0 引言

航空运输的特点是速度快、机动性好^[1]，飞机的飞行过程是一个较复杂的过程，特别是其起落过程，常有机动飞行、突风飞行、着陆冲击等情况，所以做好民用飞机载量的分析，不仅直接影响航空公司的经济效益和飞机利用率，对飞行安全也有重要意义^[2]。近50年，我国气温年循环振幅变化趋势整体呈现先下降后上升的趋势，最高气温和最低气温年循环呈现出较高的一致性^[3]。前期很多学者就民用机场温度变化对民机飞行安全的影响展开研究，研究发现：大气温度会影响民用发动机的推力，导致爬升阶段的限制重量几乎都与机场温度有关^[4]，采用灵活起飞方法设计飞机减推力起飞计算程序能减少机场标高和外界大气温度对飞机载量的影响^[5]。在高原机场，日出后温度快速上升对民机载量影响更明显^[6]，如果再遇到飞机故障等原因造成飞机性能降级，起飞和着陆会有很大风险^[7]。针对小型机场，不同跑道起飞飞机载量差距较大，李芊杉等以广元/盘龙机场为样本，分析温度对飞机性能的影响，提出运行控制的建议^[8]，制定出教学改革的措施，梳理为业务教学课程^[9]。但前期的研究主要还是针对单个典型机场飞机性能的影响，没有集中整理我国的4E和4F机场整体的温度年循环和日循环变化对飞机载量的影响。本文结合前期研究成果，分析和比较我国48个4E和4F机场（以下简称：样本机场）在1980—2020年近40年（以下简称：近40年）的气候和地表面大气温度的年循环和日循环特征，分析机场年和日温度循环变化对飞机载量的影响，最后提出航班运行控制的建议。

1 研究方法

本文研究的样本飞机为波音737-800飞机，依据飞机三视图可知，飞机翼展34.32 m，水平尾翼翼展14.35 m，飞机机身长度（至尾锥）为38.02 m，机身宽度为3.76 m。飞机安装2台CFM56-7B24发动机，发动机推力等级24 K。飞机共有5个油箱，总容积为26 024.6 L，能注入20 689.6 kg燃油（燃油密度为0.795 kg/L）。研究过程采用插值法和一元线性回归分析方法对温度和计算得到的飞机载量数据进行研究分析，对skyvector网站和ERA5网站收集的大气温度数据进行求平均值处理求得气候平均场，最后插值到机场坐标的位置上得到每个机场的平均气温序列图。在研究机场气温、飞机载量与机场参数（如经纬度和海拔高度）间的关系时，采用了一元线性回归分析方法，对回归方程进行显著性检验。本文根据近40年样本机场的温度数据，计算得到12月×24时次的气候温度矩阵，完成机场温度气候循环序列，观察温度循环变化与对应机场的经度、纬度、海拔高度或者其他因素的关系。根据机场气温和飞机载量之间的关系，通过一元线性回归来研究气温和民机载量受到机场位置因素的影响情况，对机场气温年循环和日循环、民机对应载量的年循环和日循环进行分析和总结。最后利用相关公式和机场的气温序列计算得出飞机载量的气候年循环和日循环序列，进而分析民机载量的变化情况和变化原因。

2 天气对飞机载量的影响

民用飞机在营运过程中，会遭遇高温、高寒、湿热等不利气候环境，这些环境轻则降低民用飞机的使用性能，减少其载量，重则导致民用飞机发生安全事故，甚至是机毁人亡的空难^[10]，所以应当就气候环境条件对民用飞机载量的影响进行深层分析。

2.1 气温

在日常生活中，温度偏高会影响飞机的载量，因温度升高会导致空气密度减小。常有航班因高温减载，导致可能出现部分旅客临时不能出行的情况^[11]。这一方面减少了进入发动机的空气质量，在发动机转速一定时，减小了推力；另一方面，着陆时飞机需要更大的速度以弥补空气密度不足对升力的影响。起飞时，飞机是靠机翼产生的升力使飞机升空的，空气密度是影响升力大小的因素之一，空气密度越大，单位体积内触及翼面的空气分子就越多，升力也越大，反之则升力越小。根据气体性质，在一定条件下，温度越高其密度越小。因此，较高的温度造成飞机发动机马力减小，在正常滑行距离内难以获得足够的速度和起飞升力，而在起飞后也因升力小而不能很快爬升到安全高度后加入航线飞行。我国处于北半球，6月22日左右太阳直射北回归线，随后太阳直射逐渐往南移动，因此我国大部分机场的最高气温一般出现在7月份。在12月22日左右太阳直射南回归线，北半球的气温值普遍处于较低水平值，机场的最低气温一般出现在1月份。

2.2 风

风向、风速的变化会影响民用飞机的升力，从升力公式可知^[12]，它与升力系数、空气密度、飞机速度和飞机机翼面积成正比。当飞机在水平方向遇见逆风时，飞机速度增大，飞机飞行高度也随之增大，飞机的载量有效地提升；反之，飞机的载量也会减少。特别是民用飞机遭遇低空风切变、微下击暴流等非对称性的气流结构，飞机两翼的升力不平衡，有时会产生倾斜的力矩，飞机发生扭转，交替产生上升和下降气流，导致飞机发生剧烈转动，而持续的颠簸会影响飞机速度变化^[13]，当民用飞机升力系数变化率减少，超过临界迎角，造成飞机失速，就非常危险^[14]。大风天气下，为了飞行安全，签派放行时也会适当减少飞机载量。

2.3 气压

低气压的运行环境类似于高高原机场的运行环境，大气稀薄、空气密度小，使得航空器性能有所下降，影响发动机动力，特别是当遇上高温天气，比如夏天或者中午，性能会下降更多，影响航空器起降重量，导致不仅需要更长的跑道，而且对每次航班业载限制很大^[15]。不仅如此，大气稀薄，空气密度小，也会导致飞机的机动性能受到更大的限制，从而影响爬升越障能力，进而影响飞机的业载重量^[16]。若执飞长航线，那必然需要减载运行，对航空运营人的经济效益产生影响；若执飞短航线，受高铁影响，距离较近城市间出行，旅客选择高铁作为交通工具的意愿占比更大，对满足人民行动必要需求的社会效益优势不充分。

3 机场气温年循环变化研究

气温年循环变化指一年中气温高低的周期性变化，是温度的四季循环变化规律，也称为气温年较差。本文采用的温度数据是样本机场近40年逐年逐月逐时距离地表面2 m高度的气温数据。在得到样本机场近40年各288时次的平均气候态及其序列后，对每一个月24时次的气温数据求平均值，得到各个机场气温的年循环相关数据。

从样本机场的年平均气温值可知：这些机场年平均气温值与机场纬度和海拔高度有关系。为了对此进行验证，绘制了机场纬度和机场海拔高度与年平均气温值的散点图，如图1所示。

在绘制机场的海拔高度和机场年平均气温值散点图时，为了保证控制变量，即控制纬度因素对机场年平均气温值的影响，本文选取纬度较为相近的机场。在散点图中，选取纬度范围为26°~31°的9个机场，绘制出机场海拔高度和年平均气温值散点图，如图2所示。

为分析各机场气温年循环变化趋势，总结地形地貌对气温年循环规律的影响，定义四季对应为1月、4月、7月和10月，计算得到样本机场在这四个月24时次的气温值的平均值，如图3所示。

从图1和图2可知，机场年平均气温值与机场的纬度关系较明显，呈现线性关系，且随着机场的纬度增高，机场年平均气温值随之减小。在纬度相近时，机场年平均气温值与机场海拔高度呈现随着机场海拔高度的增高，机场年平均气温值会相对减小的关系，且各机场年平均气温值减小趋势相近。根据线性趋势回归分析，回归方程显著，能够达到99%的信度检验。南北机场在冬季的月平均气温值的差异非常明显。从图3可知，地处南北方的机场在冬季的月平均气温值的差异非常明显。在夏季（如7月），样本机场月平均气温值普遍处于最高水平。但以西宁/曹家堡机场为代表的高原（或高高原）机场，海拔较高，地处内陆，夏季的气温低于其他平原机场的气温。可见，机场的年气温平均值受纬度的影响比较大，同时也与机场海拔高度相关。一般来说，纬度越高的机场，其年平均气温值越低；纬度相近的机场，机场的年平均气温值会随着海拔高度的升高而降低。冬季各样本机场虽然月平均气温值普遍偏低，但差异明显，南方机场月平均气温值比其他地区机场偏高。夏季的平均气温值普遍处于较高水平，各样本机场的平均气温值差异较小，月平均气温值普遍都在25~30℃。影响机场气温年较差的因素还有很多，包括机场是否靠近海洋（或湖泊）等大型水体，机场所处区域的地形，机场附近的植被的多少等。

4 机场气温日循环变化研究

气温日循环变化指机场在一个日历日内气温高低的周期性变化规律。本文特指样本机场在得到的平均气候态年循环的基础上，近40年平均气候态的温度24小时循环变化规律。为研究样本机场气温月平均日循环，绘制了其每个月24时次的机场温度序列图。研究发现：在正午时刻，太阳高度角几乎是直角，近地面大气吸收太阳辐射最多，所以北京时间14至15时左右机场的气温值一般处于最高水平。随着时间推移，空气和地面因太阳下山而失去光热供应，开始不断地散失热量，气温会不断降低，到第二天清晨，地面温度下降到最低点，所以机场日出前后时刻一般是该机场气温值最低水平时间^[17]。将机场一个月内1~24时次的气温最大值减去该月气温的最小值即可得到该机场当月的月平均日较差。为验证纬度对机场平均日较差的影响，以纬度相差较大的天津/滨海机场、台湾/桃园机场和重庆/江北机场为例，绘制出这三个机场的不同月份的月平均日较差的条形统计图，如图4所示。从图4可知，我国机场夏季气温日较差一般都大于冬季，同时，我国中高纬度地域的大部分机场气温日较差最大值一般出现在春季。在我国，夏季日照时间长，白昼温度高，太阳高度角更大，在中高纬度地域的机场，体现出昼长夜短的特点，导致陆地冷却时间较短，热量散失不多，所以大部分机场的夜间温度也较高，我国大部分区域夏季气温日较差反而不如春季大。

以大连/周水子机场、银川/河东机场和石家庄/正定机场三个纬度相差非常小但所处地理位置特点相差较大的机场为样本，展开机场地理位置和地形特征对气温平均日较差影响的研究，根据之前的数据绘制出这三个机场的不同月份的月平均日较差的条形统计图，如图5所示。从图5可知，三个机场的纬度非常相近，但大连/周水子机场的12个月平均日较差明显处于最低水平，石家庄/正定机场其次，而气温日较差最大的是银川/河东机场，且这三个机场12个月平均日较差的值差距较大。分析这三个机场的地理位置和地形特征发现大连/周水子机场靠近大海，银川/河东机场在内陆，两个机场的地形下垫面对太阳辐射吸收能力不同，导致机场的日较差不同。水的比热容大于陆地，散出相同的热量，陆地的温度会更低，所以陆地区域气温日较差大于海洋区域，机场地理位置距海（或湖泊）等大型水体越远，日较差就会越大。

为验证机场海拔对平均日较差的影响，以西宁/曹家堡机场、太原/武宿机场和青岛/胶东机场这三个纬度相差不大但海拔相差较大的机场为例，绘制出三个机场不同月份的月平均日较差统计图，如图6所示。从图6可知，三个机场的纬度非常相近，但三个机场12个月平均日较差的值明显不同，这主要是地形的原因导致的。

综上，机场区域的地形下垫面性质是影响机场气温日较差大小的关键因素之一，地形下垫面的比热容特性及对太阳辐射的吸收散出能力会影响机场气温日较差。同时，机场气温日较差也受地形影响，在低凹地形，机场区域的空气交换程度较差，热量聚集在机场上空不易流失，这些区域到夜间又常为冷空气沿山坡下沉集合之处，加上辐射冷却，造成机场气温日较差偏大^[18]。在凸出地形的上部，由于海拔高和面积小的缘故，气温容易被机场四周的空气交换，白昼不容易升高，夜晚不容易降低，气温日较差通常较小。特别是我国长江中下游平原地区，整体的地势低平，且受长江、黄河的影响，整体的水域面积大，该区域的大气质量、水汽、杂质集中在对流层底部，白昼大气对太阳辐射的削弱作用强，晚上大气逆辐射强，区域内机场的气温日较差也较小^[19]。影响机场日较差变化的因素还有很多，如季节、天气和地势等。

5 机场气温年循环和日循环变化对飞机载量的影响研究

5.1 气温年循环变化对飞机载量影响的研究

由波音737-800飞机“飞行手册”规定的燃油消耗得出该机型常态下起飞重量为198 984 lbs，根据民用喷气式飞机载量与温度变化关系的公式计算出飞机的实际起飞重量W为：

式中：T_S为标准大气温度15℃（即288.15 K），T为实际大气气温。

飞机的有效载量F为：

式中：W_燃油为飞机总加注燃油量，W_OEW为飞机运营空机重量。

通过计算飞机载量和前面研究气温年循环时得到样本机场近40年年平均气候态的气温数据，得出每个时次的飞机载量并绘制飞机载量的序列图。以天津/滨海机场为例，机场气温在7—8月处于最高水平，为30~32℃，但平均气压处于全年相对较低的水平，为1 004.0~1 007.7 hPa。受西南回流影响，夏季降水偏多，有时伴有冰雹和大风天气，容易形成污染跑道，飞机起降过程也可能出现明显的颠簸状态，这些都是不利于飞机载量的气象条件。而机场12月到次年1月气温处于最低水平，为-8.2~-5℃，气压也处于一个较高的水平，为1 027.9~1 029.1 hPa，天津机场降雪量在北方相对较低，不容易形成污染跑道，这些气象条件有利于飞机载量提升。因此，经计算，受性能衰减的影响，民机在天津机场7—8月的有效载量最低，为34 211 lbs，12月—次年1月最高，为66 321 lbs。但每年夏秋航季是民航运输的生产旺季，旅客和货物运输都较多，计划的业载较重，冬春航季虽然有春节等客流较集中的假期，但整体客货量还是少于夏秋航季，计划的业载偏低。飞机性能衰减与不同航季的业载量形成矛盾，如何解决这个矛盾就是本文研究的意义所在。

5.2 机场气温年循环变化对飞机载量影响变化特征分析

将样本机场各个月的飞机载量取平均值，之后把得到的飞机载量最大值和最小值做差，得到样本机场对应该机型的飞机载量年较差，研究发现以哈尔滨/太平机场、乌鲁木齐/地窝堡机场和沈阳/桃仙机场为代表的靠近高纬度机场的飞机载量年较差比较大，而以三亚/凤凰机场、澳门机场和深圳/宝安机场为代表的靠近低纬度机场的飞机载量年较差比较小。分析年循环的结果可知飞机载量年较差与机场的纬度和海拔高度有关。从飞机载量年较差和机场的纬度散点图（见图7）发现：飞机载量年较差和机场纬度的关系几乎呈现线性关系，随着机场纬度升高，飞机载量年较差也逐渐增大，即高纬度的机场飞机载量的年较差较大。根据线性趋势回归分析，sig F＜0.01，能够到达99%的信度检验。

同理，为保证控制变量，选择纬度相近的机场，绘制机场的海拔高度和飞机载量年较差之间的散点图，如图8所示。画出各散点的趋势线，并进行线性回归趋势分析，sig F=0.079，回归方程显著，能够达到90%信度检验。分析可知：受纬度影响较小的情况下，飞机载量年较差随着机场海拔高度的增大而减小。因此，航空公司在执行以纬度较高的机场为起飞机场的飞行任务时，还需要再考虑飞机载量年较差的影响，在夏季适当减少一些载量。在执行以高海拔的机场为起飞机场的飞行任务时，考虑由于年较差因素带来的对飞机载量的影响多一些（同一高海拔机场气温影响更大）。

5.3 机场气温日循环变化对飞机载量影响变化

借鉴一个月24时次气温序列图和飞机载量的计算方法，做出样本机场一个月24时次的飞机载量序列图。以1月的天津/滨海机场为例，研究发现：飞机载量和机场的温度的变化趋势总是相反的。当月平均日气温在世界协调时7时达到最大值0.949 4℃时，平均飞机载量的值会达到最小值59 400 lbs，相比典型载量增加了27.5%；反之，当月平均日气温在世界协调时22时达到最小值-6.56℃时，平均飞机载量的值会达到最大值66 889 lbs，相比典型载量增加了43.6%。另一方面，以西宁/曹家堡机场、银川/河东机场为代表的海拔较高的内陆机场的平均飞机载量日较差明显大于其他机场，因此航空公司的航班如果要以此类的高海拔内陆机场作为起飞机场执行飞行任务，需关注飞机载量的变化，温度偏高的高原机场要适量放弃一些载量。冬季的飞机载量日较差明显要高于夏季的飞机载量日较差，在冬季执行飞行任务时，不能忽略这些要素，以大连/周水子机场、福州/长乐机场、海口/美兰机场为代表的靠近海洋的机场的平均飞机载量日较差会明显小于其他内陆机场，因此航空公司在执行以这些靠海机场作为起飞机场的飞行任务时，考虑飞机载量的影响可以少一些。

6 结论

6.1 气候温度年循环和日循环对飞机载量的影响

一年中，飞机载量在冬季的数值会比在夏季的值大；一天中，飞机载量在清晨的值会比在正午的值大。这是因为，在机场气温比较高的时候，空气的密度会相应减小，而飞机的升力与空气的密度成正相关，较高的大气温度容易使飞机升力减小，最终导致飞机的载量也减小。

飞机载量年较差受机场纬度的影响比较大，一般来说，飞机载量年较差随着机场纬度的升高而增大。同时飞机载量还受到机场海拔高度的影响，在纬度相近的区域，随着机场海拔高度的降低，飞机性能提升，导致飞机载量年较差也变大，呈现反比的关系。飞机载量日较差在机场海拔高度较高的内陆机场会比较大，在靠近海洋的机场的飞机载量日较差会比较小，在冬季，飞机载量日较差会明显好于夏季飞机的载量日较差。

6.2 航班运行控制建议

为提升民用飞机的有效载量，建议从以下三个方面进行优化：

1）优化航班的班表时刻。由于航程较长的航班需要加注较多燃油，造成外界因素对民用飞机载量的影响较敏感，所以，在同一机场起飞，航空公司应该将航程较短的航班安排在气温较高的时段，针对超过三个小时的较长航程的航班，起飞时刻应安排在清晨或夜间等气温较低的时刻。

2）选择优势机型执行特殊航线。在高海拔地区等对民用飞机载量影响大的背景下，航空公司应该选择性能好的优势机型执行这些特殊航线，如使用加装更大推力发动机的飞机，增加民用飞机的性能限制的最大起飞重量，达到提升飞机载量的目的。

3）加强高温条件的起飞性能减载放行评估。在高温季节，飞行签派员应结合公司的控制措施和长效机制，加强计算航线所需临时额外油量的精细化管理，同时优化目的地备降机场选择，依据性能软件的计算评估结果协调管制部门使用有利起飞跑道，建议执飞机组选择有利起飞构型，提升载重空间，合理利用改进爬升方式，提升载重空间，也可以将民用飞机发动机的引气设置到关闭位置，达到提升载重空间的目的。最后，调整航班预计起飞时刻，以达到优化起飞性能的所需环境温度。

参考文献