航空非二氧化碳气候影响的社会成本评估：凝结尾卷云与CO2排放的权衡分析

本文针对航空业气候影响的复杂性问题，通过改进的动态综合气候经济模型（DICE），首次系统量化了凝结尾卷云（contrail cirrus）与航空CO2排放的社会成本比率。研究团队通过分析50万班北大西洋航班数据，揭示了气象条件导致的巨大变异性，证明针对性航线调整可带来显著气候效益，为欧盟将非CO2效应纳入航空气候政策提供了关键科学依据。

　　

随着全球航空运输业的快速发展，其气候影响已超越单纯的二氧化碳排放问题。目前航空业约占全球年度CO₂排放量的2.5%，但由于非CO₂强迫因子的影响，其对当前气候变暖的实际贡献更大。其中最重要的非CO₂强迫因子就是凝结尾卷云（contrail cirrus），其有效辐射强迫（ERF）目前与航空CO₂的辐射强迫相当。

凝结尾卷云是在高温潮湿的飞机排气与足够寒冷潮湿的环境空气相遇时形成的。在形成过程中，排气中的水蒸气主要凝结在来自飞机排气的烟尘颗粒上。要使凝结尾在大气中持续存在超过几分钟，空气必须处于冰过饱和状态。在这种条件下，大气中的水蒸气会继续沉积在冰核上，最终云会升华。持续性凝结尾卷云的大气寿命通常在数小时量级。

凝结尾卷云同时具有升温和降温效应，因为它既吸收红外辐射又散射太阳辐射。因此，白天的凝结尾变暖影响要小得多，甚至可能产生净冷却效应。此外，冰过饱和区域在空间和时间上往往变化很大，且难以预测。因此，凝结尾卷云的特性取决于环境条件、燃料特性和发动机特性，导致其形成和变暖效应存在巨大的时空变异性和不确定性。在全球层面，估计约2-3%的航班产生了所有凝结尾卷云造成的80%的ERF。

相比之下，CO₂排放在大气中具有持久性影响。给定当前气候条件，一个排放脉冲在100年后仍有约40%留在大气中，1000年后仍有约20%。此外，CO₂的长大气寿命与海洋的热惯性相结合，导致累积CO₂排放与全球平均地表温度变化之间存在近乎线性的关系。这与凝结尾卷云的强迫在几小时内消散形成鲜明对比。因此，CO₂排放和凝结尾卷云的气候影响在时间动态上存在根本差异。

目前分析的缓解凝结尾影响的策略包括：（a）使用比现有化石航空燃料芳香烃含量更低的燃料；（b）使用排放较少烟尘的发动机；（c）通过重新规划航线以避免凝结尾形成区域。为了就航班重新规划、燃料选择、发动机开发和其他潜在缓解措施做出明智决策，必须使不同强迫因子的影响具有可比性，并评估不同缓解方案影响的不确定性。

本研究通过改进的动态综合气候经济模型（M-DICE），结合CoCiP模型输出，采用拉姆齐折扣方法，分析了三种折扣率、两条损害函数和三条气候路径下的社会成本。研究还通过分析北大西洋地区近50万次航班，量化了特定航班的凝结尾卷云社会成本，揭示了气象条件导致的巨大变异性。

研究发现CO₂的社会成本（SCC）强烈依赖于折扣率和损害函数，并在较小程度上依赖于未来温度路径。使用Howard & Sterner的损害函数和低折扣率时，SCC在1.5°C、2°C和3°C温度路径下分别为910、1200和1800美元/吨CO₂。对于中等折扣率，相应的估计值为400、510和710美元/吨CO₂，而对于高折扣率情况，估计值分别为84、93和110美元/吨CO₂。使用Nordhaus的损害函数时，社会成本比每种情况低三倍多。

短寿命强迫因子的社会成本能量强迫（SCEF）估计显示，使用Howard & Sterner损害函数和低折扣率时，SCEF在1.5°C、2°C和3°C温度路径下分别为0.19、0.22和0.29美元/吉焦。对于中等折扣率情况，相应的估计值为0.14、0.16和0.19美元/吉焦，而对于高折扣率情况，估计值为0.10至0.11美元/吉焦。

2019年全球航空CO₂排放量为8.85亿吨，凝结尾卷云能量强迫为999艾焦/年（RF=62.1毫瓦/平方米）。使用凝结尾卷云效能主要估计值0.42，得到效能调整后的能量强迫为420艾焦/年，估计的5%至95%区间为136至1410艾焦/年。基于Howard & Sterner的损害函数和低折扣率，航空CO₂的全球总社会成本在230亿美元/年至16000亿美元/年之间变化，而凝结尾卷云强迫的全球总社会成本在43亿美元/年至410亿美元/年之间变化。

凝结尾卷云与航空CO₂排放的全球社会成本比率在中等折扣率和中等温度路径（2°C稳定）下的中心估计值约为0.15。不确定范围相当大，该比率取决于折扣率、温度路径和假定的效能调整凝结尾卷云强迫，其中最大的不确定性来源来自效能调整的凝结尾能量强迫。

与全球变暖潜能值（GWP）估计值相比，研究发现凝结尾卷云的最佳估计GWP（按每质量单位CO₂排放计算）在50年时间范围内为0.57，100年时间范围内为0.33，500年时间范围内为0.094。GWP对时间范围的依赖性与社会成本比率对折扣率的依赖性之间存在相似性，即使GWP根植于物理科学，而社会成本比率根植于经济学。

对北大西洋地区477,923个航班的分析显示，约14%的航班产生负能量强迫（即冷却地球），48%不产生持续性凝结尾，其余38%通过凝结尾卷云形成产生正（变暖）强迫。对于变暖凝结尾卷云的航班，观察到相对气候影响的广泛范围，一部分航班产生的凝结尾影响比同一航班的CO₂排放高一个数量级。

重新规划航线的潜在效益分析表明，如果重新规划可以使每次航班的燃料使用损失为1%，那么社会成本比率高于0.01的所有航班都将带来气候影响的净减少。如果燃料损失高达每次航班5%，则有益重新规划的航班比例降至约30%。这些数字可能不代表北大西洋地区以外的其他地区，但本文采用的方法可推广到其他地区。

研究主要采用了改进的动态综合气候经济模型（M-DICE）和凝结尾卷云预测模型（CoCiP）相结合的方法。M-DICE模型基于拉姆齐-库普曼斯-卡斯最优经济增长模型，硬链接到气候模型，模拟CO₂排放及其减排成本，以及排放对碳循环、全球平均地表温度和经济损害的影响。CoCiP模型则基于ECMWF的ERA5再分析数据集，使用10成员集合来表征天气不确定性，具有0.5°×0.5°水平分辨率、37个压力水平和3小时时间分辨率。研究还采用了概率方法处理凝尾强迫不确定性，包括基于文献评估的能量强迫计算中的系统（非天气相关）不确定性估计，以及使用ERA5再数据集的10个集合成员对特定航班的天气相关变异性分析。

社会成本比率与全球变暖潜能值的比较

研究发现凝结尾卷云与航空CO₂排放的社会成本比率在中等折扣率和2°C温度目标下约为0.15。这一比率提供了凝结尾卷云相对于CO₂影响的度量，但正如预期的那样，它在很大程度上依赖于假设条件。通过变化折扣率、温度路径和效能调整凝结尾卷云强迫的假设，发现了从0.02到2的广泛可能比率范围。

北大西洋航班的社会成本异质性

对北大西洋地区特定航班的分析显示，凝结尾卷云影响存在巨大变异性。约14%的分析航班产生负能量强迫（即冷却地球），48%不产生持续性凝结尾，其余38%通过凝结尾卷云形成贡献正（变暖）强迫。对于具有变暖凝结尾卷云的航班，观察到相对气候影响的广泛范围，其中一部分航班产生的凝结尾影响比同一航班的相应CO₂排放高一个数量级。

重新规划作为缓解策略的潜力

分析还用于提供关于重新规划作为缓解策略的初步见解。研究发现，当使用特定航班凝结尾卷云强迫的主要估计值且额外燃料损失保持在1%以下时，重新规划将对约35%的航班具有气候益处，占所有预计产生净变暖凝结尾航班的90%以上。对于高达5%的燃料损失，有益重新规划的航班比例降至约30%。

本研究分析了航空CO₂排放和凝结尾卷云的社会成本，既从总体层面也在北大西洋地区近50万个航班的个体航班层面进行了分析。结合关于折扣率、温度路径和损害函数的一系列假设，以及凝结尾卷云变暖影响的不确定性和异质性，提供了广泛的社会成本估计范围。分析突出了像凝结尾卷云这样短寿命、不确定和异质的气候强迫因子与更可预测和长寿命的CO₂排放在一起的复杂性。

研究估计凝结尾卷云（SC-contrail）与CO₂排放（SCC）的社会成本全球平均比率在中等折扣率和2°C温度目标下约为0.15。该比率提供了凝结尾卷云相对于CO₂影响的度量，但强烈依赖于假设条件。与全球变暖潜能值（GWP）指标相比，基于社会成本的方法提供了一种进一步沿着因果链前进的方法，产生了更相关的数字，但具有更大的不确定性。

对北大西洋地区特定航班的分析显示了凝结尾卷云影响的巨大变异性。约14%的分析航班产生负能量强迫，48%不产生持续性凝结尾，其余38%通过凝结尾卷云形成产生正（变暖）强迫。对于具有变暖凝结尾卷云的航班，观察到相对气候影响的广泛范围，其中一部分航班产生的凝结尾影响比同一航班的CO₂排放高一个数量级。单独看这些航班，似乎存在重要的政策机会。

分析还可用于提供关于重新规划作为缓解策略的初步见解。研究发现，当使用特定航班凝结尾卷云强迫的主要估计值且额外燃料损失保持在1%以下时，重新规划将对约35%的航班具有气候益处。对于高达5%的燃料损失，有益重新规划的航班比例降至约30%。这里提出的数字可能不代表北大西洋地区以外的其他地区，但本文采用的方法可推广到其他地区。

凝结尾卷云形成、持续性和辐射强迫的高度不确定性要求对任何缓解政策采取谨慎态度。分析通过再分析方法纳入了关于天气和辐射的不确定性，以及使用CoCiP的EF输出概率缩放和效能的概率假设来模拟凝结尾卷云强迫的结构不确定性。通过考虑每个航班1000个效能调整能量强迫估计值，结果表明，重新规划的净气候效益的更高确定性要求（例如95%）降低了对于给定燃料损失水平有益重新规划的航班比例。

本研究提供的见解为欧盟当前将非CO₂航空影响纳入气候缓解法规的努力和其他相关政策努力提供了有价值的视角。从2025年开始，飞机运营商将被要求报告其运营的估计非CO₂影响，到2028年，欧盟委员会旨在提出立法以缓解非CO₂航空影响。了解不同强迫因子气候影响的影响、其异质性和不确定性，对于设计成本效益高的政策工具至关重要。

然而，目前巨大的不确定性和复杂性使得难以预测以及事后估计凝结尾形成及其变暖影响。有效的政策工具需要准确预测凝结尾持久性和辐射特性，以实现明智的缓解规划。此外，任何重新规划工作必须符合空中交通管制限制和安全问题，增加了本已具有挑战性的策略的进一步复杂性。潜在的初始政策重点可能是通过针对高影响航班时段和航线（例如冬季下午和夜间沿凝结尾易发路线的航班）来最小化凝结尾卷云影响。

最后，对于凝结尾卷云缓解倡议，关键不仅要确定预期凝结尾的有效辐射强迫，还要确定（1）如何评估随时间推移的气候影响，以及（2）如何权衡潜在缓解策略的确定性与不确定影响。这些决定本质上是价值负载的。科学本身无法确定适当的折扣率（或在估计GWP时确定截止时间范围），也无法确定将缓解措施分类为有效所需的净气候影响确定性水平。我们对减少气候影响的确定性要求越高，就越应该优先考虑具有可量化气候效益的减排方案。同样，我们越重视长期气候结果，就越应该强调减少长寿命温室气体的排放。