北京—乌鲁木齐航线民航客机巡航时间的变化特征研究

陈楠 张澜译 刘乐园 武凯军

摘要：北京—乌鲁木齐航线是连通我国东西部最重要的航线之一。在“一带一路”发展战略的背景下，作为我国和中亚之间的桥梁，北京—乌鲁木齐航线也正扮演着越来越重要的角色。本文使用ERA5全球大气再分析数据和ADSB真实飞行轨迹数据，分析了北京—乌鲁木齐航线民航客机巡航时间的变化特征。结果发现：（1）高空西风强时，北京到乌鲁木齐巡航时间长;高空西风弱时，北京到乌鲁木齐巡航时间短;（2）利用高空真实风场，温度场和航行速度三角形，可以模拟出该航线的巡航时间，模拟结果与ADSB真实巡航时间有较好的一致性;（3）使用225hPa和250hPa高度的风场和温度场模拟出的巡航时间和真实巡航时间更加接近;（4）使用05UTC，300hPa高度的风场和温度场模拟出的巡航时间最短，在该高度和时刻内执行航班可以提高空域和客机的利用率。

关键词：北京—乌鲁木齐航线;高空风场;巡航时间;航行速度三角形

高效精确的航班飞行轨迹模拟是未来空管系统的关键技术之一，旨在提高空中交通的运行能力和可预测性[1]。目前有许多学者针对飞行轨迹的模拟方法进行研究，李新胜[2]等基于不同高度风场对飞机起落阶段航向的影响，推算飞行的磁航向，在雷达模拟机上建立不同高度风场对于起落阶段航向的影响模型。母攀良[3]提出在飞行的过程中，航路是由航空器经过的导航点连接而成，每两个导航点之间可采用等角航线进行模拟。也就是说，从一个导航点到另一个导航点經历了三个阶段：调整航向、直线飞行、调整航向。严丽娟[4]等考虑了高空风的影响，对两个关键点间的线路飞行模拟进行了改进。XavierPrats[5]等介绍了一种名为WEMSgen的软件应用程序。该程序对飞机飞行过程的受力进行分析，经过计算得到真空速，再利用航速三角形和水平风场就可以计算得到对地速度。

在高空风的影响下，部分航线去程与返程所需时间有较大差距[6]。黄成涛[7]等发现在飞行距离相同时，顺风会降低油耗，减少飞行时间。IslaRSimpson[6]提出在中纬度地区盛行西风带的作用下，大西洋的往返航班在从东到西的航行中通常要比从西向东的航行花费更长的时间。在航空器的实际运行中，飞行时间将会在很大程度上影响燃油的消耗，直接关系到飞行成本。KristopherB.Karnauskas[8]等发现在北极涛动和厄尔尼诺与南方涛动控制下，高空风场的变化增加了夏威夷至美国大陆往返飞行总时间。对于夏威夷到美国国内的三条航线（每天12个航班），高空风场的年增加趋势会导致这些航线的飞行总时间以每年133个小时的趋势递增。这将在每年带来额外的480000加仑燃油消耗和140万美元的燃料成本。所以高空气候变化对民航客机的飞行时间有一定影响。PaulDWilliams[9]发现在CO2浓度加倍的场景下模拟出的200hPa高度风场变化会使跨大西洋航路的飞机平均飞行时间增加。可见高空气象条件对航空业的经济效率、时间效率都有较大的影响。但目前相关研究主要集中在北美，欧洲等地的主要航线，针对国内航线的研究仍具有较大空白。

新疆地处亚欧大陆中心，自古就是丝绸之路的核心地带。如今，丝绸之路经济带分为北、中、南三条通道，三条通道交汇于新疆。其中北通道从京津冀核心经济圈出发，经新疆直至哈萨克斯坦、俄罗斯等国[10]。乌鲁木齐是新疆的首府，处于丝绸之路沿线节点，是发展西部大开发战略性新兴产业、高新技术产业和循环经济的重要中心城市[11]。李萌洁[12]指出，乌鲁木齐机场作为丝绸之路的重要交通枢纽，仍有较大发展空间。因此，对乌鲁木齐机场相关航线的研究有利于促进流量管制和行业政策不断优化，为民航业提供更有利的发展环境。从发展规划的战略性和前瞻性看，需要充分发挥乌鲁木齐机场的地缘区位优势，打造连接欧亚大陆两端的国际航空枢纽[13]，故本文对北京—乌鲁木齐航线民航客机巡航时间的变化特征进行研究。

1数据和方法

本文以北京到乌鲁木齐航线民航客机巡航阶段飞行时间作为研究对象。使用ERA5全球逐小时再分析大气资料中的风场和温度场数据，数据水平分辨率为0.25°×0.25°，垂直分辨率为37层（选择其中的三层：225hPa，250hPa和300hPa等压面），时间范围为2018年1月，共31天，每天24个时次。下载地址为：https：//cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#！/dataset/reanalysisera5pressurelevels？tab=form.

根据广播式自动相关监视（AutomaticDependentSurveillanceBroadcast，ADSB）数据中各航班飞机的四维信息（经度、纬度、高度和时间），可以确定不同航班真实飞行轨迹。本文收集了6个从北京到乌鲁木齐的航班（CA1295、CA1477、CZ6906、CZ6910、HU7245、HU7354）在2018年1月的ADSB数据。图1所示为航班HU7245在2018年1月真实飞行轨迹的经度高度剖面图，可以发现北京—乌鲁木齐航线的巡航阶段大约在88.95°E和114.5°E之间，即图中红线之间范围。同时可以发现，飞机的巡航高度大致在225hPa300hPa之间。

利用ADSB数据中HU7245航班真实轨迹中巡航阶段每个空间坐标的时刻值，可以计算该航班2018年1月每天的巡航时间。其中1月23日巡航时间最长，总用时为209min;1月11日巡航时间最短，总用时为155min。如图2所示为该航班在1月23日和11日的真实水平轨迹图和250hPa真实风场分布图。1月23日250hPa高度处的西风在飞行方向上（从东向西）的分量较大，即逆风影响较大，航班巡航时间较长。1月11日西风在飞行方向上（从东向西）的分量较小，即逆风影响较小，航班巡航时间较短。我们发现高空风场对于飞机的巡航总时间的影响较大。

由国内航图资料汇编（NationalAeronauticalInformationPublication，NAIP）可知北京到乌鲁木齐航线的标准轨迹数据。为计算该段标准航迹的巡航时间，需要计算航线上每相邻两个导航点之间的巡航时间，进而累计求和得到总巡航时间：