大氣遙相關型對北京

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的燃油流量。本文以北京到烏魯木齊航線和民航客機型號Boeing 757-200為例，研究了該航線上民航客機巡航階段的燃油流量和氣溫的關系。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變化對巡航階段的燃油流量變化影響最大。同時發現Boeing 757-200在225hPa高度層附近進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-西俄羅斯遙相關型指數對對流層頂位勢高度和溫度異常進行一元線性回歸，發現這些遙相關型通過影響對流層頂的位勢高度和溫度變化，進而影響民航客機的燃油流量變化。

關鍵詞：溫度升高;民航客機;燃油流量;厄爾尼諾;北極濤動;東大西洋-西俄羅斯遙相關型

隨著全球民航業的迅速發展，民航飛機通過排放各種溫室氣體等對全球氣候變化產生了重大影響，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注。近年來國外的一些學者已經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，從而發現二氧化碳濃度變化和航行時間之間的關系。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，發現盛行的急流導致往東的航班時間明顯縮短，而往西的航班時間大幅延長。

從相關統計數據來看，國內有關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場地表面溫度升高對飛機最大起飛重量的影響，總體來看，國內對低能見度、雷暴、低空風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域民航客機影響的相關研究還較少。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場在“空中絲綢之路”和“絲綢之路經濟帶”的建設中都發揮著至關重要的作用。《暢通空中絲綢之路，服務“一帶一路”建設》[7]一文中曾提到，隨著國家“一帶一路”戰略付諸實施，新疆地區民航運輸業持續快速發展，地窩堡機場在空中絲綢之路建設上顯得愈加重要。鑒于地窩堡國際機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，總結氣候變化對此的影響機制并加以應用，最終為民航業的發展帶來積極促進作用。

1 數據和方法

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，從國內航圖資料匯編（National Aeronautance Information Publication，NAIP）得到了該航段間往返航線的標準水平軌跡數據如圖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準航跡，其中紅色左三角線代表從ZBAA（北京首都國際機場縮寫）飛往ZWWW（烏魯木齊地窩堡國際機場縮寫），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據[8]，下載數據的時間范圍是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/。

關于飛機燃油流量的計算，我們選取了《航空氣象學》34-35頁[9]中實際燃油流量計算公式：

式中：Ch為實際燃油流量，Ch，s為標準燃油流量，單位均為lb/（hour*energy），T為實際溫度，Ts為國際標準溫度，單位均為K，所有變量都對應了飛機巡航階段的某一個高度。從International Standard Atmosphere（ISA）中可查詢到相關氣壓高度層的國際標準溫度數據[28]，再從《飛行計劃》[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準燃油流量，最后經過插值計算得到不同氣壓層的溫度、燃油流量等數據，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行歸因分析，我們分析了多個強迫因子，最終確定了尼諾3.4、北極濤動和東大西洋-西俄羅斯遙相關型指數的強迫作用。

此外，本文還用了趨勢分析、相關分析、線性回歸分析等統計方法。

2 結果分析

2.1 航線燃油流量長期變化特征

利用1979年到2018年的月平均溫度數據，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的溫度數據，計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據計算平均，可以得到航線平均溫度12個月的氣候態，如圖2（b）所示。再用原始溫度數據減去氣候溫度數據得到平均溫度異常序列，如圖2（c）所示。再利用燃油流量計算公式，不同高度的標準溫度，燃油流量和實際溫度數據，可以計算得到航線巡航階段各軌跡點的燃油流量數據，計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循環特征，氣候態7、8月的燃油流量總是大于其他月份，這是因為實際燃油流量正比于實際溫度的開方，而航線上對流層頂的溫度在7、8月通常比較高。但不同高度層之間燃油流量的氣候態并不完全和溫度的一致，這說明實際燃油流量不僅和實際溫度有關，還和標準燃油流量，標準溫度有關。通過計算發現，同一高度層的航線實際燃油流量異常和實際溫度異常序列有很高的相關關系，相關系數都大于0.999。同時發現從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制

為了在北半球尋找影響航線燃油流量異常序列的強迫因子，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-西俄羅斯遙相關型指數進行分析。接著，我們探究了這三種遙相關指數影響燃油流量異常的機制和過程。圖3中，使用1979到2018年的冬季AO指數作為強迫因子，對225hPa位勢高度異常及溫度異常進行回歸分析?？梢园l現，冬季AO指數在225hPa等壓面強迫出一個極地高度、溫度負異常和副極地高度、溫度正異常的分布型。而北京至烏魯木齊這條航線（圖中黑色虛線框區域）處在高度和溫度的正異常區域內，也就是說冬季AO指數會在航線位置強迫出一個溫度的正異常，進而造成該區域的燃油流量出現正異常。通過分析可以看出冬季北極濤動指數對虛線緯度范圍溫度異常影響的氣壓層主要位于225hPa，同時可以發現回歸的位勢高度異常與溫度異常滿足準靜力平衡關系TA=-1R△φA△lnp（Qian and Jiang，2014）。所以AO指數先強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一步強迫出溫度的異常，進而影響該處的航線燃油流量。

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

3 討論與結論

通過計算不同時間尺度變化的標準差可以發現，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。分別計算不同氣壓層中航線燃油流量變化中的氣候循環變化，長期趨勢變化和異常變化三部分的標準差，可以發現氣候循環變化標準差對總燃油流量標準差的占比可達60%以上，在300hPa和350hPa氣壓層上，氣候循環變化比重甚至達到了80%以上。

也就是說，北京到烏魯木齊航線上飛機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，異常變化的強迫因子為尼諾3.4、AO和東大西洋-西俄羅斯遙相關型指數。所以航空公司在做飛行計劃時，短期尺度上需考慮外強迫因子的影響，長期規劃方面則需要考慮全球氣溫變化的長期趨勢，對該航線飛機需要裝載的燃油量進行相應的預測和規劃。例如，盡可能安排航班在225hPa高度層附近進行巡航飛行，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制更為復雜，需要對整個對流層進行考慮。此外找到的外強迫因子和影響機制為同時關系，超前強迫因子和預測模型的建立，還需要我們更加深入的研究，這樣會更有利于應用到航空公司的具體業務中去。

參考文獻：

[1]Kim J H，Chan W N，Sridhar，B.Application of Aviation Turbulence Information to Air-Traffic Management.In Aviation Turbulence，2013，Springer Cham：481-500.

[2]Storer L N，Williams P D，Joshi M M.Global response of clear-air turbulence to climate change.Geophysical Research Letters，2017，44（19）：9976-9984.

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[4]Williams P D，Joshi M M.Intensification of winter transatlantic aviation turbulence in response to climate change.Nature Climate Change，2013，3（7）：644.

[5]William P D.Transatlantic flight times and climate change.Environmental Research Letters，2016，11（2）：024008.

[6]Zhou T，Ren L，Liu H，Lu J.Impact of 1.5 C and 2.0 C global warming on aircraft takeoff performance in China.Science bulletin，2018，63（11）：700-707.

[7]賈琥誠.暢通空中絲綢之路 服務“一帶一路”建設.中國民航報，2015-5-21：06.

[8]Dee et al.The ERA-Interim reanalysis：configuration and performance of the data assimilation system.Quarterly Journal Royal Meteorological Society，2011，137：553-597.

[9]張燕光，傅寧.航空氣象學：中國民航，2018.

[10]傅職忠，謝春生，王玉.飛行計劃：中國民航，2016.