重慶黑山谷云海景觀氣象特征研究

鄧承之， 周國兵， 韓瀟， 周燕秋，陳鵬， 吳志鵬， 鄭武超

1.重慶市氣象臺，重慶 401147；2.重慶市萬盛經(jīng)開區(qū)氣象局，重慶 萬盛 400800；3.重慶市巫山縣氣象局，重慶 巫山 404700；4.重慶市南川區(qū)氣象局，重慶 南川 408400

我國中西部地區(qū)旅游資源豐富，但旅游業(yè)發(fā)展水平與其旅游資源水平不相稱，其主要原因就在于基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)質(zhì)量及資源開發(fā)水平等沒有對旅游業(yè)形成足夠的支撐作用[1].這一現(xiàn)象目前正在改變，生態(tài)旅游資源的開發(fā)和研究越來越受到重視，城市景觀[2-7]、濕地景觀[8-12]、植被景觀[13-16]、公園景觀[17]及氣象景觀[18-19]等多種景觀資源的研究逐漸成為熱點.

氣象景觀是自然景觀的有機組成部分，雨景、云霧景、冰雪景、霧凇雨凇景、霞景、日月景、幻景等，構(gòu)成豐富多彩的氣象景觀，是旅游業(yè)開發(fā)中極為重要的自然景觀資源.與其他自然景觀相比，氣象景觀具有其獨特的特點.由于氣象要素多變，氣象景觀具有時間的速變性、空間的選擇性及借景成景特征[20].云海、日出、雨凇、霧凇等多種景觀的形成，不僅與氣象條件有密切關(guān)系，還與地形地貌有關(guān)[21]，在各類氣象景觀與地貌的組合中，云類景觀的比重最高[22].

云海屬自然景源中的云霧景觀，由低于山峰的云層與山脈組合形成，是山岳景區(qū)的代表性氣象景觀之一，尤其是日出和日落時的云海，云蒸霞蔚，極為壯觀.云海景觀常出現(xiàn)在雨雪天氣后，云海出現(xiàn)當(dāng)天相對濕度大，平均風(fēng)速較小[23-24].云海景觀的季節(jié)性特征明顯，且地域差異較大.如黃山云海主要出現(xiàn)在氣溫較低的冬半年[23].吳有訓(xùn)等[24]在黃山云海的研究中指出，黃山云海主要由層積云形成，其中透光層積云出現(xiàn)次數(shù)最多，為76.5%，蔽光層積云為41.2%，碎積云僅為5.9%，云量達(dá)十成者，主要是由蔽光層積云組成.

重慶處于長江上游和四川盆地東部，境內(nèi)山環(huán)水繞、江峽相擁，自然景觀資源在旅游資源結(jié)構(gòu)中起著基礎(chǔ)性作用，人文、社會景觀為自然景觀資源的重要組成部分[25].重慶大巴山系及武陵山系蘊藏著豐富的云海氣象景觀資源，如巫山、金佛山、黑山谷等，其云海景觀均頗具盛名，不僅具有顯著的生態(tài)旅游價值，也飽含著極高的人文歷史底蘊，在歷史上留下了如“朝辭白帝彩云間” “除卻巫山不是云”等膾炙人口的壯美詩句.2019年重慶市三峽國家氣象公園創(chuàng)建工作的開展，梳理出三峽地區(qū)包含云海、云瀑等現(xiàn)象在內(nèi)的多達(dá)10余種自然氣象景觀，為開展云海景觀的研究奠定了政策基礎(chǔ)，也提出了明確的技術(shù)需求.開展重慶地區(qū)云海景觀研究，發(fā)展具有應(yīng)用價值的云海景觀預(yù)報，不僅可以填補重慶地區(qū)氣象景觀研究與應(yīng)用的不足，也有助于推動云海氣象景觀的開發(fā)利用和生態(tài)旅游業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，符合“綠水青山就是金山銀山”的發(fā)展理念.

1 資料來源及研究方法

1.1 研究目標(biāo)

本研究以重慶萬盛黑山谷景區(qū)的云海氣象景觀為研究目標(biāo)，對其類型、形成條件及預(yù)報方法開展分析.黑山谷景區(qū)地處云貴高原向四川盆地過渡的大婁山余脈(圖1紅色三角形位置)，景區(qū)面積約100 km2，峽谷全長13 km，山頂與谷底高差最大1 200 m左右，景區(qū)內(nèi)最高峰獅子峰海拔1 973 m.

紅色三角形代表了萬盛黑山谷景區(qū)位置.審圖號：渝S(2022)001號.

1.2 資料來源

目前僅黃山等少數(shù)名山建有人工觀測的氣象臺站，重慶地區(qū)云海景觀的直接觀測資料極為匱乏.本研究通過收集和分析2016-2020年網(wǎng)絡(luò)媒體發(fā)布的文字及景觀照片，篩選時間地點明確的云海景觀信息，最終確定了萬盛黑山谷景區(qū)2016-2020年的12次云海景觀.云海景觀氣象特征分析中使用的氣象資料來源于地面、高空氣象觀測資料和NCEP/NCAR(0.25°×0.25°)的再分析數(shù)據(jù)，也使用了FY2系列衛(wèi)星觀測資料，云海景觀數(shù)值模擬分析使用了WRF(Weather Research and Forecasting)模式[26]模擬的高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果.

1.3 研究方法

1.3.1 云海分類方法

云海景觀主要由大氣中的低云及特殊地形組合形成，不同垂直結(jié)構(gòu)的低云具備不同的云海景觀觀賞特征及成因.本研究根據(jù)云的垂直結(jié)構(gòu)及氣象特征，將云海景觀分為3類，分別為多層云類、低云類和輻射霧類.多層云類云海景觀，云在垂直方向上整體較高，云頂高度超過山峰高度，但由于云在垂直方向上存在分層，因此在山峰的適當(dāng)位置可以觀看到云海景觀.低云類的云海景觀，云層低于山峰高度，中高空云量較少或無云，陽光灑在山峰下的低云上，云海景觀的觀賞條件最佳.輻射霧類的云海景觀，主要由近地面層的輻射霧形成，一般出現(xiàn)在早晨或上午，維持時間較短，日出后緩慢消散或抬升為低云類云海景觀.

萬盛黑山谷景區(qū)2016-2020年的12次云海景觀分類結(jié)果如表1所示，多層云類云海和低云類云海各出現(xiàn)5次，輻射霧類云海出現(xiàn)2次.

表1 重慶萬盛黑山谷景區(qū)云海景觀日及類型

1.3.2 云海景觀氣象特征分析方法

針對不同類型云海景觀個例，分析500 hPa及700 hPa標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的天氣學(xué)形勢特征，并通過相對濕度及垂直運動的時間演變特征分析云海形成階段的低空濕度及垂直運動條件.

1.3.3 云海景觀的數(shù)值模擬分析方法

采用非靜力中尺度數(shù)值模式WRF-ARW(V3.9.1版本)，針對3類云海景觀的典型個例開展數(shù)值模擬.模擬從云海景觀出現(xiàn)前一日20時開始，積分24 h，積分時間步長為120 s，初始場及側(cè)邊界條件為0.25°×0.25°分辨率的NCEP/NCAR間隔6 h的再分析資料，模擬結(jié)果輸出的時間間隔為1 h，空間間隔為3 km×3 km，在模擬結(jié)果中黑山谷景區(qū)范圍約有10個格點.通過對比數(shù)值模式模擬的云海景觀與實際云海景觀的出現(xiàn)情況，分析WRF模式對不同類型云海景觀的模擬及預(yù)報能力.

1.3.4 云海景觀的水物質(zhì)分析方法

云由大氣中的小水滴或小冰晶形成，依據(jù)大氣中的云水、云冰等水物質(zhì)含量可以判斷云是否存在.Tiedtke[27]基于ECMWF模式計算的水物質(zhì)含量開展云預(yù)報.章建成等[28]將GRAPES模式云量方案中得到的任一層次的水物質(zhì)相加，以大于最小閾值(如0.01 g/kg)作為該層次有云的閾值，這個閾值在不同地區(qū)可根據(jù)實際情況調(diào)整.本研究基于云海由云頂高度低于山峰的云系形成的原理，將地面至2 000 m高度(黑山谷景區(qū)最高峰約1 973 m)的云水、云冰等水物質(zhì)相加，考慮到地面至2 000 m高度含有多個模式層和重慶地區(qū)的氣候特征，以水物質(zhì)量大于0.02 g/kg作為2 000 m以下是否存在低云云區(qū)的閾值.結(jié)合地形高度分布，若存在低于最高峰的云系且云系未覆蓋全部景區(qū)，則認(rèn)為景區(qū)可以觀賞到云海景觀，若無低云或低云覆蓋全部景區(qū)則認(rèn)為無云海景觀觀賞條件.

2 黑山谷云海景觀氣象特征

云海景觀的出現(xiàn)極大地依賴于氣象條件，而特定景區(qū)的氣象條件隨時間是在不斷變化的，因此也導(dǎo)致了云海景觀的動態(tài)多變.開展云海景觀氣象特征研究，將為發(fā)展云海景觀預(yù)報提供參考.

2.1 云海景觀的天氣學(xué)形勢特征

對多層云類的云海景觀開展天氣學(xué)分析可以發(fā)現(xiàn)，在2017年5月21日云海景觀形成前，500 hPa上重慶地區(qū)位于短波槽前(圖2a)，低空700 hPa為西南低渦前側(cè)的西南暖濕氣流控制(圖2b)，重慶地區(qū)存在天氣尺度的上升運動.結(jié)合衛(wèi)星云圖和地面觀測可知，08時重慶地區(qū)多云系發(fā)展，渝西已經(jīng)有降雨出現(xiàn)，黑山谷上方云層較厚，云頂高度超過了山頂高度，云層覆蓋了整個黑山谷地區(qū).但云海景觀的照片顯示，云系在低空出現(xiàn)垂直分層，出現(xiàn)山腰下的云層與山頂上方的云層兩部分垂直分離的云系，形成多層云形態(tài)的云海景觀.這類云海景觀由于上方云層的覆蓋，衛(wèi)星是無法觀測到的.黑山谷景區(qū)2018年9月6日云海、2018年9月14日云海及2018年12月7日云海均發(fā)生在此類形勢下，由與短波槽或波動氣流相聯(lián)系的深厚云系垂直分層而形成.但2017年10月5日出現(xiàn)的云海形勢卻略有不同.10月5日08時，500 hPa低槽已經(jīng)移過黑山谷景區(qū)(圖略)，但低空仍被濕潤的西南氣流控制，在槽后輻散下沉運動的作用下，深厚云系出現(xiàn)破碎分層，形成了多層云形態(tài)的云海.

灰色陰影代表地形，紅色三角形代表萬盛黑山谷景區(qū)位置，棕色曲線代表低槽，紅色D代表西南低渦.

對低云類的云海景觀開展天氣學(xué)分析，在2018年8月4日的云海景觀過程中，云海主要出現(xiàn)在副熱帶高壓南側(cè)的偏東氣流中(圖3).由于副高南側(cè)東風(fēng)波的影響，云海日的前一天(8月3日)，黑山谷景區(qū)出現(xiàn)降雨，低空水汽充足，有云系存在.云海日當(dāng)天，在副高南側(cè)偏東氣流的下沉運動中，云系主要維持在低層，形成了低云類的云海.2018年8月12日云海出現(xiàn)在相似的天氣形勢下.

灰色陰影代表地形，紅色三角形代表萬盛黑山谷景區(qū)位置，紅色D代表500 hPa低渦.

在黑山谷景區(qū)2017年10月7日和8日的低云類云海景觀中，重慶地區(qū)被副熱帶高壓控制，副高588線已經(jīng)控制重慶地區(qū)，低空為副高西北側(cè)較強的偏南氣流.低空偏南暖濕氣流在風(fēng)速脈動及黑山谷地形作用下，有云系形成，但受到中高層副熱帶高壓下沉運動及水汽條件的影響，云頂高度較低，形成低于黑山谷峰頂?shù)牡驮祁愒坪?而2016年11月18日云海出現(xiàn)在雨后轉(zhuǎn)晴的過程中，低槽及中高層云系迅速東移，但山區(qū)低云仍然維持，形成陽光灑滿低云上的云海景觀(圖略).

輻射霧也是云海景觀的重要成因之一.丁國香等[23]的研究表明，黃山秋冬季節(jié)08時觀測到云海次數(shù)最多，其主要原因是秋冬兩季黃山輻射霧較多.黑山谷景區(qū)2020年5月15日早晨出現(xiàn)的云海即由輻射霧形成.14日夜間，萬盛由前期的陰雨天氣逐漸轉(zhuǎn)晴，中高層以下沉氣流為主，利于云層消散和地面輻射降溫.在15日早晨出現(xiàn)了由輻射霧形成的云海景觀.可見，輻射霧類云海出現(xiàn)在夜間晴朗少云且近地面水汽充足時，山區(qū)強烈的夜間輻射降溫作用會使得山區(qū)低洼處水汽凝結(jié)成霧，從而形成輻射霧類的云海.雨雪天氣剛剛結(jié)束的時段容易滿足上述條件，這也與云海易出現(xiàn)在雨雪天氣之后的經(jīng)驗相符.

2.2 云海景觀的相對濕度及垂直運動特征

以2017年5月21日的多層云類云海景觀出現(xiàn)前后的相對濕度及垂直速度時間—高度剖面圖(圖4)為例，600 hPa以下存在相對濕度達(dá)80%以上的深厚濕層，且維持時間較長，部分時段500 hPa以上還存在較顯著的濕層.700 hPa下方上升運動與下沉運動并存，尤其是850 hPa附近存在一定的下沉運動，有利于大氣出現(xiàn)下沉增溫從而導(dǎo)致云層消散及垂直分層.與多層云類云海景觀不同的是，2016年11月18日的低云類云海景觀出現(xiàn)時低空濕層較淺，均位于700 hPa以下，700 hPa上方以下沉氣流為主，將云層抑制在低空，形成低云類云海景觀(圖5).2020年5月15日的輻射霧類云海景觀出現(xiàn)在凌晨至上午時段，垂直方向以下沉運動為主，濕層淺薄，中高層濕度更低，利于輻射霧的形成(圖略).

圖4 2017年5月20日20時-21日20時多層云類云海景觀過程的相對濕度(陰影)及垂直速度(等值線，單位：Pa/s)的時間—高度剖面

圖5 2016年11月17日20時-18日20時低云類云海景觀過程的相對濕度(陰影)及垂直速度(等值線，單位：Pa/s)的時間—高度剖面

3 黑山谷云海景觀的數(shù)值模擬

云海景觀與森林、濕地、城市等景觀不同的是，其極具變化性，游客能否在特定時段、特定景區(qū)觀賞到云海多數(shù)情況下全憑運氣，這使得云海景觀的旅游價值大打折扣，也成為云海景觀等氣象景觀旅游發(fā)展的瓶頸.因此，能否提前預(yù)測云海景觀具有重要意義.云海景觀預(yù)報目前以統(tǒng)計預(yù)報為主，預(yù)報效果仍有待提高[23].云海景觀的統(tǒng)計預(yù)報面臨2個主要難題：① 云海觀測資料極為有限，僅黃山、華山、峨眉山等極少數(shù)著名山岳景區(qū)具備人工觀測的氣象臺站，且其人工云海觀測也僅限于指定時刻臺站目測范圍內(nèi)云海的有無和云量等，空間和時間上均存在不連續(xù)性，主觀性也較明顯.而衛(wèi)星觀測受中高層云系的影響較大，在中高層有云的情況下，無法獲得低空云海的有效觀測.② 云海景觀在多類氣象條件下均可形成，不同類型的云海景觀，具有不同的形成機制，甚至存在相互矛盾的關(guān)鍵氣象參數(shù).如輻射霧類云海的形成，僅近地層需要較高的濕度條件，低空及以上高度需要滿足低濕少云條件，這樣才易形成有利于夜間輻射降溫的晴朗天氣及近地層的凝結(jié)成霧.而與之不同的是，低云類云海卻需要低空有較高的濕度條件才能形成.

本研究嘗試?yán)脭?shù)值模擬和水物質(zhì)法開展云海景觀預(yù)報的研究，分別對多層云類云海(2017年5月21日)、低云類云海(2018年8月4日)及輻射霧類云海過程(2020年5月15日)開展數(shù)值模擬.

在2017年5月21日多層云類云海的模擬中(圖6)，21日09時在黑山谷景區(qū)東西兩側(cè)已經(jīng)模擬出成片的低云出現(xiàn)，但低云尚未影響黑山谷景區(qū).隨后在低槽及西南低渦共同作用下，黑山谷景區(qū)附近低云迅速發(fā)展，至10時，黑山谷西側(cè)云水含量顯著增加，低云覆蓋黑山谷西側(cè)大部地區(qū)，但黑山谷海拔較高的地區(qū)尚未被云區(qū)覆蓋，此時在黑山谷的高海拔山區(qū)具備云海景觀觀賞條件，之后整個景區(qū)逐漸被云系覆蓋.可見，模擬結(jié)果一定程度上再現(xiàn)了此次系統(tǒng)性的多層云類云海景觀的發(fā)展過程.

灰度陰影，單位：g/kg，0.02 g/kg以上代表低云，彩色陰影為高程分布，單位：m.

在2018年8月4日的低云類云海景觀模擬結(jié)果中(圖7)，4日08時黑山谷地區(qū)無低云存在，不存在云海觀賞條件.但在14-15時前后，黑山谷景區(qū)附近存在成片的低云，并逐漸發(fā)展，雖然云系的系統(tǒng)性和組織性較差，但能夠再現(xiàn)一定程度的云海景觀.可見，副高南側(cè)偏東風(fēng)控制下的系統(tǒng)性較弱的低云類云海景觀，模式仍有一定的物理表述能力.

灰度陰影，單位：g/kg，0.02 g/kg以上代表低云，彩色陰影為高程分布，單位：m.

在2020年5月15日的輻射霧類云海過程中(圖8)，15日08-11時的模擬結(jié)果中黑山谷附近均未出現(xiàn)任何云系，僅在12時以后黑山谷北側(cè)出現(xiàn)范圍極小的低云云區(qū)，且與輻射霧出現(xiàn)在早晨的時間不匹配.可見，WRF模式未能有效模擬出此次早晨的輻射霧類云海過程.

灰度陰影，單位：g/kg，0.02 g/kg以上代表低云，彩色陰影為高程分布，單位：m.

上述分析表明，WRF模式對選取的黑山谷景區(qū)多層云類云海及低云類云海景觀具有一定的物理表述能力，而對輻射霧類云海景觀表述能力較差.這說明WRF模式對多層云類云海和低云類云海具有一定的預(yù)報能力，而對輻射霧類云海過程的預(yù)報能力較為有限.加強輻射霧類云海的預(yù)報將是通過數(shù)值模式開展云海景觀預(yù)報時需要面臨和解決的關(guān)鍵問題.

4 結(jié)論與討論

萬盛黑山谷景區(qū)的云海景觀是重慶地區(qū)代表性的云海景觀之一，按照云的垂直結(jié)構(gòu)及氣象特征，將黑山谷景區(qū)的12次云海景觀分為多層云類、低云類和輻射霧類3種類型.分別對3類云海景觀開展天氣學(xué)分析和數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

多層云類云海景觀常出現(xiàn)在降雨開始前或降雨結(jié)束后，500 hPa上為短波槽、波動氣流或高空槽移出后的偏北氣流形勢.垂直方向濕層深厚，云頂高度一般超過山頂高度，但由于低層存在下沉運動，深厚云系在低空出現(xiàn)垂直分層，從而出現(xiàn)由分層云系形成的云海景觀.低云類云海景觀易發(fā)生在對流層中高層為高壓或槽后西北氣流形勢下，低云由低空暖濕氣流抬升凝結(jié)形成或由雨后仍未消散的云層構(gòu)成，受到中高層下沉氣流抑制，云層在低空維持，形成低云類的云海景觀.低云類云海景觀在垂直方向上存在低空濕層，但中高層濕度較低，并存在一定的下沉運動.輻射霧類云海景觀主要由凌晨山區(qū)的輻射霧形成，常出現(xiàn)在雨雪天氣結(jié)束次日晴朗的早晨，由山區(qū)夜間強烈的輻射降溫作用導(dǎo)致近地面層水汽凝結(jié)形成.垂直方向上表現(xiàn)為低空較弱的濕層和中高層顯著的干層，并存在整層的弱下沉運動.

通過WRF模式和水物質(zhì)法對黑山谷景區(qū)云海景觀開展數(shù)值模擬，一定程度上成功模擬出多層云類和低云類云海景觀，但未模擬出輻射霧類云海景觀.模擬結(jié)果表明，WRF模式對于多層云類云海和低云類云海具有一定的預(yù)報能力，而對輻射霧類云海過程的預(yù)報效果有限，改善輻射霧類云海的預(yù)報能力將是通過數(shù)值模式開展云海景觀預(yù)報時需要面臨和解決的難點.