火烧云定量预报速成（长三角适用）
首次发布于：2022年11月12日 最新修改日期：2025年4月1日
目录
- 第一章节：大气科学常识、几何知识、光谱消光等
- 第二、三章节： 云、气象观测知识、数据来源等
- 第四章节：预报实战案例
第2章 必要的观测知识
这一章节，我们将会介绍各种各样的云和其他气象景观。在火烧云的观赏过程中，会出现一些附带的气象景观作为火烧云的点缀。如果我们知道这些气象景观是怎么形成的，在做火烧云预报的时候也能附带来预报这些气象景观，而且这也有利于我们具象地想象到时候真实的火烧云会长成什么样。
2.1 基本云属
不同种类的云形成的火烧云和气象景观是不一样的。为了能够预测不同的天空状况，需要了解云的分类以及它们的预测方法。知道了不同种类的云在气象图表上的表现，我们才能通过天气模式预报给出的各种图表来预测云的种类。这里只会介绍几种对气象景观有贡献的云，且不会完全按照国际云图上云的分类来介绍云。这里不会提到雨层云和卷积云，因为雨层云很难贡献什么有价值的天象，而卷积云不是一种“主要”的云属。
2.1.1 层云
层云是一种很低很低的云，一般由液态水滴组成，云底高度不太会超过500m，云顶高度一般低于0度层高度。层云一般带来很阴沉的阴天，但最多下毛毛雨或者米雪。如果哪一天发现陆家嘴三件套楼顶被整层的云盖住了，那很可能是层云。
层云不能形成火烧云，其价值主要是形成云海景观作为火烧云的陪衬。当层云云顶很低（低于500m）的时候，我们可以在楼顶或者通过航拍看到云海，摄影师喜欢管这种云通通叫做平流雾，尽管很多时候不是。在上海，层云形成云海景观的情况主要有两种：平流或辐射雾，以及潮湿天气的碎层云。这两种情况看上去大概如图2.1所示（左图：来源于国际云图集2017版本，作者见水印）。
辐射雾一般出现在秋冬季冷空气过后静风或开始吹弱的东南风的时候，需要天气晴朗且风力不大的夜晚才能形成。辐射雾之所以称为辐射雾是因为它是由于地面在夜间靠热辐射降温形成的，和核辐射没有关系。平流雾则是依靠具有一定强度东南海风将海上暖湿空气吹到近海的冷水面上凝结形成的，通常出现在春季的冷空气活动结束，冷高压入海后。无论辐射雾还是平流雾，它们的形成都和来自地面/海面的冷却有关系，高度一般比较低。在上海以及长三角，雾和云海很多时候是辐射和平流两个原因混合形成的，区分不开来。
潮湿天气的碎层云比较常见，下雨前中后都有可能有出现，也可以分类为碎雨云。这些云是潮湿的空气中动力性质的湍流形成的，云底和云顶都不平整，高度层次不齐，云量也不均匀，且可能和雨层云连在一起，一般不太好看。
图 2.1 左图来自2017版本国际云图
在斜温图上，这两种情况如图2.2所示。
不管是平流还是辐射雾，这些雾都会在一个逆温/稳定层里面，逆温层上方是相对干燥温暖的空气。逆温层的存在使得云雾顶部平整，云上方能见度良好，因此适合云海观赏。很多情况下，辐射雾比平流雾更薄，在风很小的情况下辐射雾可能只有几米甚至几十厘米厚。当陆地上形成的辐射雾飘到温暖的水体上后，由于水面温度比气温高且能提供水汽，所以会形成类似蒸汽雾的现象，甚至形成蒸汽卷（一种很小的像尘卷风一样的东西）。
碎层云的形成条件一般要求地面附近大气都接近饱和，且近地面小几百米的空气有一段干绝热温度直减率的部分。
图 2.2 层云的探空图表现
在可见光云图上，平流雾/辐射雾层云看起来像一块白色的破布一样抹在海面/地面上（图2.3），但红外云图上什么也看不见。而碎层云无法通过云图判断。
图 2.3 来自向日葵8号卫星可见光云图
2022/3/16 9:00 BJT
在大气截面图上，层云表现为很低的湿空气层。如果是像平流雾或者辐射雾这样很薄的云的话，则会体现为一个贴地的湿空气薄层，如图2.4所示。
图 2.4 层云的大气截面图表现
2.1.2 层积云
层积云是一种典型的低云，一般由液态水滴组成，云底高度不太会低于500m，一般不超过2.5km。层积云一般是一块一块的，比较密集地铺在天空中，如果比较厚的话也看不出单独的云块。厚的层积云有时会飘小雨丝或者下小雪/霰。
比较高的（云底大于2km）层积云在大气非常洁净的时候会形成短时的橘红色火烧云，有些甚至能形成彩虹或云虹，但这种情况不多。大多数时候，其主要价值在形成云隙光，尤其是明暗对比强烈的那种。
层积云火烧云的案例：
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在上海，层积云的出现有一种典型的情况，那就是冷流云。当冷空气从海面上南下，从东北方向流淌到上海的时候，由于海面的加热加湿，冷空气中会形成对流。如果冷空气比较薄（低层大气存在冷高压下沉气流形成的逆温层），那么这些对流顶部高度也很低，对流云的发展受到冷空气厚度的限制，形成层积云。这种层积云属于对流发展而来的层积云（或者应该说是与边界层有关的）。这种层积云云块很大，经常有云缝透光，形成不错的层积云云隙光。如果冷空气比较强而且厚度较大的话，这些层积云也可能变成积云或者彻底封死天空，甚至飘小雨/小雪。
其他情况下形成的层积云则成因比较零碎，这里直接分类为低空湿层抬升形成的层积云。这些层积云云块可以小一些，有时候会比较薄甚至透光，但有的时候也会很厚实，以至于发生降水或者形成彩虹。对流发展而来的层积云在对流被撤走了以后如果没彻底消散的话，也会变成这种普通的小云块层积云。
这两种情况看上去大概如图2.5所示。
图 2.5 层积云
在斜温图上，这两种情况如图2.6所示。云层标记为蓝色。注意左图中状态曲线在云底下方有一段区域在大气温度层结曲线的右侧，这意味着存在对流。
对流发展而来的层积云云底高一般在1km-2km左右，偶尔也会只有500多米。在斜温图上，这类层积云很明显的特征是：云底下部的大气温度层结基本和干绝热线平行，云顶上方有一般比较强的逆温层，且云的厚度比较薄。由于这个逆温层的存在，这些云没法向上发展，云顶才会很平。斜温图上湿空气的厚度会影响你实际看到的层积云云量：如果湿空气没到饱和的话，层积云云块之间会分离得比较远；恰好饱和的时候会看到带有云缝的层积云，形成最好看的云隙光；如果厚度太大则会完全阴天。
低空湿层形成的层积云云底高度可以高一点，从1.5km到2.5km都是有的，有些和高积云难以区分。一般在斜温图上体现为一个低空的湿空气层，且厚度不太厚。
图 2.6 层积云的探空图表现
在卫星云图上，冷流云层积云常常表现为上岸的闭合细胞状云系：这些云从东北侧的海面上流淌到沿岸地区，然后在干燥的内陆地区消散，且云的纹路沿着风向排列。有些时候和冷流云没什么关系只是本地的边界层对流胞生成的层积云，也会呈现闭合细胞状云系：这些云会从细碎的云块逐渐聚合发展而来，形成之后经常稳定少动。
低空湿空气层积云则可能出现在很多情况下，云图上看起来有时比较类似层云，但是实际上云底比层云高。也有很多时候，这种层积云和其他很多破碎混乱的中云云系长得没什么区别，建议看斜温图。
由于是低云，很多情况下红外云图上依然不很明显，温度也比地面温度略低几度或者10多度。冷流云的话可能会稍微明显一些。
图 2.7 来自向日葵8号卫星可见光云图
左侧：2019/10/15 13:30， 右侧：2022/8/28 8:00
在大气截面图上，层积云表现为靠近地面但距离地面有一定距离的薄的湿空气层，如图2.8下图所示。
图 2.8 层积云的大气截面图表现
2.1.3 积云
积云是一种典型的低云，一般由液态水滴组成，是对流活动产生的。一般来积云底部平整，云顶呈现菜花的形状，呈现亮白色，有阴影。积云云底高度不太会低于500m，有时可以到2km以上；积云的云顶高度可以大大超过低云的界限，盛夏时节可能有6-7km。积云云块之间总是互相分离的，不像层积云这样粘在一起。发展充分的积云有时会产生阵雨或者霰。
积云一般可以形成云隙光，很高的积云云顶会形成对流云火烧云，潮湿大气中形成的积云也容易发生降水形成彩虹。在大气特别干净的时候，小块的积云也会被充分散射阳光照变成橘色。
积云可以被分类为淡积云、中积云和浓积云。这三者的主要差别在于：淡积云宽度明显大于高度，中积云宽高相当，浓积云高度明显大于宽度。这三个情况看上去大概如图2.9所示（左图和右图均来源于国际云图2017版，作者见水印）。
所有的积云都是对流产生的，陆地上的积云一般出现在白天，在中午到下午的时候发展得最旺盛（除非水汽不足），傍晚前后消散。在上海，淡积云非常常见，任何季节都可以看见。中积云除去冬季不太常见以外，其他季节也都很常见。浓积云则夏季较多。在上海及附近，如果是副高控制下的炎热天气，浓积云一般不会止步于浓积云，而是会进一步在午后发展称为积雨云；但如果上海处于热带系统带来的温暖湿润东南风影响下，维持浓积云状态的云则比较多。
图 2.9 积云，左图和右图均来源于国际云图2017版
积云作为对流云，在斜温图上的表现是：云底以下一直延伸到地面的大气温度直减率和干绝热温度直减率大致相同，这意味着云底以下的不饱和湿空气内产生了垂直方向的混合，也就说明了对流的存在。而之所以积云会有垂直高度的区别，是因为大气中不稳定层次的厚度不同，不稳定层次越厚，则积云长得越高。从斜温图上看，云底以上的状态曲线在温度层结曲线的右侧的厚度，指示了不稳定层次的厚度。如果这个高度只有小几百米，那么可能看到的是淡积云；如果这个高度有几百米到一点几千米，那么可能是中积云；如果这个高度有2km以上，那么很可能是浓积云。具体情况见图2.10。
淡积云和对流形成层积云的大气温度层结有些相似，有时候也确实分不清。但之所以典型的淡积云不像层积云那样扁而且粘连在一起，有部分原因是底层大气相对干燥，云量少云块小且互相分离。
图 2.10 积云在探空图的表现
在可见光卫星云图上，积云的特点是呈现颗粒状。在高压控制且有风的条件下，这些积云还会排列成线状，形成云街景观（通常是中积云组成的）。一般来说，淡积云和中积云在卫星云图上看起来的颗粒会细一点，浓积云稍微粗一点。但是若积云发展成层积云，可见光云图上看颗粒也会变粗，可能难以分辨，所以不建议看可见光云图，建议看探空图。
图 2.11 来自向日葵8号卫星可见光云图
左侧：2021/10/15 13:30， 右侧：2022/8/13 12:30
在雷达图上，发生降水的积云是可以出现回波的，但反射率超过30dBZ的像素点个数可能只有十几个（像青浦/南汇雷达分辨率为1000m），面积非常小，有时和噪点一样，但连续看几张雷达图就会发现它们在随风移动不是噪点。上海这里在受热带系统影响的时候，很容易在雷达图上看到很多小的星星点点的浓积云降雨区，下图展示的就是很典型的案例。
2.1.4 积雨云
积雨云是一种不太典型的低云，是强对流产生的。积雨云云底高度和积云类似，但云顶高度一般至少有5-6km，在夏季常常能够延伸到对流层高层（12km以上），对流特别猛烈的云顶能超过20km。积雨云云顶高度早就超过高云的高度了，但是如果按照云底高度来算的话还是低云。积雨云可以是孤立的，也可以好几个粘在一起，有时也有比较复杂的结构。关于风暴的组织和发展就是另一门学问了。
积雨云会带来强对流恶劣天气，包括但不限于：暴雨/暴雪、冰雹、对流性大风、雷电，但也会带来大量天象，如：弧状云、龙卷风、乳状云、云砧、闪电、TLEs，还有积雨云本身，以及彩虹、对流云晚霞、云砧晚霞。
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积雨云的一些特征和结构在我们观测和描述火烧云的时候很常用，见图2.12，图片来源于2017年国际云图。描述见表2.12.
图 2.12 积雨云，来自2017版本国际云图
| 名称 | 外观描述 | 形成原因描述 |
|---|---|---|
| 过冲云顶 | 积雨云强上升气流区域上方的云砧云顶，呈现出类似积云的椰菜花形状 | 强对流云团内空气的动量充足，即使到达对流层顶后也会再上升一小段距离，形成过冲云顶 |
| 云砧 | 积雨云顶部形成类似铁砧板的形状，覆盖面积一般比上升气流大很多 | 积雨云上升气流遇到对流层顶后向水平方向延伸 |
| 乳状云 | 积雨云云砧下方形成的类似乳房的云底 | 云砧内的降水物下落到下方干暖空气中蒸发/升华降温，导致一种“倒置的”不稳定性，形成反向对流 |
| 对流柱 | 积雨云中呈现棉花纹理的柱子，连接了云底和云砧，不断翻涌向上运动 | 代表了积雨云内主要的上升气流区域，由于气流的强烈湍流运动而形成了棉花团形状的表面纹路 |
表 2.1 积雨云的结构
在上海，积雨云比较常见的（但相对于其他种类的云来说算少见的），每年大约有30天是雷暴日。在7月~8月盛夏季节副高完全控制本地的时候，常常产生热对流，而且热对流的节律性很强。一般的普通的副高内部热对流单体生命历程有三个阶段：
- 发展阶段：上升气流主导，一般没什么降水发生，上午到中午时看到的浓积云就属于这一阶段。
- 成熟阶段：明显的降水开始发生并且伴有大风，雷达图上看到红色的团块，同时气象台也会发布雷电预警，一般出现在下午13~14时。
- 消亡阶段：热对流很难持续很长时间，常常下午15~16时基本上雷阵雨就停歇了，剩下积雨云的残留云砧会发生弱降水，除了云砧以外基本没有上升气流；傍晚的时候云砧可能会产生晚霞。
图 2.13 热对流的生命历程，图片来自纸糊的气象预报员·大成
在斜温图上，产生积雨云的大气条件的表现是：大气有很厚的不稳定层，状态曲线在温度层结曲线的右侧的厚度基本贯穿整个对流层。一般认为当不稳定层的高度超过了-20℃的温度对应的高度时，形成的就是积雨云而不是浓积云。
不过就算存在这种不稳定性，不一定意味着就会产生积雨云，这与其他的云很不一样。有的时候积雨云对流需要突破一定的阻碍才能爆发，有的时候还需要触发条件，所以建议查看模式（Windy，MeteoBlue上有）给出的对流性降水判断对流云产生的概率密度，不要费劲人工去看了。值得注意的是，对于上海盛夏副高内部的气团热对流来说，对流更容易在市区产生而不是在郊区产生，原因与城市热岛效应和海陆风有关。
图 2.14 积雨云在斜温图的表现，底图来自University of Wyoming Atmospheric Science Radiosonde Archive (uwyo.edu)
在可见光卫星云图上，积雨云表现为一个个圆形或者椭圆形的亮白的斑点，这和其他的物体特征差距很大，一般不会混淆。这些斑点代表的就是积雨云的云砧，云砧的长轴一般沿着对流层顶风向延伸。积雨云由于高度太高了，所以可见光云图上常常可见阴影，体现出立体感来，看起来很像是煮开的水冒出的气泡。在积雨云的周围有时会存在大量杂乱的积云颗粒，表示着各种各样的积云。
图 2.15 超级单体雷暴，来自向日葵8号卫星可见光云> 图 2021/4/30 17:00
在红外云图上，积雨云特征也非常典型和特别，经常表现为温度很低的圆形或者椭圆形斑点，这代表了温度很低的云砧。云砧的中心温度最低，周围温度略高、
图 2.16 超级单体雷暴，来自向日葵8号卫星10.4um红外云> 图 2021/4/30 17:00
在雷达图上，积雨云表现为一个个孤立的或者粘连在一起的红色团块，代表着强降水的区域。如果雷达距离积雨云比较远的话（或者看雷达拼图），可以看到积雨云云砧降水的回波，一般出现在积雨云下风向的地区（注意是相对于高层大气的风向），见图2.17。但这种回波只是反映了高空的降水，在地面上可能不对应有降雨区，只能观察到云砧转化而来的高层云。
图 2.17 带有钩状回波的超级单体雷暴，来自中央气象台网站的雷达图
2.1.5 高层云
高层云是典型的中云，一般由过冷水和冰晶混合组成，云底高一般在2500m以上，厚度一般比较大，多数超过1km，且云顶有时可以延伸到对流层顶。高层云一般呈现灰色，有时均匀有时云底有一点纹路（图2.18），但都会带来的是安静的阴天。厚的高层云会产生小雨/小雪/冰粒，但其中有很多高层云产生的降水不能到达地面，在半路上就蒸发了。高层云常常由系统性抬升运动形成，一般会覆盖很大的面积。
高层云能够形成最壮观的火烧云，没有之一，颜色从橘黄色到红色都可以。有时高层云内会产生降水，形成火烧云彩虹，有时比很多积雨云彩虹还漂亮。此外，高层云云底也可以有幡状云、乳状云等具有天象价值的特征。
一些高层云火烧云的案例：
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在上海，高层云一般是各种各样的锋面活动伴随的系统性抬升形成的，比如当冷空气南下过后，天气由雨转晴的过程中就很可能会经历高层云的过渡；秋冬季节，有时中层大气有从西南方向输送来的湿空气在下方3km厚的干冷空气上滑动，就会形成高层云。高层云也会从大量的积雨云云砧演化而来，一般出现在夏季。
高层云也可以分为两种类型的：一种是云顶看起来更像高积云的，由液态水主导的高层云；一种是典型的冰晶和过冷水混合的云，云顶看起来更像卷层云。前者可以当做是厚的高积云发展而来的，云底不一定有很多降水产生；后者是由厚的卷层云发展而来的，厚度较大，且云底会有不少降水物下落，很可能形成云幡。当天空阴的很均匀的时候，这两种高层云有时只从云底的外观看也不好分辨。
图 2.18 无聊的高层云
在斜温图上，高层云表现为一层距离地面有一定高度的厚的湿空气层，一般至少有1km以上的厚度。由液态水主导的高层云一般云顶温度不太低，但又有一定的厚度，如图2.19左侧。而混合相态的，由卷层云发展而来的高层云云顶温度一般比较低，且云顶主要有冰晶构成。如果高层云有降水，且云下方空气较为干燥的话，则可以看到高层云云底有一个小的逆温层，如图2.19右侧所示。
图 2.19 高层云在探空图上的体现
高层云在可见光云图上看起来是不透明的白色云系，云顶的纹理可以是水云那样均匀且光滑的，也可以像卷云一样出现丝丝缕缕的结构。高层云在卫星云图上看起来一般是一个更大范围云系的一部分，在这片云系整个看起来都是亮白的，其中会有各种各样的层状云，很难分辨哪一块是什么云。所以其实这里也没什么必要看卫星云图。
图 2.20 乱七八糟的云系，来自向日葵8号卫星可见光云> 图 2022/10/6 13:00
高层云时常在雷达图上没有表现，但是如果有的话，你会看到一种非常特殊的现象：云幡回波。在这种情况下，在雷达站的周围可能没有雷达回波，但是从某一个距离开始雷达回波就出现了，有回波的区域包围着雷达站周围没有回波的区域，看起来就好像雷达站有结界一样。这是因为高层云的降水没有到达地面，在半空中蒸发了，而雷达波的波束在距离雷达站远的地方海拔也比较高（见1.4.4章节雷达反射率因子图），所以远处的回波来自于高空中的降水的散射。这种现象在上海的冬半年时有出现。
图 2.21 云幡回波，来自中央气象台官方网站的雷达图
高层云在大气截面图上的表现和斜温图上是类似的，如图2.22所示。需要注意，在这个图中只有-100km~100km的范围内的云是高层云，其他的地方因为湿空气层连接到地面了大概率是下雨了所以算雨层云。
图 2.22 高层云在大气截面图的体现
2.1.6 高积云
高积云是典型的中云，主要由过冷水或者不过冷的水滴组成，云底高一般在2500m以上，夏季可以到10000米，厚度比较薄，很多只有几百米厚。高积云呈现为一个个密集铺满天空的小云块，小云块的大小比层积云的小很多。高积云几乎不会产生降水，但寒冷地区的高积云可以下小雪或者有类似钻石尘的冰晶落地。
高积云能够形成壮观的火烧云，颜色从橘黄色到橘红色都可以有。伴随着高积云火烧云的常常还会有冰晕，如：日柱、幻日。很薄很薄的高积云上会出现日华的现象。
高积云火烧云的案例：
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https://player.bilibili.com/player.html?bvid=BV1xG411p7YA
高积云经常是过冷水组成的，有时会有落幡。高积云的落幡会带来一种特殊的现象：落幡云洞（图2.23）。这是由于贝吉龙-芬迪生效应（见章节1.1.4）：如果高积云受到扰动，在过冷水云中形成了局部的冰晶高密度区域，那么这些冰晶会吸走高积云里的过冷水，且由于冰晶数量相对过冷水滴少，单个冰晶的重量比单个过冷水滴大的多，因此冰晶会快速下落离开高积云，在高积云中形成一个洞。
各种各样的天气系统都能够带来高积云，包括但不限于：锋面、温带或者不太温带的气旋、台风、大面积的云砧降水等。有时浓积云在逆温层下方横向生长也会形成高积云，但比较少。
图 2.23 落幡云洞的高积云，来自于2017版本国际云图
在斜温图上，单层高积云表现为一层距离地面有一定高度的薄的湿空气层，一般不超过1~2km的厚度，略微厚的湿层形成的可能是蔽光高积云。有的时候，在合适的高度和温度区间内（比如2500m以上，-30℃线以下），有一层相对潮湿但没有饱和的比较厚的湿空气层，这时候会形成复高积云（多层高积云）。
根据经验，当高积云温度低于-20℃时，就比较容易看到落幡云洞了。高积云的温度很少会低于-35℃，温度如果再低的话则可能看到的是卷云/卷积云而不是高积云。
图 2.24 单层高积云在探空图上的体现
在可见光卫星云图上，高积云的纹理一般是比较均匀且光滑的，不像卷云那样出现丝丝缕缕状。高积云常常和更大范围的锋面云系连接在一起，且出现在云系的边缘区域。在秋冬季节的某些情况下，高积云条带也可以单独出现，如图2.25所示。（这张图中展示的高积云温度非常低，已经低于-30℃了，比较少见，以至于高积云本身就在迅速冰晶化，可以看到随着云的寿命从西向东增加，高积云也在连续地变化为卷云）
图 2.25 高积云，来自向日葵8号卫星可见光云> 图 2021/12/20 12:00
在红外云图上，高积云的形态也是类似可见光云图的，温度一般比地面温度低不少，但一般不会低于-35℃，如图2.26所示。
图 2.26 高积云，2022/10/16 22:00 来自Windy网页版截图
在大气截面图上，高积云体现为一层薄的湿空气，如图2.27所示。这个案例里面的高积云已经算比较厚实了。
图 2.27 高积云，来自 Tropical Tidbits 的大气截面图
2.1.7 卷云
卷云是典型的高云，云底高一般在6000m以上，厚度比较薄，一般不超过2~3km厚。卷云呈现典型的冰晶云的丝丝缕缕的结构，这是由于卷云内冰晶下落导致的。卷云一般在天空中分布得不太均匀，如图2.28所示。
卷云能够形成壮观的火烧云，也是最常见的形成火烧云的云。卷云火烧云持续时间长，颜色全面，从金黄色到红色都有。除了形成火烧云以外，卷云还能够形成大量的冰晕，基本上各种类型的都有。
卷云火烧云的案例：
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卷云的来源丰富，可以是高层大气的湿空气被抬升水汽凝华形成的，也可以是低空的云被抬升到高空大气后冻结形成的。卷云可以来源于各种各样的天气系统，包括但不限于：锋面、急流、热对流、台风等。
图 2.28 卷云
在斜温图上，卷云表现为一层温度非常低的湿空气层，云底温度低于-38℃的可以认为一定是卷云。卷云厚度一般不算很大（相对于一些很厚的卷层云来说），如图2.29所示。这里注意一下，实测的探空里面，当温度非常低的时候，露点温度和温度不需要靠的很近就可以算水汽饱和，这是因为同等温度下平整冰面的饱和水气压比平整过冷液态水的饱和水汽压低。
图 2.29 卷云在探空图上的表现，来自Windy网页版的探空预报插件的截图
在可见光卫星云图上，卷云会呈现出很特殊的纹路，一种和从地面上看起来很类似的特征，也就是丝丝缕缕的结构，如图2.30所示。卷云可以和更大范围的云系连接在一起，也可以单独出现，都很常见。比如像下面这幅图内的卷云就是单独出现的。
图 2.30 卷云，来自向日葵8号卫星可见光云> 图 2022/10/10 15:00
在红外云图上卷云不仅仅会有特殊的纹理，而且因为卷云温度很低，对比度特别高，所以红外云图很适合用来看卷云。即使卷云很薄，也能很清楚地看到浅色调的区域。
图 2.31 卷云，来自向日葵8号10.8um红外云> 图 2022/10/10 15:00
2.1.8 卷层云
卷层云是典型的高云，一般由冰晶组成，云底高一般在6000m以上，云底温度一般低于-20℃。卷层云厚度比较厚，经常有2~3km或者以上，云顶可以延伸到对流层顶附近（有的时候也会出现薄的，一般会出现在温度偏低而且稳定的高层大气中）。卷层云一般在天空中分布的很均匀。有些卷层云会呈现丝丝缕缕的结构，但有一些均匀得没有任何纹路特征。
卷层云能够形成最壮观的火烧云，壮观程度仅次于高层云。在理想的情况下，卷层云火烧云面积大、持续时间长、颜色可以很丰富，从橘黄到暗红色都可以。除了形成火烧云以外，卷层云还能够形成大量的冰晶晕，基本上各种类型的都有，而且冰晕的种类和完整程度以及强度都比卷云更好。
卷层云火烧云的案例：
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卷层云很多来源于锋面活动，由系统性的抬升运动而产生，尤其是暖锋的前方。除外，卷层云也可以来自对流性天气系统云砧的演化，或者台风的辐散气流。
图 2.32 卷层云与明亮的22度日晕
在斜温图上，卷层云表现为一层温度比较低的较厚的湿空气层，云底温度多数低于-20℃。云层的厚度一般都有2~3km或者以上，云顶高度可以到达对流层顶部，如图2.33所示。卷层云云顶温度一般会低于-38℃，否则冰晶的浓度可能过少。比较厚的卷层云也会产生冰晶或雪晶为主的降水物。这些降水物不会落地，当它们在云下方的干燥空气中蒸发的时候，也会像高层云一样形成一个小的逆温层，并形成乳状云。
图 2.33 卷层云在探空图上的表现，来自Atmospheric Soundings (uwyo.edu)
在可见光卫星云图上，卷层云也会出现丝丝缕缕的纹路，但是相对于卷云来说要光滑和均匀很多。卷层云看起来一般是半透明的，可以透过云看到地面的纹路。卷层云一般伴随着其他云一起出现在更大的云系中。
图 2.34 高云云系，来自向日葵8号卫星可见光云> 图 2022/4/26 7:00
图 2.35 高云云系，2022/10/17 卷层云的红外云> 图 来自Windy网页版的增强红外云图
2.2 特殊的云
有些特殊的云可以出现在各种各样的云属上。举个例子，乳状云就可以不仅仅出现在积雨云云砧上，也可以出现在高积云、高层云、卷层云、卷积云、卷云、层积云上。但无论出现在哪里，它们形成时大气具备的条件是有共性的，这里就会介绍这种共性。这些特殊的云有些有指示意义，另一些本身就是一种具有价值的天象。当你阅读学习了这一部分内容后，如果以后我们在气象图表上看到了符合这些共性特征的情况，我们就能对这些特殊的云做出预测（注意这里特殊的云的分类是我自己分的，不太严谨，而且只是各种各样的特殊结构中的一小部分）。
2.2.1 积云状云顶
积云状云顶指的是云顶呈现积云云顶一样的椰菜花形状的特征。这类特征如图2.36所示，注意红色椭圆圈出的部分。
图 2.36 积云状云顶，来源于国际云图2017
积云状云顶主要指示大气中存在向上对流的不稳定性。积云状云顶的产生原因是：云内有空气在快速上升，且上升的空气团和周围的空气之间存在很多湍流，所以形成了椰菜花形状的凸起。之所以云内的空气会快速上升，是因为空气受到了正的浮力而向上加速，意味着云内气温高于云外，在斜温图上表现为从云层中抬升的空气状态曲线在层结曲线的右侧，具体图解见图2.37。
图 2.37 积云状云顶的内部结构与大气温度层结
积云状云顶不仅可以出现在积云和积雨云的顶部，也会出现在堡状云以及絮状云的顶部。堡状云和絮状云可以出现在层积云、高积云、卷积云以及卷云上。
不稳定性的存在有利于云内产生上升气流，使得更多水汽的凝结，从而形成降水。云的降水可以形成一些其他的大气光学现象，比如彩虹。所以我们要注意这些不稳定性。
2.2.2 纤维状结构
纤维状结构指的是云的某一部分出现的类似卷云的丝缕纤维状的花纹。这类特征如图2.38所示。
图 2.38 纤维状结构，来源于2017版国际云图
纤维状结构一般意味着云在产生降水物。当云中的粒子（比如雨滴、雪花、霰、冰雹等等）生长到一定大小的时候，其在空气中的下落速度也会变得足够快，以至于云内垂直运动的气流不能主导它们的运动，使得它们能脱离云体并在蒸发之前下落一段距离，形成下落的痕迹。下面展示一个降水线云。
https://www.bilibili.com/video/BV1wW411u7K8
纤维状结构可以出现在很多很多的情况下：层积云、积云、积雨云、雨层云、高层云、高积云，以及所有的高云都可以产生这种结构。幡状云、降水线云以及所有卷云和很大比例的卷层云的一个代表性特征就是显著的纤维状结构。
如果一片可能形成火烧云的层状云底部出现了纤维状结构，意味着层状云云底出现降水。这对于火烧云来说是一件不太好的事情：虽然降水可能可以带来彩虹等天象，但这也意味着层状云实际的云底高度下降了，会影响火烧云出现的范围、时间和可能性。不均匀的浓密幡状云还会挡住阳光，使得火烧云的范围大打折扣。
2.2.3 乳状云
乳状云指的是云的底部出现类似乳房的凸起。这类特征非常独一无二，令人印象深刻，基本不会认错，具体见图2.39所示。
图 2.39 乳状云，来源于2017版国际云图
乳状云主要指示上方云产生了降水以及大气中存在对下沉气流的不稳定性。当一层云足能够产生降水，而其下方的空气又非常干燥温暖的时候，这种不稳定性就会以乳状云的方式展现出来。
乳状云的形成理论有很多，这里用简化的方式粗略地说一种我觉得最主要的。当云的降水下落到干燥的空气中时，降水会部分在干空气中蒸发或升华，使得云底下方一部分干燥空气变成了温度更低的湿空气。这些湿冷的空气密度比周围的空气大，受到向下的负浮力，因此开始跟着降水物（雨滴或者雪花）一起下沉。空气在下沉的时候，由于气压上升，空气会被压缩，所以空气温度会上升。但空气内的降水物同时也会蒸发或升华，而且乳状云外的干空气的卷入后云水蒸发也会导致的额外降温，这会部分抵消了压缩升温过程。如果云底下方的空气足够干燥和温暖，那么这些湿冷的空气密度就可以一直比周围的空气大，从而继续加速下沉，直到降水物用完后一段时间，云内气温高于环境气温为止。有人也称这个过程为“向下的对流”，乳状云的团块就是裹挟着降水物和云一起下沉的空气。
在斜温图上，乳状云的特征也是独一无二的。乳状云很明显的一个特点是在厚的一层云的底部出现了一个逆温层，这是降水物蒸发形成的。如果云的降水没那么多，乳状云不很强烈的话，在垂直分辨率较低的数值模式预报中，这个逆温层也可能不出现。云底下方空气必须比较干燥（相对湿度至少要低于50%），云底下方的大气温度直减率不能太小（一般要有-6℃/km）且越大越好。乳状云上方云的厚度越大（降水物越多）、云下方的空气越干燥、云下方气温越高，则形成的乳状云越壮观。具体图解见图2.40。
图 2.40 乳状云的内部结构与在大气探空图上的表现
如果云底下方的空气不是那么干燥或者温暖的话，形成的乳状云就不太典型（不光滑不圆润），会显得比较破碎，就像下面这个高层云乳状云案例。
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乳状云可以出现在多种云的底部，比如：层积云、积云、积雨云、高层云、高积云、卷层云、卷云以及卷积云，基本上能产生降水物且云底高度足够的云都能形成乳状云。
2.3 大气光学现象
大气光学现象种类繁多，这里介绍一些比较常见的而且会对火烧云起到点缀的大气光学现象，主要是：云隙光、彩虹、华/虹彩、柱、晕。
2.3.1 云隙光
云隙光的形成方式是很简单的：平行的阳光被云遮挡，分割成一束一束的光，这些光线的路径由于大气中气溶胶或者薄云散射而被展现出来，形成了云隙光。
大气中不缺乏气溶胶，一般来说低空的气溶胶浓度更大，所以低空的云更容易形成云隙光。这种低云云隙光常见于层积云和积云的周围。当然其他的云也能有云隙光，但一般没有层积云云隙光这么壮观。下面放两个层积云云隙光的案例。
https://player.bilibili.com/player.html?bvid=BV1ZY4y1F7XZ
https://player.bilibili.com/player.html?bvid=BV1KP4y1K7qW
在7月中下旬开始一直到9月份，当上海位于副热带高压脊线的附近或者南侧时，对流层顶附近的大气有时会比较潮湿，形成一些光学厚度非常非常薄的卷层云。这些卷层云几乎是隐形的，除非形成锥晶幻日否则几乎不可见，红外卫星云图上也难以察觉。但是在日出或者日落的时候，这些卷层云会散射阳光，让蓝天带有一种偏橘黄色的颜色。当远处有积雨云遮挡阳光的时候，这些卷层云就会展现出丁达尔效应，形成规模巨大的曙暮光条和反曙暮光条（2023年7月23日注：目前也发现了一些其他的案例表明，较潮湿的中层大气也能够形成壮观的反云隙光，不一定需要对流层顶附近的薄卷云）（2024年1月27日注：一些案例表明，冬季的上海也能出现曙暮辉与反曙暮辉，因此可能仅依靠大气分子散射也能形成云隙光和反云隙光）。这些曙暮光条长度可以达到几百千米，在低层大气气溶胶光学厚度较小的时候，看起来会非常壮观。
原微博地址
上海，反云隙光，20220802
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2.3.2 彩虹
彩虹是一种由于雨滴折射和反射光线形成的大气光学现象。当阳光照射在雨滴上时，如果观察者正好位于合适的角度，反射和折射的阳光就会到达我们的视野，于是我们就能够看到彩虹。
原微博地址
彩虹，上海，20220823
对于一般的虹，阳光需要在入射水滴以后发生一次反射再出射才行。在这个过程中，阳光被水滴偏转的最小角度是137.5°。由于光线喜欢集中在这个最小的角度上，“所以”彩虹是由这个最小偏折角度的光线形成的。137.5°是一个钝角，导致的结果是如果太阳光从西侧照射过来，那么我们看到的彩虹会在东侧天空，彩虹只会出现在和太阳的位置相反一侧的天空。
图 2.41 单个雨滴形成彩虹的原理
因为每一个雨滴偏转阳光的角度最小都是137.5°，所以彩虹所出现在天空中的位置也应该和太阳在天空中的位置相差137.5°。换句话说，彩虹和观察者的连线形成了一个圆锥，且这个圆锥的顶角为180°-137.4°=41.5°（大约为42°），见图2.42。这个圆锥被称为彩虹锥。
图 2.42 彩虹锥
每一个观察者都有一个自己的彩虹锥：彩虹锥的定点过是观察者，圆锥的旋转对称中心和阳光方向平行，圆锥的顶角为42°。只要彩虹锥上面有雨滴被阳光照亮，且没有东西遮挡，那么我们作为观察者就能够看到彩虹。这就是为什么就算本地不下雨也不出太阳，也不妨碍我们看到彩虹，如图2.43。
图 2.43 彩虹的形成条件
形成彩虹对雨滴的大小有要求，一般来说直径0.5mm以上的雨滴才会形成彩虹，更小的水滴形成的是白色的雾虹。对于能够形成彩虹的雨滴，下落速度也会比较大，所以彩虹基本上只会形成在云幡、降水线云或乳状云中。如果能判断纤维状云的粒子相态为液态，且这些云的位置又恰好合适，那么就能够预判彩虹的出现。下面这些案例展示了出现在火烧幡状云中的彩虹。
https://player.bilibili.com/player.html?bvid=BV13B4y1W7Sm
https://player.bilibili.com/player.html?bvid=BV13T411w7uh
如果不想自己亲自观测云况，也可以通过探空图确定云底高度、卫星云图确定云边界，以及雷达图确定降水边界来判断彩虹可能出现的位置。当云边界距离和云底高度条件合适阳光照射到云底的时候，如果靠近云边界的地方有降水回波的话，那么就可以注意彩虹了。
2.3.3 华/虹彩
华或者虹彩是一种由于光的衍射和干涉形成的现象。当阳光照射在由微小的水滴或者冰晶构成的云上，小水滴或者小冰晶会衍射阳光，而这些衍射光之间会发生干涉。如果云中的水滴或冰晶大小比较一致，那么这种干涉会形成绚丽的颜色。如果水滴或者冰晶的大小均值的空间分布很均匀，那么会形成华；如果不太均匀则形成虹彩。
原微博地址: 虹彩幞状云，云南普洱，20220816
华和虹彩经常出现太阳周围或者距离太远不是很远的地方。薄的高积云和卷积云上，特别是一些刚刚形成的云上更容易出现虹彩。一般来说，云温度越低，大气含水量越少，形成的云水滴越小，华或者虹彩也越绚丽。所以高度比较高的云或者温度比较低的云比较容易出现虹彩。
2.3.4 日柱
日柱是一种由于片状冰晶反射光线形成的大气光学现象，表现为太阳上方和下方的光柱。（什么是片状冰晶？见章节1.1.2）
微博原地址: 日柱，上海，20220416
片状冰晶或者雪花在空气中飘落的时候，由于空气阻力的缘故，它们倾向于以最大的面保持水平的方式下落，并微微晃动。如果大气中有大量的片状冰晶，这些冰晶就会反射光线到观察者的视角，这个原理和波光粼粼的水面的原理是类似的。
图 2.44 日柱形成的原理，来自Sun and Light Pillars (kulgun.net)
经验上，当太阳高度角比较低（低于20度）时，比较容易形成日柱。一般认为高积云、高层云、卷层云以及卷云比较适合形成柱现象，尤其是落幡的高积云。根据本人不可靠的观察经验，当云底（不算落幡）温度在-10℃~-25℃之间的时候，如果有光源的话，比较容易观察到日柱；当云底温度在-12℃~-18℃的枝晶生长区域（Dendritic Growth Zone，DGZ）时，比较容易形成很不错的柱。具体能不能形成和云的其他要素也有关系，云底温度条件只是一个指标而已。我个人的观察经验是对连续无夹层的云层在云底温度符合的情况下，如果云顶温度也在片晶生长区域（高于-40℃）的话日柱会相对更好。
2.3.5 冰晶晕
冰晶晕是由于冰晶反射和/或折射光线形成的大气光学现象，表现为天空中的各种有规律的彩色或白色的光点、光弧、光圈。冰晶晕种类极多，即使不算奇怪的排列组合也有几百种，大部分我们都不需要care，因为一辈子都见不到。
我这里很无耻地从 www.atoptics.co.uk 上面截了一张图下来，这里展示了几种比较常见的冰晶晕。右侧的冰晶形状就代表了柱状还是片状冰晶会形成这种冰晶晕。注意，当太阳的高度角在变化的时候，这些冰晶晕的形状也会发生改变，甚至可能会消失。
图 2.45 常见的冰晶晕，来自 http://www.atoptics.co.uk
下表给出了这些冰晶晕的概况（上海附近地区适用）。
| 名称 | 柱晶还是片晶 | 出现的光源高度角范围 | 备注 |
|---|---|---|---|
| 环天顶弧 | 绝大部分是片晶 | 0°-32° | 较常见，高度角取值边界附近时冰晶晕会很暗弱 |
| 环地平弧 | 绝大部分是片晶 | 58°-90° | 较常见，高度角取值边界附近时冰晶晕会很暗弱 |
| 上切弧 | 柱晶 | 0°-35° | 常见 |
| 下切弧 | 柱晶 | 0°-35° | 较常见，光源高度角低于22度时下切弧在地平线下方 |
| 外接日晕 | 柱晶 | 35°-90° | 常见，光源角度超过35°后由下上切弧和下切弧合并而来 |
| 22度幻日 | 片晶 | 0°-55° | 常见，高度角到55度附近时幻日会很暗弱 |
| 22度日晕 | 柱晶 | 0°-90° | 常见 |
| 幻日环 | 多数片晶 少数柱晶 | 0°-90° | 不太常见 |
表 2.2 常见的冰晶晕概况
结合形成冰晶晕的冰晶形状以及探空图/红外卫星云图上查看的云内温度，我们可以猜测可能的冰晶晕类别。不过实际上有大概一半的冰晶云是一点冰晶晕也不会出现，很多冰晶云内的冰晶形状都太不规则了。所以这种猜测经常不准。
2.4 气溶胶
2.4.1 气溶胶的观感
天气预报或者气象台说的霾指的是由于大气中悬浮的微小干燥颗粒物，导致大气能见度下降到10km以下的现象。但是在这里，我们也可以把各种悬浮的极其微小的干燥颗粒物导致的大气透明度下降或者天空不蓝的现象都称为霾（见国际云图2017版本）。这些悬浮的微小颗粒物可以称为气溶胶（一种在气体中的胶体分散系）。为了从光学上描述大气垂直方向上气溶胶的多少，我们可以用气溶胶光学厚度（Aerosol Optical Depth，AOD）这个物理量。
气溶胶光学厚度就是一种光学厚度，指的是一束单一波长的光垂直入射大气中，由于气溶胶的散射吸收导致的光学厚度。这个参数可以用来反映大气中气溶胶对光线的总的散射能力：如果气溶胶光学厚度大，则大气中气溶胶散射光的能力强，蓝天的颜色就会显得发白；反之如果气溶胶光学厚度低，则大气中气溶胶散射光的能力弱，蓝天的颜色就会非常深，大气会很通透。在干燥天气下，一般气溶胶和天空的通透程度（根据个人经验的）评价见下表。
| AOD（550nm）数值 | 评价 |
|---|---|
| 0~0.1 | AOD低于大气瑞利散射的光学厚度，高级的水晶天 |
| 0.1~0.2 | 气溶胶很少，晴天湛蓝，基本是水晶天 |
| 0.2~0.3 | 气溶胶较少，晴天天空比较蓝 |
| 0.3~0.5 | 气溶胶一般，大气通透度普通 |
| 0.5~0.8 | 气溶胶较多，晴天天空显得有霾，虽然程度不算很严重，但明显影响火烧云质量 |
| >0.8 | 气溶胶很多，晴天天空颜色灰白，霾较为严重，或者为沙尘天气，火烧云再怎么大烧也是污烧 |
表 2.3 AOD与视觉上大气通透度的对照关系
本地气溶胶消光的存在会导致我们的全天空视野受限。对于较低的高度角的目标，光线需要穿透厚度很大的底层大气才能到达我们的视线，而气溶胶又集中在底层大气，所以这些目标发出的光线会经历严重的消光。这会导致我们看不到低角度的天空的远处的景物，而是只能看到一片灰色，如图2.46黄色虚线方框所示。反过来说，如果能看到在低角度天空有一层灰色的东西挡住了远处的景物，也要意识到这是气溶胶消光导致的，而不是云。
一般来说，在气溶胶光学厚度比较小（大）的时候，这层气溶胶消光导致的灰色区域高度角就会比较小（大）。但具体情况还和气溶胶的垂直分布有关，所以略微复杂。
图 2.46 气溶胶导致的低角度天空视野受限
本地的气溶胶多少对火烧云观赏的影响是巨大的。
在本地气溶胶光学厚度低情况下，天空视野开阔，而且天空也特别蓝。如果有火烧云的话，火烧云散射的阳光也不会受到本地气溶胶消光的影响，颜色会更加明亮和鲜艳，整个天空的饱和度都会很高，非常好看。就算没有火烧云，由于气溶胶光学厚度和地面的气溶胶消光系数之间也有正相关的关系，所以在大气干燥的情况下，气溶胶光学厚度低的日子大气能见度也好，通透度也高。在做火烧云预测的时候，如果发现气溶胶非常少，就算火烧云概率不算大/火烧云出现在天边低角度天空/火烧云光线不算明亮，也可以出去看看。下面这个案例就展示了水晶天的火烧云饱和度有多高。
https://weibo.com/tv/show/1034:4826904147197989
反之，在本地气溶胶光学厚度高情况下，低角度的天空视野受限，天色灰白。就算云况支持典型的火烧云，由于本地的气溶胶会把火烧云散射的光线消光，导致火烧云的颜色亮度和饱和度都下降很多。而且地气溶胶光学厚度高情况下，大气能见度很可能不好，其他风景也不好看。所以各种因素都会限制火烧云的观感。下面这个案例的霾略多，不过已经还算好的了。比这个更严重的，甚至30度以下天空的火烧云细节全被霾遮挡的情况我也见过，整个天空都是均匀的没有纹理的粉紫灰色，非常可怕。
https://player.bilibili.com/player.html?bvid=BV17h411877n
总之，本地的气溶胶对于火烧云基本没有正面影响，我们希望气溶胶光学厚度越小越好。
2.4.2 气溶胶的时空分布
气溶胶光学厚度的时空分布非常复杂，不过有一些经验性的规律可供参考。
- 气溶胶光学厚度一般而言在市区中或者市区下风向多，在周边郊区以及村镇较少。
- 对于上海这种地方来说，有一定厚度偏东风的时候气溶胶光学厚度会比较低（如果没有回流的污染物）；如果上海吹比较弱的偏西风或者无风那么气溶胶光学厚度可能会上升。
- 由于城市在日间的各种排放，一般而言在没什么风的天气下，早晨气溶胶光学厚度比傍晚低，但早晨由于污染物在底层大气聚集反而导致地面附近能见度差。
- 如果处于锋面的前缘，那么气溶胶光学厚度可能会很大。
- 如果所处的位置在底层大气的辐合区域，那么气溶胶光学厚度很可能比周围大不少。辐合区不仅仅聚集了周围的气溶胶污染，辐合区的抬升运动还会形成湿空气层与云，进一步恶化了大气通透度。如果是局地辐合辐散，气溶胶光学厚度的水平分布结构是比较细微的，可能跨个区观感就不一样了。
这里需要重点说一个问题：下完一场暴雨以后，空气一定会变好吗？其实是不一定的。比如说夏季比较局地的热对流降水过后，大气其实不会变干净多少（或者说本地大气的气溶胶光学厚度不会下降很多）。这是因为降雨区域覆盖面积太小了，而且从雷暴中吹出的下沉气流虽然气溶胶消光系数确实低，但这些干净的空气体积也不大，可能只能让雷雨云附近地区，地面附近几百米的大气能见度提升一些。这对火烧云形成过程中光线路径上的气溶胶消光的改善毫无帮助，对于本地气溶胶光学厚度提升帮助也很有限，而且有对流常常意味着地面处于辐合区，本来大气就格外污，所以天空该怎么污还是怎么污。想要本地气溶胶光学厚度显著下降，我们需要让干净的空气替代污浊的空气，比如来一次寒潮让来自北极高空的洁净气团控制本地，或者来一场台风让来自热带海洋的大气接管本地。当然也可以直接通过下雨去除空气里的污染物，不过这需要一次覆盖面积较大的降水过程，比如飑线或者系统性的降雨（中尺度或者大尺度天气系统）。
有时候大气气溶胶光学厚度是能够从可见光卫星云图上看出来的。当气溶胶光学厚度比较大的时候，更多阳光被气溶胶散射，其中一部分就被散射回太空，然后被气象卫星拍到。从可见光卫星云图上看反映为某地区的大气会显得颜色更浅。当大气比较干燥没什么云，而且地表颜色一致（比如在海面上）的时候，气溶胶散射导致大气颜色变浅是很明显的，如图2.47所示。这也可以用于辅助判断气溶胶光学厚度的大小。
图 2.47 可见光云图上AOD的体现，来自Windy移动端应用的截图
考虑到气溶胶少的好处这么多，我们肯定想要减少气溶胶光学厚度。
在水平方向上，我们可以去郊区或者城市上风向区域，避开气溶胶集中的区域。当然这不太实用，因为很多其他需求是特定的，不能随便改变地点。
在垂直方向上，可以提升自己的海拔高度，比如爬楼或者飞无人机。尽管一般气溶胶集中在地面附近，但由于我们能够提高的海拔高度十分有限，所以效果也就这样了。只有当气溶胶消光系数分布的高度很低的时候才会效果明显一些，比如日出前后低空逆温层把气溶胶限制在逆温层下方的时候。这里我们给出在不同气溶胶分布的高度衰减常数（见章节1.3.3）下，在500m高度以上的大气气溶胶光学厚度相对于地面以上的气溶胶光学厚度的比例，如表2.4所示。
| 气溶胶分布的高度衰减常数（km） | 500m以上气溶胶光学厚度比例 |
|---|---|
| 0.5 | 37% |
| 1.0 | 60% |
| 1.5 | 72% |
| 2.0 | 78% |
| 3.0 | 85% |
| 4.0 | 88% |
表 2.4 垂直方向逃避AOD的效果
如何判断气溶胶消光系数的垂直分布，是一个很难的问题。虽然有的时候气溶胶的垂直分布可以肉眼看出来，比如冬季大气很稳定的时候，在高楼楼顶就能看见霾和蓝天的界限，但更多时候是不能的，所以这里只有一些经验性的东西：
- 一般来说大气稳定的时候气溶胶分布的高度衰减常数可以取较小的数值，大气不稳定的时候气溶胶分布的高度衰减常数可以取较大的数值。夏天对流活动旺盛的时候，气溶胶就喜欢往中层大气跑，可能毁掉火烧云；而日出前后由于底层大气一般比较稳定，气溶胶也会集中在地面附近。
- 如果你能看到低空大气有逆温层的话，那么污染物可能会集中在逆温层下方。而且如果逆温层上方的空气全都很干燥的话，可能意味着这些干燥空气是从高空下沉而来的，所以逆温层上方空气中的气溶胶可能很少，甚至几乎没有，可以当做完全洁净的大气来看待。在逆温层上方气溶胶光学厚度接近于0，而逆温层下方就像泡在霾里一样。
https://wx1.sinaimg.cn/mw2000/006g3Uialy1h79mqb7lqcj31400u0n1e.jpg
2.4.3 气溶胶光学厚度和能见度
章节1.3.1中介绍了一个大气550nm消光系数和水平能见度之间的换算公式：
其中的550nm的消光系数是各种消光系数的和，并没有明确消光具体的来源。而气溶胶光学厚度则是另一个物理量，反映了气溶胶消光系数在垂直方向的累计。这两个物理量的联系在于，都会涉及到地面附近的气溶胶消光系数。如果气溶胶消光系数的垂直分布是确定，而且地面附近的大气消光主要由气溶胶贡献，那么地面附近气溶胶消光系数与气溶胶光学厚度之间会有明确的可解析的正相关关系。实际中，这种关系只是大致的成立而不是严格的成立。
除去气溶胶以外，550nm的消光系数也可以由其他东西贡献，比如污染性气体（NOx），以及云和雾。其中最主要的影响还是来自于雾。当水汽在底层大气凝结形成雾的时候，能见度会下降到比较低的数字，不管气溶胶光学厚度高还是不高。
当气溶胶消光系数和湿空气联合的时候，情况会变得更加糟糕。我们经常说一个词叫做“雾霾”，说的就是雾和霾强强联手的情况。当大气的相对湿度开始增加，气溶胶颗粒也会开始吸水，在微观上体现为颗粒物的大小增长。即使大气相对湿度还不支持形成雾或者云（还不到活化云滴的湿度），颗粒物也会增长（见章节1.1.3 云的产生方式），使得空气能见度进一步恶化。这就是为什么我们去拍日出有时候会觉得空气中有“水汽”会影响能见度，其实这些不是水汽，而是吸水了的霾，水汽本身是看不见的。所以当我们发现空气相对湿度比较大但还不至于形成雾（比如相对湿度小于85%），且气溶胶消光系数（或者颗粒物浓度）也比较大，我们就需要考虑增加对气溶胶消光程度的估计。这也是为什么当低云比较多、低层大气很潮湿的时候，大气会看起来比只用气溶胶光学厚度来预计的更加浑浊。
第3章 气象数据的获取方式
在讲了这么多理论知识以后，我们终于可以上手实操了。在这之前，我们需要知道几个常用的数据来源。当然作为气象爱好者你可能会问网站明明这么多你怎么就说了这么几个那是因为这几个好用呗。
Windy
https://www.windy.com/
这就是著名的Windy的网页版，在这里你可以获取世界主流的数值预报（EC，GFS，ICON）结果的可视化，以及实时的雷达图、卫星云图以及探空实测。我们最关心的几个功能是：
- 风：该选项可以帮助我们判断局地风向与风速，可用于侧面推断大气的洁净程度以及通过云的移动速度判断预报结论的不确定性。
- 卫星云图-VISIBLE/INFRA+：分别指的是可见光云图以及增强红外云图；在云图的界面上点击画面可以得到某一点的云顶温度亮度温度。这可以协助我们结合探空图（斜温图）来得到云的云顶高度。
- 雨、雷暴-雷暴：数值预报推断的地闪密度，用于判断对流活动的强弱，避免我们自己判断对流活动。
- 云-高云/中云/低云：数值预报推断的高云、中云以及低云云量，方便我们预估云的空间分布。
- 空气质量-气溶胶：CAMS的气溶胶光学厚度（550nm）预报，用于判断大气的目视的洁净程度；光学厚度的定义见章节1.3.2。
- 右键/长按-探空：数值模式给出的探空预报，默认以斜温图的方式给出，用于判断局地的云况。
- 实况探空：点击地图上的黄色圆点，可以查看这些站点的实测探空数据，默认以斜温图的方式给出，用于判断局地大气实际状况，时效性一般不好。
- 右键/长按-距离与规划：测量两点之间的球面距离，用于判断云边界的远近。
这个网站上给出的GFS预报时间分辨率高达1小时（GFS输出数据本来就是完全免费公开的），所以是非常不错的；而EC的时间分辨率为3小时（买个会员就能到1小时的时间分辨率了），也算还可以，用插件的话探空也可以有1小时的分辨率。唯一的缺点就是不能画大气空间截面图。
Tropical Tidbits
GFS Model – MSLP & Precip (Rain/Frozen) for East Asia | Tropical Tidbits
这是GFS的预报结果的可视化网站。看懂图中绘制的全部物理量可能需要一些专业的气象知识，用不到。但大家需要从图中看懂这个预报的起报时刻、预报时效、生效时间是多少。我们用它的主要功能有：
- 单点探空预报：在地图上任意一点单击，获取当地的大气探空预报，以斜温图的方式呈现，用于判断局地云况；
- 区域平均探空预报：在地图上任意一点单击并拖动，获取所选取的方框内的大气平均状态，以斜温图的方式呈现，用于判断区域平均云况；
- 大气截面图预报：按住Ctrl后在地图上拖动，下拉选项中选择 RH and Omega（相对湿度以及垂直速度），点击Submit（提交），得到含有相对湿度的大气截面图，用于判断云的三维空间分布；
图 2.48 Tropical Tidbits 的GFS预报结果可视化
值得注意的是，这个网站上给出的GFS预报时间分辨率只有6小时，你很可能找不到在日落日出前后附近的那个时间点对应的预报，因此绘制的大气截面图可能不准。
MeteoBlue
https://www.meteoblue.com/
这是一个功能强大的网站，可以绘制多种（包括EC与GFS）数值模式预测结果的网站。很多功能和Windy是类似的，但是专业性更强，如果花钱买会员的话可以得到极其充分和专业的关于天气的信息，上面两个网站可以直接不需要了。本着能不花钱就不花钱的原则，我们能得到的功能除去和Windy重复的以外，还有：
- 大气截面图预报：首先点击左侧的Weather Maps，而后点击右侧选项卡中的Wind进入风速地图，在风速地图界面单击地图后，下拉选项的第二个就是大气截面图绘制（Start Cross-section），点击后可开始绘制大气截面。这里可以选择多种数值模式，高时间分辨率地绘制大气截面，但是其（免费）高度上限只有600hPa，且不花钱只支持当前时刻，不能完全展现大气中的云，不太好（白嫖）。
Himawari-8 卫星云图
向日葵-8号即時網頁 - NICT
日本向日葵8号静止气象卫星的云图，适用于中国中东部地区。左上角更多选项切换“大洋洲地区”以及“大洋洲地区24小时”可以分别查看历史与实时可见光卫星云图，以及多波段红外卫星云图，其中
的红外云图即为所需的红外窗口波段。
风云4号卫星云图
rsapp.nsmc.org.cn
风云四号卫星云图，适用于中国全境，西部地区也能覆盖。功能和向日葵8号气象卫星类似，也有彩色与黑白可见光云图、
增强红外云图。右上角卫星通道可用于切换不同波段的卫星云图，但调色没有向日葵8号网页的好看。而且，这里有一个很好用的东西：
- 测距：点击右上方的选项栏中尺子的图标，选择测量距离，即可测量图中两点的距离，和Windy的功能是一样的。
中央气象台的雷达图
天气实况_雷达图_雷达拼图_华东 (nmc.cn)
气象实况 (cma.cn)
雷达图适用于全国大部分地区，尽管很多人烟稀少的地方没有气象雷达。注意识别降水回波和非降水回波。
上海知天气的雷达图
在应用平台上下载“上海知天气”，点击下方的“观测预报”，点击左上角“雷达回波”，右上角的选项卡内选择“位置雷达图”，可以查看精确到道路级别的雷达图和地图的叠加，有助于判断对流云/降水云和自己的相对位置。
太阳高度角计算器
太阳高度角的计算 -太阳高度角在线计算器-计算软件 ab126软件园
这个网页用于计算太阳高度角和方位角，除了查表以外，太阳方位角以及太阳高度角的变化速率计算靠它也可以实现。比如说，如果我们想要查找某地的日落时的太阳高度角变化速率，我们可以先找到当地日落时间，然后查看日落时间后10分钟的太阳高度角度，除一下就行了。
地图坐标寻找
地图坐标系转换 - 在线工具 (tool.lu)
这个网页可以让你找到百度地图上任何一点对应到的实际WGS84经纬度坐标。由于国内使用的坐标经过了一种很奇怪的很容易破解的加密，所以其坐标其实是不准的，需要转换。这个网站提供了这样的功能。在地图上选择任何一点后，点击“转换”按钮，转换结果会显示在地图下方的“转换结果”栏目中。其中的WGS84坐标系就是我们需要的坐标。
