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云南刷屏七彩祥云,是祥瑞还是修仙?

2021-01-08

去年12月底开始,包括迪庆、丽江等多地在内的云南西北部,持续数日出现了壮丽的“七彩祥云”。而在最近几天,这样的“七彩祥云”愈发绚烂,为天空留下一道绝美的风景线。

七彩祥云刷屏

比如,泸沽湖上空,彩色微澜映照烟水碧波;

2021年1月2日泸沽湖上空 | 微博@请别伤害胖子好么

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2021年1月3日泸沽湖上空 | 微博@yangjin162 天象爱好者整理

又如,玉龙雪山,振翅的羽翼守护翼下群峰的冰雪晶莹;

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2021年1月4日拍摄于玉龙雪山附近 | 微信@十五,天象爱好者整理

抑或,香格里拉,浸染的苍穹轻拂大地的秘境。

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2021年1月4日拍摄于香格里拉 | 微信@江才,天象爱好者整理

在古人看来,或许这就是彩凤倏然飞掠,留下斑斓片羽,赠给这片壮美山河。这也是云南得名“彩云之南”的由来之一。

   

2021年1月6日拍摄于泸沽湖 | 微博@yangjin162

如今的我们,不仅依然能欣赏流传千年的美景,还能从科学的角度,追寻彩云背后的成因。

虹彩荚状云

在气象学上,前文提及的众多七彩祥云,根据光学特性(虹彩)和基本形态(荚状),被称作虹彩荚状云。而具体的云种,则需要视云的高度,可以归为虹彩荚状卷积云、高积云等。

对于荚状这个形态,可能的成因有多种。当地的荚状云,主要和横断山区地形造成的背风波与定常涡旋(驻波)相关

当风翻越群山时,不仅会受到地形的抬升,也会在贴近山体的地区出现显著的摩擦减速,而离山体较远的高空,减速却并不显著。这样的差异会激发出一个地形波或涡旋,由于在背风坡出现,也称作背风波。

当风速较为稳定时,这个波动也保持相对稳定驻留;如果富含水汽,在波动的抬升区,就能凝结形成不同高度的荚状云。

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风翻越山地后,在背风坡形成波动,并在不同高度形成荚状云 | weather.gov

而最引人注目的绚烂虹彩与日华,则和光的衍射有关

当组成荚状云的过冷水滴或冰晶直径在40微米以下时,由于其直径接近可见光的波长(0.4-0.76微米),此时阳光会偏离直线传播,并绕过这些水滴或冰晶——这就是衍射现象。

光遇到和自身波长接近的障碍物时,“绕过障碍物”传播形成衍射现象 | atoptics.co.uk

因为阳光中不同单色光的衍射效果不同,它们会被分离并投映在云上,形成彩虹般的斑驳陆离,因此也被称作虹彩。

虹彩的具体形态,与过冷水滴、冰晶的直径,以及阳光的投射角度都有关联。在一定范围内,过冷水滴与冰晶的直径越小,衍射产生的色彩效果就越绚烂,虹彩环或日华环的半径也会更大。

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直径40微米(左上)、20微米(左下)、10微米(右)的水滴衍射白光形成的虹彩特征| atoptics.co.uk

万米之上

这几天连续刷屏的梦幻彩云,色彩更为绚丽,这表明组成它们的过冷水滴和冰晶直径非常小,通常需要在更高的高度才会出现。此外,在黄昏时分,大地逐渐沉入暮色时,这些虹彩荚状云依然辉映余霞,这进一步证明了它们的高度非常高。

众多资深爱好者结合大量实况影像记录,根据云体大小、视角等参数和日落后的光学特性,经历了一波三折的讨论后,最终认定最近几日的虹彩荚状云海拔高度在16-18千米左右。

这个高度高出了常规对流层顶,也极大地超出了常规虹彩荚状云的高度,必然有特殊的气象条件才能形成

我们以北京时间1月2日14时为例,根据NCEP气象再分析资料,绘制对流层顶温度和气压(可代表高度)相对1981-2010年平均的偏差。

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2021年1月2日14时,对流层顶温度相对于1981-2010年同期平均的偏差(填色,单位:℃)和对流层顶气压相对该基准的偏差(等值线,单位:0.1hPa) | 作者绘图

可以看到,包括丽江在内,青藏高原和东侧边缘地区都出现了对流层顶气压偏低(高度偏高)和温度偏低的特征。

对流层顶高度偏高有利于出现位置更高、更细小的荚状云,而温度偏低则有利于稀少的水汽凝结成云,这都有利于虹彩荚状云的形成

那,高度偏高的对流层顶又是怎么形成的呢?

如此大范围的偏高,必然存在较稳定的气候因素——其中之一,是今冬青藏高原东部积雪偏少造成的气温偏高。

从下图相关分析看,对流层顶的气压和青藏高原东部地面气温有明显负相关,即地面气温偏高时,对流层顶气压偏低,高度相应偏高。

如果从物理机制上看,当积雪偏少与地面气温偏高时,青藏高原对上方对流层大气的冷却与收缩下沉的动力减弱,因而容易导致对流层顶的高度相对较高。

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1979-2018年1月,亚洲大陆对流层顶气压对同期青藏高原东部(90°E-102°E,28°N-35°N)平均气温指数的回归分析(填色,单位hPa/℃),打点区域为通过0.05显著性检验地区 | 作者绘图

除了气候原因,横断山区激发的地形重力波,不仅将对流层较低空富含水汽的气团向上输送,也“抬高”了局地的对流层顶,利于虹彩荚状云的形成。类似的现象,在极地平流层云的形成过程里出现过。

云中“河流”

还有一个问题在于:形成云的水汽从何而来?

通常而言,对流层顶区域的大气都相当干燥。但根据模式结果,当地对流层顶附近(约18千米高)的大气相对湿度相当大——而它的局地性表明,很可能是前文提到的地形波,让相对低处的水汽抬升到较高层面。

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北京时间2021年1月3日11时,NCEP模式结果70hPa(18.5km)的对流层顶-平流层底层相对湿度大小。黄色为相对干燥区,蓝色为相对湿润区;绿圈为丽江附近,可以看到当地和西侧横断山区出现了显著的局地“湿润区” | earth.nullschool.net

那么,在较低的层面上,是否存在显著的水汽输送呢?

向下看接近12千米高的对流层高层(250hPa高度),的确发现了一道往云南西北部横断山区输送的“河流”——高湿度的水汽通道。

根据风场溯源,它从赤道附近马来群岛的对流云活动开始,水汽随着上升运动,被部分带到对流层高层,然后由南亚高压边缘的风输送,最终经孟加拉湾进入云南西北部横断山区。

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北京时间2021年1月3日11时,NCEP模式结果250hPa层面(约11km高)的对流层高层环流与相对湿度,红箭头是随南亚高压外围环流的水汽输送通道,为云南西北部横断山区输送了显著的水汽 | earth.nullschool.net

至此,关于那些梦幻彩云的身世,有了一个较为可信的推断。

在千里之外的马来群岛,无数的对流云在朝向苍穹不息生长,也升起沧海浮沫间的水汽,直入青冥。这些进入高空的水汽随风漂泊,如同奔涌在天际的长河;当来到横断山区时,群峰激发的地形波让它们升向更高远的对流层顶,也将长风编织凝结成了流云。最终,当阳光在云间流淌时,借助衍射现象,这些荚状云便播撒出无数流光的虹彩迷离。

对于大地上的我们,会惊叹折服于彩云之南间,群山与阳光编织的大美。

而对于这些虹彩荚状云,它们大概会永远记得故乡海的形状。它们借助长风与群山的力量,令天空泛起了海的波澜;而每一片的色彩,都流淌着千万里外浪花映照的阳光。

参考文献

[1] A. Dörnbrack, M. Leutbecher, J. Reichardt, et al.Relevance of mountain wave cooling for formation of polar stratospheric clouds over Scandinavia: Mesoscale dynamics and observation for January 1997. J. of Geophys. Res., 2001, 106(D2):1569-1581.

[2] E. Kalney, et al. 1996. The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. Bull. Amer. Metero. Soc., 77: 437–471.

[3] R. D. Sharman, and M. G. Wurtele. Three-Dimensional Structure of Forced Gravity Waves and Lee Waves. J. of Atmos. Sci, 2004, 61(6): 664-681. https://doi.org/10.1175/1520-0469(2004)0612.0.CO;2

作者:风云梦远

编辑:Steed

 一个AI 

打飞的去云南,还能赶上七彩祥云的尾巴吗?

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