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(diǎn).

氣象景觀是自然景觀的有機(jī)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(dú)特的特點(diǎn).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(yùn)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(yùn)，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(bǔ)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(diǎn)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(yùn)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(yùn)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(diǎn).通過對比數(shù)值模式模擬的云海景觀與實(shí)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(shí)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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(qiáng)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(yàn)相符.

2.2 云海景觀的相對濕度及垂直運(yùn)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(yùn)動與下沉運(yùn)動并存，尤其是850 hPa附近存在一定的下沉運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(jī)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(qiáng)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(yùn)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(diǎn).