去年12月底開始，包括迪慶、麗江等多地在內的雲南西北部，持續數日出現了壯麗的「七彩祥雲」。而在最近幾天，這樣的「七彩祥雲」愈發絢爛，為天空留下一道絕美的風景線。
七彩祥雲刷屏
比如，瀘沽湖上空，彩色微瀾映照煙水碧波；
2021年1月2日瀘沽湖上空
2021年1月3日瀘沽湖上空 | 天象愛好者整理
又如，玉龍雪山，振翅的羽翼守護翼下群峰的冰雪晶瑩；
2021年1月4日拍攝於玉龍雪山附近 | 天象愛好者整理
抑或，香格裡拉，浸染的蒼穹輕拂大地的秘境。
2021年1月4日拍攝於香格裡拉 | 天象愛好者整理
在古人看來，或許這就是彩鳳倏然飛掠，留下斑斕片羽，贈給這片壯美山河。這也是雲南得名「彩雲之南」的由來之一。
如今的我們，不僅依然能欣賞流傳千年的美景，還能從科學的角度，追尋彩雲背後的成因。
虹彩莢狀雲
在氣象學上，前文提及的眾多七彩祥雲，根據光學特性（虹彩）和基本形態（莢狀），被稱作虹彩莢狀雲。而具體的雲種，則需要視雲的高度，可以歸為虹彩莢狀捲積雲、高積雲等。
對於莢狀這個形態，可能的成因有多種。當地的莢狀雲，主要和橫斷山區地形造成的背風波與定常渦旋（駐波）相關。
當風翻越群山時，不僅會受到地形的抬升，也會在貼近山體的地區出現顯著的摩擦減速，而離山體較遠的高空，減速卻並不顯著。這樣的差異會激發出一個地形波或渦旋，由於在背風坡出現，也稱作背風波。
當風速較為穩定時，這個波動也保持相對穩定駐留；如果富含水汽，在波動的抬升區，就能凝結形成不同高度的莢狀雲。
風翻越山地後，在背風坡形成波動，並在不同高度形成莢狀雲 | weather.gov
而最引人注目的絢爛虹彩與日華，則和光的衍射有關。
當組成莢狀雲的過冷水滴或冰晶直徑在40微米以下時，由於其直徑接近可見光的波長（0.4-0.76微米），此時陽光會偏離直線傳播，並繞過這些水滴或冰晶——這就是衍射現象。
光遇到和自身波長接近的障礙物時，「繞過障礙物」傳播形成衍射現象 | atoptics.co.uk
因為陽光中不同單色光的衍射效果不同，它們會被分離並投映在雲上，形成彩虹般的斑駁陸離，因此也被稱作虹彩。
虹彩的具體形態，與過冷水滴、冰晶的直徑，以及陽光的投射角度都有關聯。在一定範圍內，過冷水滴與冰晶的直徑越小，衍射產生的色彩效果就越絢爛，虹彩環或日華環的半徑也會更大。
直徑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徵| atoptics.co.uk
萬米之上
這幾天連續刷屏的夢幻彩雲，色彩更為絢麗，這表明組成它們的過冷水滴和冰晶直徑非常小，通常需要在更高的高度才會出現。此外，在黃昏時分，大地逐漸沉入暮色時，這些虹彩莢狀雲依然輝映餘霞，這進一步證明了它們的高度非常高。
眾多資深愛好者結合大量實況影像記錄，根據云體大小、視角等參數和日落後的光學特性，經歷了一波三折的討論後，最終認定最近幾日的虹彩莢狀雲海拔高度在16-18千米左右。
這個高度高出了常規對流層頂，也極大地超出了常規虹彩莢狀雲的高度，必然有特殊的氣象條件才能形成。
我們以北京時間1月2日14時為例，根據NCEP氣象再分析資料，繪製對流層頂溫度和氣壓（可代表高度）相對1981-2010年平均的偏差。
2021年1月2日14時，對流層頂溫度相對於1981-2010年同期平均的偏差（填色，單位：℃）和對流層頂氣壓相對該基準的偏差（等值線，單位：0.1hPa） | 作者繪圖
可以看到，包括麗江在內，青藏高原和東側邊緣地區都出現了對流層頂氣壓偏低（高度偏高）和溫度偏低的特徵。
對流層頂高度偏高有利於出現位置更高、更細小的莢狀雲，而溫度偏低則有利於稀少的水汽凝結成雲，這都有利於虹彩莢狀雲的形成。
那，高度偏高的對流層頂又是怎麼形成的呢？
如此大範圍的偏高，必然存在較穩定的氣候因素——其中之一，是今冬青藏高原東部積雪偏少造成的氣溫偏高。
從下圖相關分析看，對流層頂的氣壓和青藏高原東部地面氣溫有明顯負相關，即地面氣溫偏高時，對流層頂氣壓偏低，高度相應偏高。
如果從物理機制上看，當積雪偏少與地面氣溫偏高時，青藏高原對上方對流層大氣的冷卻與收縮下沉的動力減弱，因而容易導致對流層頂的高度相對較高。
1979-2018年1月，亞洲大陸對流層頂氣壓對同期青藏高原東部（90°E-102°E，28°N-35°N）平均氣溫指數的回歸分析（填色，單位hPa/℃），打點區域為通過0.05顯著性檢驗地區 | 作者繪圖
除了氣候原因，橫斷山區激發的地形重力波，不僅將對流層較低空富含水汽的氣團向上輸送，也「抬高」了局地的對流層頂，利於虹彩莢狀雲的形成。類似的現象，在極地平流層雲的形成過程裡出現過。
雲中「河流」
還有一個問題在於：形成雲的水汽從何而來？
通常而言，對流層頂區域的大氣都相當乾燥。但根據模式結果，當地對流層頂附近（約18千米高）的大氣相對溼度相當大——而它的局地性表明，很可能是前文提到的地形波，讓相對低處的水汽抬升到較高層面。
北京時間2021年1月3日11時，NCEP模式結果70hPa（18.5km）的對流層頂-平流層底層相對溼度大小。黃色為相對乾燥區，藍色為相對溼潤區；綠圈為麗江附近，可以看到當地和西側橫斷山區出現了顯著的局地「溼潤區」 | earth.nullschool.net
那麼，在較低的層面上，是否存在顯著的水汽輸送呢？
向下看接近12千米高的對流層高層（250hPa高度），的確發現了一道往雲南西北部橫斷山區輸送的「河流」——高溼度的水汽通道。
根據風場溯源，它從赤道附近馬來群島的對流雲活動開始，水汽隨著上升運動，被部分帶到對流層高層，然後由南亞高壓邊緣的風輸送，最終經孟加拉灣進入雲南西北部橫斷山區。
北京時間2021年1月3日11時，NCEP模式結果250hPa層面（約11km高）的對流層高層環流與相對溼度，紅箭頭是隨南亞高壓外圍環流的水汽輸送通道，為雲南西北部橫斷山區輸送了顯著的水汽 | earth.nullschool.net
至此，關於那些夢幻彩雲的身世，有了一個較為可信的推斷。
在千裡之外的馬來群島，無數的對流雲在朝向蒼穹不息生長，也升起滄海浮沫間的水汽，直入青冥。這些進入高空的水汽隨風漂泊，如同奔湧在天際的長河；當來到橫斷山區時，群峰激發的地形波讓它們升向更高遠的對流層頂，也將長風編織凝結成了流雲。最終，當陽光在雲間流淌時，藉助衍射現象，這些莢狀雲便播撒出無數流光的虹彩迷離。
對於大地上的我們，會驚嘆折服於彩雲之南間，群山與陽光編織的大美。
而對於這些虹彩莢狀雲，它們大概會永遠記得故鄉海的形狀。它們藉助長風與群山的力量，令天空泛起了海的波瀾；而每一片的色彩，都流淌著千萬裡外浪花映照的陽光。
參考文獻
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