北京—烏魯木齊航線民航客機巡航時間的變化特征研究

陳楠 張瀾譯 劉樂園 武凱軍

摘要：北京—烏魯木齊航線是連通我國東西部最重要的航線之一。在“一帶一路”發展戰略的背景下，作為我國和中亞之間的橋梁，北京—烏魯木齊航線也正扮演著越來越重要的角色。本文使用ERA5全球大氣再分析數據和ADSB真實飛行軌跡數據，分析了北京—烏魯木齊航線民航客機巡航時間的變化特征。結果發現：（1）高空西風強時，北京到烏魯木齊巡航時間長;高空西風弱時，北京到烏魯木齊巡航時間短;（2）利用高空真實風場，溫度場和航行速度三角形，可以模擬出該航線的巡航時間，模擬結果與ADSB真實巡航時間有較好的一致性;（3）使用225hPa和250hPa高度的風場和溫度場模擬出的巡航時間和真實巡航時間更加接近;（4）使用05UTC，300hPa高度的風場和溫度場模擬出的巡航時間最短，在該高度和時刻內執行航班可以提高空域和客機的利用率。

關鍵詞：北京—烏魯木齊航線;高空風場;巡航時間;航行速度三角形

高效精確的航班飛行軌跡模擬是未來空管系統的關鍵技術之一，旨在提高空中交通的運行能力和可預測性[1]。目前有許多學者針對飛行軌跡的模擬方法進行研究，李新勝[2]等基于不同高度風場對飛機起落階段航向的影響，推算飛行的磁航向，在雷達模擬機上建立不同高度風場對于起落階段航向的影響模型。母攀良[3]提出在飛行的過程中，航路是由航空器經過的導航點連接而成，每兩個導航點之間可采用等角航線進行模擬。也就是說，從一個導航點到另一個導航點經歷了三個階段：調整航向、直線飛行、調整航向。嚴麗娟[4]等考慮了高空風的影響，對兩個關鍵點間的線路飛行模擬進行了改進。XavierPrats[5]等介紹了一種名為WEMSgen的軟件應用程序。該程序對飛機飛行過程的受力進行分析，經過計算得到真空速，再利用航速三角形和水平風場就可以計算得到對地速度。

在高空風的影響下，部分航線去程與返程所需時間有較大差距[6]。黃成濤[7]等發現在飛行距離相同時，順風會降低油耗，減少飛行時間。IslaRSimpson[6]提出在中緯度地區盛行西風帶的作用下，大西洋的往返航班在從東到西的航行中通常要比從西向東的航行花費更長的時間。在航空器的實際運行中，飛行時間將會在很大程度上影響燃油的消耗，直接關系到飛行成本。KristopherB.Karnauskas[8]等發現在北極濤動和厄爾尼諾與南方濤動控制下，高空風場的變化增加了夏威夷至美國大陸往返飛行總時間。對于夏威夷到美國國內的三條航線（每天12個航班），高空風場的年增加趨勢會導致這些航線的飛行總時間以每年133個小時的趨勢遞增。這將在每年帶來額外的480000加侖燃油消耗和140萬美元的燃料成本。所以高空氣候變化對民航客機的飛行時間有一定影響。PaulDWilliams[9]發現在CO2濃度加倍的場景下模擬出的200hPa高度風場變化會使跨大西洋航路的飛機平均飛行時間增加。可見高空氣象條件對航空業的經濟效率、時間效率都有較大的影響。但目前相關研究主要集中在北美，歐洲等地的主要航線，針對國內航線的研究仍具有較大空白。

新疆地處亞歐大陸中心，自古就是絲綢之路的核心地帶。如今，絲綢之路經濟帶分為北、中、南三條通道，三條通道交匯于新疆。其中北通道從京津冀核心經濟圈出發，經新疆直至哈薩克斯坦、俄羅斯等國[10]。烏魯木齊是新疆的首府，處于絲綢之路沿線節點，是發展西部大開發戰略性新興產業、高新技術產業和循環經濟的重要中心城市[11]。李萌潔[12]指出，烏魯木齊機場作為絲綢之路的重要交通樞紐，仍有較大發展空間。因此，對烏魯木齊機場相關航線的研究有利于促進流量管制和行業政策不斷優化，為民航業提供更有利的發展環境。從發展規劃的戰略性和前瞻性看，需要充分發揮烏魯木齊機場的地緣區位優勢，打造連接歐亞大陸兩端的國際航空樞紐[13]，故本文對北京—烏魯木齊航線民航客機巡航時間的變化特征進行研究。

1數據和方法

本文以北京到烏魯木齊航線民航客機巡航階段飛行時間作為研究對象。使用ERA5全球逐小時再分析大氣資料中的風場和溫度場數據，數據水平分辨率為0.25°×0.25°，垂直分辨率為37層（選擇其中的三層：225hPa，250hPa和300hPa等壓面），時間范圍為2018年1月，共31天，每天24個時次。下載地址為：https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysisera5pressurelevels？tab=form.

根據廣播式自動相關監視（AutomaticDependentSurveillanceBroadcast，ADSB）數據中各航班飛機的四維信息（經度、緯度、高度和時間），可以確定不同航班真實飛行軌跡。本文收集了6個從北京到烏魯木齊的航班（CA1295、CA1477、CZ6906、CZ6910、HU7245、HU7354）在2018年1月的ADSB數據。圖1所示為航班HU7245在2018年1月真實飛行軌跡的經度高度剖面圖，可以發現北京—烏魯木齊航線的巡航階段大約在88.95°E和114.5°E之間，即圖中紅線之間范圍。同時可以發現，飛機的巡航高度大致在225hPa300hPa之間。

利用ADSB數據中HU7245航班真實軌跡中巡航階段每個空間坐標的時刻值，可以計算該航班2018年1月每天的巡航時間。其中1月23日巡航時間最長，總用時為209min;1月11日巡航時間最短，總用時為155min。如圖2所示為該航班在1月23日和11日的真實水平軌跡圖和250hPa真實風場分布圖。1月23日250hPa高度處的西風在飛行方向上（從東向西）的分量較大，即逆風影響較大，航班巡航時間較長。1月11日西風在飛行方向上（從東向西）的分量較小，即逆風影響較小，航班巡航時間較短。我們發現高空風場對于飛機的巡航總時間的影響較大。

由國內航圖資料匯編（NationalAeronauticalInformationPublication，NAIP）可知北京到烏魯木齊航線的標準軌跡數據。為計算該段標準航跡的巡航時間，需要計算航線上每相鄰兩個導航點之間的巡航時間，進而累計求和得到總巡航時間：