现出显著优势，但其在实际应用中仍面临技术、经济和基础设施等方面的挑战。此外，混合动力系统的推广还需要考虑社会接受度和政策支持。因此，研究团队建议，未来的政策制定应更加注重混合动力系统的综合效益，包括空气质量改善和温室气体减排，同时推动技术发展和基础设施建设，以确保混合动力系统的可行性和可持续性。此外，研究团队还指出，混合动力系统的实施需要结合当地环境条件和交通模式，以实现最佳的减排效果。

研究团队还强调了跨学科合作的重要性。在评估混合动力系统对空气质量的影响时，不仅需要考虑工程和技术方面的因素，还需要结合环境科学、气象学和社会科学的研究成果。例如，气象条件对污染物扩散的影响是不可忽视的，因此在建模过程中需要考虑风向、风速、温度和湿度等因素。此外，土地利用数据也是评估污染物浓度和分布的重要依据，特别是在港口终端和沿海社区中，不同的土地利用类型对污染物的扩散和累积具有不同的影响。因此，研究团队建议，在未来的类似研究中，应更加注重跨学科合作，以确保评估的全面性和准确性。

最后，研究团队还提出了未来研究的方向。例如，除了评估混合动力系统对NOx排放的影响外，还需要进一步研究其对其他污染物的影响，如PM2.5、CO和VOCs。此外，研究团队还建议，未来的研究应更加关注混合动力系统在不同运行模式下的表现，以及其对不同区域空气质量的影响。同时，研究团队还指出，混合动力系统的推广需要结合政策支持和经济激励，以确保其在实际应用中的可行性。通过持续的研究和技术发展，混合动力系统有望在未来成为减少船舶排放和改善空气质量的重要工具。