大氣遙相關(guān)型對北京

李潤 王萱 倪永韜 皋小凡 武凱軍

摘 要：近10年來全球變暖加劇，民用航空活動在影響氣候變化的同時，也反過來受到氣候變化的作用，其中對流層頂溫度升高會在一定程度上影響民航飛機(jī)的燃油流量。本文以北京到烏魯木齊航線和民航客機(jī)型號Boeing 757-200為例，研究了該航線上民航客機(jī)巡航階段的燃油流量和氣溫的關(guān)系。相對于長期趨勢變化和月距平變化，對流層頂溫度的氣候年循環(huán)變化對巡航階段的燃油流量變化影響最大。同時發(fā)現(xiàn)Boeing 757-200在225hPa高度層附近進(jìn)行巡航時的燃油流量最小。此外，通過使用尼諾3.4、北極濤動和東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型指數(shù)對對流層頂位勢高度和溫度異常進(jìn)行一元線性回歸，發(fā)現(xiàn)這些遙相關(guān)型通過影響對流層頂?shù)奈粍莞叨群蜏囟茸兓?，進(jìn)而影響民航客機(jī)的燃油流量變化。

關(guān)鍵詞：溫度升高;民航客機(jī);燃油流量;厄爾尼諾;北極濤動;東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型

隨著全球民航業(yè)的迅速發(fā)展，民航飛機(jī)通過排放各種溫室氣體等對全球氣候變化產(chǎn)生了重大影響，然而氣候變化對于民用航空活動的影響直到近年來才開始引起人們的關(guān)注。近年來國外的一些學(xué)者已經(jīng)率先對氣候變化影響航空活動展開了一定的研究，其中對于晴空湍流現(xiàn)有分布和未來變化的研究比較多[1-2]。除此之外，Karnauskas等[3]研究了氣候變化對夏威夷到洛杉磯等航線飛行時間的影響。Williams等[4]研究了氣候變化對跨北大西洋航路上的飛行時間和燃油流量的影響，通過建立氣候模型，從而發(fā)現(xiàn)二氧化碳濃度變化和航行時間之間的關(guān)系。另外，Williams[5]通過研究氣候變化對倫敦和紐約之間的航班飛行路線與時間的影響，發(fā)現(xiàn)盛行的急流導(dǎo)致往東的航班時間明顯縮短，而往西的航班時間大幅延長。

從相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，國內(nèi)有關(guān)氣候變化對民航活動影響的研究較少。Zhou等[6]研究了我國和國際不同機(jī)場地表面溫度升高對飛機(jī)最大起飛重量的影響，總體來看，國內(nèi)對低能見度、雷暴、低空風(fēng)切變等危險天氣對飛行安全的影響研究已有很多，而氣候變化對于我國區(qū)域民航客機(jī)影響的相關(guān)研究還較少。所以研究氣候變化對我國民航活動中飛行時間、燃油流量等的影響就顯得尤為重要。

近年來，烏魯木齊地窩堡國際機(jī)場在“空中絲綢之路”和“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”的建設(shè)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用?！稌惩罩薪z綢之路，服務(wù)“一帶一路”建設(shè)》[7]一文中曾提到，隨著國家“一帶一路”戰(zhàn)略付諸實(shí)施，新疆地區(qū)民航運(yùn)輸業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，地窩堡機(jī)場在空中絲綢之路建設(shè)上顯得愈加重要。鑒于地窩堡國際機(jī)場在空中絲綢之路的重要地位和北京到烏魯木齊大致東西走向航線的代表性，本文以北京到烏魯木齊航線和Boing 757-200為例，研究該航線上不同巡航高度的燃油流量變化，總結(jié)氣候變化對此的影響機(jī)制并加以應(yīng)用，最終為民航業(yè)的發(fā)展帶來積極促進(jìn)作用。

1 數(shù)據(jù)和方法

確定北京到烏魯木齊航線巡航階段的燃油流量為研究對象后，從國內(nèi)航圖資料匯編（National Aeronautance Information Publication，NAIP）得到了該航段間往返航線的標(biāo)準(zhǔn)水平軌跡數(shù)據(jù)如圖1所示，圖1顯示了中國地形圖背景下，1981到2010年冬季250hPa高度上的氣候平均溫度場分布，以及北京到烏魯木齊往返的標(biāo)準(zhǔn)航跡，其中紅色左三角線代表從ZBAA（北京首都國際機(jī)場縮寫）飛往ZWWW（烏魯木齊地窩堡國際機(jī)場縮寫），綠色右三角線代表ZWWW飛往ZBAA，黑色左三角形和右三角形之間的軌跡表示ZBAA和ZWWW往返航線的巡航階段，且在圖1中左右兩端的藍(lán)色叉號分別代表ZWWW和ZBAA的位置。

為研究對流層頂大氣溫度變化對飛機(jī)燃油流量的影響，下載了ERA-Interim中的月平均溫度和位勢高度數(shù)據(jù)[8]，下載數(shù)據(jù)的時間范圍是1979年到2018年，水平分辨率為0.75°×075°，垂直共含37層，下載地址為：https：//apps.ecmwf.int/datasets/。

關(guān)于飛機(jī)燃油流量的計(jì)算，我們選取了《航空氣象學(xué)》34-35頁[9]中實(shí)際燃油流量計(jì)算公式：

式中：Ch為實(shí)際燃油流量，Ch，s為標(biāo)準(zhǔn)燃油流量，單位均為lb/（hour*energy），T為實(shí)際溫度，Ts為國際標(biāo)準(zhǔn)溫度，單位均為K，所有變量都對應(yīng)了飛機(jī)巡航階段的某一個高度。從International Standard Atmosphere（ISA）中可查詢到相關(guān)氣壓高度層的國際標(biāo)準(zhǔn)溫度數(shù)據(jù)[28]，再從《飛行計(jì)劃》[10]一書中查詢得到B757—200，起飛重量為210000磅，巡航階段不同高度處的標(biāo)準(zhǔn)燃油流量，最后經(jīng)過插值計(jì)算得到不同氣壓層的溫度、燃油流量等數(shù)據(jù)，如表1。

為了對北京-烏魯木齊航線燃油流量的月距平變化進(jìn)行歸因分析，我們分析了多個強(qiáng)迫因子，最終確定了尼諾3.4、北極濤動和東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型指數(shù)的強(qiáng)迫作用。

此外，本文還用了趨勢分析、相關(guān)分析、線性回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法。

2 結(jié)果分析

2.1 航線燃油流量長期變化特征

利用1979年到2018年的月平均溫度數(shù)據(jù)，通過插值得到ZBAA飛往ZWWW航線上不同高度層巡航階段各軌跡點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值就可以得到航線平均的原始溫度序列圖，如圖2（a）所示。此外，對1981到2010年的航線平均溫度數(shù)據(jù)計(jì)算平均，可以得到航線平均溫度12個月的氣候態(tài)，如圖2（b）所示。再用原始溫度數(shù)據(jù)減去氣候溫度數(shù)據(jù)得到平均溫度異常序列，如圖2（c）所示。再利用燃油流量計(jì)算公式，不同高度的標(biāo)準(zhǔn)溫度，燃油流量和實(shí)際溫度數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得到航線巡航階段各軌跡點(diǎn)的燃油流量數(shù)據(jù)，計(jì)算平均值就得到航線平均的燃油流量，類似的也可以得到燃油流量12個月的氣候態(tài)以及航線平均的燃油流量異常序列，如圖2（d），圖2（e）和圖2（f）。

從圖2（a，b，d，e）可以看出，原始燃油流量和溫度都具有顯著的季節(jié)循環(huán)特征，氣候態(tài)7、8月的燃油流量總是大于其他月份，這是因?yàn)閷?shí)際燃油流量正比于實(shí)際溫度的開方，而航線上對流層頂?shù)臏囟仍?、8月通常比較高。但不同高度層之間燃油流量的氣候態(tài)并不完全和溫度的一致，這說明實(shí)際燃油流量不僅和實(shí)際溫度有關(guān)，還和標(biāo)準(zhǔn)燃油流量，標(biāo)準(zhǔn)溫度有關(guān)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，同一高度層的航線實(shí)際燃油流量異常和實(shí)際溫度異常序列有很高的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)都大于0.999。同時發(fā)現(xiàn)從1979年到2018年，月平均的燃油流量異常序列和溫度異常序列都具有顯著的線性增長趨勢，由上可分析得到，從長期趨勢來看，航線燃油流量通常在夏季增加趨勢最大。

2.2 航線燃油流量異常變化影響機(jī)制

為了在北半球?qū)ふ矣绊懞骄€燃油流量異常序列的強(qiáng)迫因子，我們通過航線燃油流量異常序列分別與位勢高度異常和溫度異常做了相關(guān)性分析，最終選取了尼諾3.4、北極濤動和東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型指數(shù)進(jìn)行分析。接著，我們探究了這三種遙相關(guān)指數(shù)影響燃油流量異常的機(jī)制和過程。圖3中，使用1979到2018年的冬季AO指數(shù)作為強(qiáng)迫因子，對225hPa位勢高度異常及溫度異常進(jìn)行回歸分析?？梢园l(fā)現(xiàn)，冬季AO指數(shù)在225hPa等壓面強(qiáng)迫出一個極地高度、溫度負(fù)異常和副極地高度、溫度正異常的分布型。而北京至烏魯木齊這條航線（圖中黑色虛線框區(qū)域）處在高度和溫度的正異常區(qū)域內(nèi)，也就是說冬季AO指數(shù)會在航線位置強(qiáng)迫出一個溫度的正異常，進(jìn)而造成該區(qū)域的燃油流量出現(xiàn)正異常。通過分析可以看出冬季北極濤動指數(shù)對虛線緯度范圍溫度異常影響的氣壓層主要位于225hPa，同時可以發(fā)現(xiàn)回歸的位勢高度異常與溫度異常滿足準(zhǔn)靜力平衡關(guān)系TA=-1R△φA△lnp（Qian and Jiang，2014）。所以AO指數(shù)先強(qiáng)迫出位勢高度的異常，然后通過位勢高度異常的梯度分布來進(jìn)一步強(qiáng)迫出溫度的異常，進(jìn)而影響該處的航線燃油流量。

同樣圖4中，可以發(fā)現(xiàn)夏季東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型指數(shù)在所研究區(qū)域分別強(qiáng)迫出一個顯著的位勢高度和溫度負(fù)異常中心。夏季東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型指數(shù)首先在航線區(qū)域上空強(qiáng)迫出一個位勢高度負(fù)異常中心，位勢高度異常中心在200hPa附近。從地面到200hPa，位勢高度異常一直在變小，△φA為負(fù)，氣壓也在變小，△lnp也為負(fù)，所以△φA△lnp為正，根據(jù)TA=-1R△φA△lnp，得出地面到200hPa下方溫度異常一直為負(fù)值，溫度異常在350hPa附近最小，可得出結(jié)論，夏季東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型通過指數(shù)變化先強(qiáng)迫出航線處的位勢高度異常，再通過靜力平衡關(guān)系強(qiáng)迫出溫度異常，最終影響航線燃油流量。

3 討論與結(jié)論

通過計(jì)算不同時間尺度變化的標(biāo)準(zhǔn)差可以發(fā)現(xiàn)，北京到烏魯木齊航線平均燃油流量變化的主要時間尺度為氣候年循環(huán)。分別計(jì)算不同氣壓層中航線燃油流量變化中的氣候循環(huán)變化，長期趨勢變化和異常變化三部分的標(biāo)準(zhǔn)差，可以發(fā)現(xiàn)氣候循環(huán)變化標(biāo)準(zhǔn)差對總?cè)加土髁繕?biāo)準(zhǔn)差的占比可達(dá)60%以上，在300hPa和350hPa氣壓層上，氣候循環(huán)變化比重甚至達(dá)到了80%以上。

也就是說，北京到烏魯木齊航線上飛機(jī)燃油流量的變化主要取決于氣候變化，其長期趨勢部分由對流層頂溫度決定，異常變化的強(qiáng)迫因子為尼諾3.4、AO和東大西洋-西俄羅斯遙相關(guān)型指數(shù)。所以航空公司在做飛行計(jì)劃時，短期尺度上需考慮外強(qiáng)迫因子的影響，長期規(guī)劃方面則需要考慮全球氣溫變化的長期趨勢，對該航線飛機(jī)需要裝載的燃油量進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測和規(guī)劃。例如，盡可能安排航班在225hPa高度層附近進(jìn)行巡航飛行，使燃油流量盡可能小，利于提高公司效益。

本文只研究了飛機(jī)巡航階段的燃油流量，起飛和降落的燃油流量情況沒有考慮，后兩者受到氣候變化的影響機(jī)制更為復(fù)雜，需要對整個對流層進(jìn)行考慮。此外找到的外強(qiáng)迫因子和影響機(jī)制為同時關(guān)系，超前強(qiáng)迫因子和預(yù)測模型的建立，還需要我們更加深入的研究，這樣會更有利于應(yīng)用到航空公司的具體業(yè)務(wù)中去。

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