Modelling of contrail climate effects with the AviTeam and the CoCiP model

Abstract

Luftfartssektoren bidrar i dag til omtrent 2,4% av den årlige globale menneskeskapte CO2-utslippene. De beste estimatene per i dag viser imidlertid at kondensstriper fra luftfarttøy bidrar til minst like mye klimapådriv som CO2-utslippene. Forbedringer i energieffektivitet er ikke tilstrekkelig for å holde tritt med den anslåtte veksten i utslipp fra luftfartssektoren, og ytterligere tiltak for å redusere klimapåvirkninger må vurderes. Siden kondensstriper potensielt har en betydelig rolle innen klimapåvirkningen til luftfart, er modellering av kondensstriper og kvantifisering av deres klimapåvirkninger et svært aktuelt tema innen forskning i luftfartssektoren. Denne oppgaven undersøker muligheten for å utvide rammeverket til Aviation Transport Emission Assessment Model (AviTeam) med Contrail Cirrus Prediction (CoCiP)-modellen, til også å ta hensyn til formasjon av kondensstriper som følge av flyutslipp. Det nye AviTeam-CoCiP-rammeverket er testet på et datasett bestående av innenlandsflyvningene i Norge 2019. Oppgaven identifiserer styrken og begrensningene til dette nye rammeverket, og sammenligner resultatene av kondensstripe-simuleringene med litteraturen. Simuleringsresultatene estimerer gjennomsnittlig netto strålingspådriv (RF') i datasettet til å være 1,23 W/m^2, og energipådriv (EF) per flyavstand til å være 0,0163*10^8 J/m. Sammenlignet med de globale verdiene i 2019, er forskjellen i den førstnevnte beregningen bare +0,8%, mens forskjellen i den sistnevnte verdien er -90%. Basert på karakteristikkene til flygingene som er inkludert i denne oppgaven, sammenlignet med de i de globale estimatene, kan tyde på at kortdistanseflyvninger, som typisk flyr i lavere høyder, kan bidra til betydelig mindre klimapåvirkning fra kondensstriper sammenlignet med lengre flyreiser. Videre viser statistikken i denne oppgaven den forventede variasjonen i EF avhengig av årstider og tider på døgnet. Til tross for at fordelingen av flytrafikken er relativt jevn mellom årstidene, var vinter- (desember, januar og februar) og høstmånedene (september, oktober og november) ansvarlige for 81% av den årlige totale EF. Dessuten ble bare 26% av flyavstanden tilbakelagt mellom klokken 18:00 og 06:00, men denne tidsperioden utgjorde 93% av den totale EF per dag. Det er også funnet at 2% av flyvningene er ansvarlige for 80% av den årlige totale EF. Disse forskjellene i klimapåvirkningene er nært knyttet til den forskjellige mengden sollys som er tilstede på det tidspunktet det flys, noe som også avhenger av årstidene og tidspunktet på dagen. Dermed avslører resultatene de spesifikke egenskapene til kondensstriper som produseres av innenlands flyvninger i Norge, og understreker også nødvendigheten og verdien av tids- og steds-eksplisitte utslippsmodelleringsverktøy som AviTeam for modellering av klimapåvirkinger innen luftfart.

The aviation sector currently contributes to about 2.4% of the global anthropogenic CO2 emissions annually. However, the current best estimates points to aviation contrails contributing to as much climate forcing as CO2 emissions. Improvements in engine and energy efficiency are not sufficient to keep up with the projected growth in emissions in the aviation sector, and implementation of additional mitigation options needs to be thoroughly considered. With contrails having a potentially significant role in climate impact of aviation, modelling of contrails and quantification of their climate forcings are at the forefront of climate change mitigation research in the aviation sector. This thesis investigates the opportunity to expand the framework of the Aviation Transport Emission Assessment Model (AviTeam) with the Contrail Cirrus Prediction (CoCiP) model, to also account for contrail formations resulting from aviation emissions. The new AviTeam-CoCiP framework is tested on a data set consisting of the domestic flights in Norway 2019. The thesis identifies the strengths and limitations of this new framework, and compares the results of the contrail simulations with the literature. The simulation results estimates the mean net instantaneous radiative forcing (RF') in the data set to be 1.23 W/m^2, and the energy forcing (EF) per flight distance to be 0.0163*10^8 J/m. Compared to the global values in 2019, the difference in the former metric is only +0.8%, while the difference in the latter metric is -90%. Based on the characteristics of the flights included in this study, compared to those in the global estimations, it is deduced that short haul flights, which typically flies at lower altitudes, might contribute to significantly less contrail climate forcing compared to the longer haul flights. Further, the statistics in this study shows the expected large variation in EF depending on the season and time of day. Despite the distribution of air traffic being relatively even among the seasons, the winter (December, January and February) and autumn (September, October and November) months were responsible for 81% of the annual total contrail EF. Moreover, only 26% of the flight distance was travelled between the hours 18:00 and 06:00, but this time period accounted for 93% of the total contrail EF of the day. It is also found that 2% of the flights are responsible for 80% of the annual total contrail EF. These large differences in contrail climate forcings are closely linked to the different amount of sunlight available at the time of flight, which depends on the seasons and the time of day. Thus, the results reveals the specific characteristics of contrails produced by domestic flights in Norway, and also underlines the necessity and value of geospatially and temporarily explicit emissions modelling tools such as the AviTeam for contrails climate impact modelling.