北京—烏魯木齊航線民航客機(jī)巡航時(shí)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(fā)展戰(zhàn)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(shù)據(jù)和ADSB真實(shí)飛行軌跡數(shù)據(jù)，分析了北京—烏魯木齊航線民航客機(jī)巡航時(shí)間的變化特征。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：（1）高空西風(fēng)強(qiáng)時(shí)，北京到烏魯木齊巡航時(shí)間長;高空西風(fēng)弱時(shí)，北京到烏魯木齊巡航時(shí)間短;（2）利用高空真實(shí)風(fēng)場(chǎng)，溫度場(chǎng)和航行速度三角形，可以模擬出該航線的巡航時(shí)間，模擬結(jié)果與ADSB真實(shí)巡航時(shí)間有較好的一致性;（3）使用225hPa和250hPa高度的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬出的巡航時(shí)間和真實(shí)巡航時(shí)間更加接近;（4）使用05UTC，300hPa高度的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬出的巡航時(shí)間最短，在該高度和時(shí)刻內(nèi)執(zhí)行航班可以提高空域和客機(jī)的利用率。

關(guān)鍵詞：北京—烏魯木齊航線;高空風(fēng)場(chǎng);巡航時(shí)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(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，旨在提高空中交通的運(yùn)行能力和可預(yù)測(cè)性[1]。目前有許多學(xué)者針對(duì)飛行軌跡的模擬方法進(jìn)行研究，李新勝[2]等基于不同高度風(fēng)場(chǎng)對(duì)飛機(jī)起落階段航向的影響，推算飛行的磁航向，在雷達(dá)模擬機(jī)上建立不同高度風(fēng)場(chǎng)對(duì)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(jīng)過的導(dǎo)航點(diǎn)連接而成，每兩個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)之間可采用等角航線進(jìn)行模擬。也就是說，從一個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)到另一個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)經(jīng)歷了三個(gè)階段：調(diào)整航向、直線飛行、調(diào)整航向。嚴(yán)麗娟[4]等考慮了高空風(fēng)的影響，對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)間的線路飛行模擬進(jìn)行了改進(jìn)。XavierPrats[5]等介紹了一種名為WEMSgen的軟件應(yīng)用程序。該程序?qū)︼w機(jī)飛行過程的受力進(jìn)行分析，經(jīng)過計(jì)算得到真空速，再利用航速三角形和水平風(fēng)場(chǎng)就可以計(jì)算得到對(duì)地速度。

在高空風(fēng)的影響下，部分航線去程與返程所需時(shí)間有較大差距[6]。黃成濤[7]等發(fā)現(xiàn)在飛行距離相同時(shí)，順風(fēng)會(huì)降低油耗，減少飛行時(shí)間。IslaRSimpson[6]提出在中緯度地區(qū)盛行西風(fēng)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(fèi)更長的時(shí)間。在航空器的實(shí)際運(yùn)行中，飛行時(shí)間將會(huì)在很大程度上影響燃油的消耗，直接關(guān)系到飛行成本。KristopherB.Karnauskas[8]等發(fā)現(xiàn)在北極濤動(dòng)和厄爾尼諾與南方濤動(dòng)控制下，高空風(fēng)場(chǎng)的變化增加了夏威夷至美國大陸往返飛行總時(shí)間。對(duì)于夏威夷到美國國內(nèi)的三條航線（每天12個(gè)航班），高空風(fēng)場(chǎng)的年增加趨勢(shì)會(huì)導(dǎo)致這些航線的飛行總時(shí)間以每年133個(gè)小時(shí)的趨勢(shì)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(duì)民航客機(jī)的飛行時(shí)間有一定影響。PaulDWilliams[9]發(fā)現(xiàn)在CO2濃度加倍的場(chǎng)景下模擬出的200hPa高度風(fēng)場(chǎng)變化會(huì)使跨大西洋航路的飛機(jī)平均飛行時(shí)間增加?？梢姼呖諝庀髼l件對(duì)航空業(yè)的經(jīng)濟(jì)效率、時(shí)間效率都有較大的影響。但目前相關(guān)研究主要集中在北美，歐洲等地的主要航線，針對(duì)國內(nèi)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(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)圈出發(fā)，經(jīng)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(jié)點(diǎn)，是發(fā)展西部大開發(fā)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要中心城市[11]。李萌潔[12]指出，烏魯木齊機(jī)場(chǎng)作為絲綢之路的重要交通樞紐，仍有較大發(fā)展空間。因此，對(duì)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)相關(guān)航線的研究有利于促進(jìn)流量管制和行業(yè)政策不斷優(yōu)化，為民航業(yè)提供更有利的發(fā)展環(huán)境。從發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略性和前瞻性看，需要充分發(fā)揮烏魯木齊機(jī)場(chǎng)的地緣區(qū)位優(yōu)勢(shì)，打造連接歐亞大陸兩端的國際航空樞紐[13]，故本文對(duì)北京—烏魯木齊航線民航客機(jī)巡航時(shí)間的變化特征進(jìn)行研究。

1數(shù)據(jù)和方法

本文以北京到烏魯木齊航線民航客機(jī)巡航階段飛行時(shí)間作為研究對(duì)象。使用ERA5全球逐小時(shí)再分析大氣資料中的風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)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(shí)間范圍為2018年1月，共31天，每天24個(gè)時(shí)次。下載地址為：https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysisera5pressurelevels？tab=form.

根據(jù)廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（AutomaticDependentSurveillanceBroadcast，ADSB）數(shù)據(jù)中各航班飛機(jī)的四維信息（經(jīng)度、緯度、高度和時(shí)間），可以確定不同航班真實(shí)飛行軌跡。本文收集了6個(gè)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(shù)據(jù)。圖1所示為航班HU7245在2018年1月真實(shí)飛行軌跡的經(jīng)度高度剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)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(shí)可以發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的巡航高度大致在225hPa300hPa之間。

利用ADSB數(shù)據(jù)中HU7245航班真實(shí)軌跡中巡航階段每個(gè)空間坐標(biāo)的時(shí)刻值，可以計(jì)算該航班2018年1月每天的巡航時(shí)間。其中1月23日巡航時(shí)間最長，總用時(shí)為209min;1月11日巡航時(shí)間最短，總用時(shí)為155min。如圖2所示為該航班在1月23日和11日的真實(shí)水平軌跡圖和250hPa真實(shí)風(fēng)場(chǎng)分布圖。1月23日250hPa高度處的西風(fēng)在飛行方向上（從東向西）的分量較大，即逆風(fēng)影響較大，航班巡航時(shí)間較長。1月11日西風(fēng)在飛行方向上（從東向西）的分量較小，即逆風(fēng)影響較小，航班巡航時(shí)間較短。我們發(fā)現(xiàn)高空風(fēng)場(chǎng)對(duì)于飛機(jī)的巡航總時(shí)間的影響較大。

由國內(nèi)航圖資料匯編（NationalAeronauticalInformationPublication，NAIP）可知北京到烏魯木齊航線的標(biāo)準(zhǔn)軌跡數(shù)據(jù)。為計(jì)算該段標(biāo)準(zhǔn)航跡的巡航時(shí)間，需要計(jì)算航線上每相鄰兩個(gè)導(dǎo)航點(diǎn)之間的巡航時(shí)間，進(jìn)而累計(jì)求和得到總巡航時(shí)間：