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可见彩虹评估概念模型构建及全国范围内彩虹资源时空分布特征分析陈青昊王秀荣于涵王媛赵嵘卢燕宇1中国气象局公共气象服务中心，北京1000812新疆伊犁州昭苏县气象局，新疆昭苏8356003安徽省气象局，合肥2300311引言气象气候条件既是重要的自然资源，又是主要的自然景观旅游资源之一（郑霖,2000）。我国文化传统中随处可见对气象景观的热爱。在我国，把气象景观视作资源的观点在1982年已经出现在相关研究文献（艾定增,1982）之中。1988年以来，随着旅游地学开始崛起，针对风景地貌、水域景观、森林植被等自然旅游资源的评价、构景与旅游吸引力等方面做了大量研究工作，取得了良好的社会效益,为我国旅游业的发展做出了贡献（彭永祥等,2009）。气象景观作为气象旅游资源的一个重要组成部分，它可以自成风景，或与特定地形、环境等配景、构成许多旅游景区内的主景、名景或绝景。美丽的气象景观资源会对旅游者产生巨大吸引力，对其合理开发利用会产生显著的经济效益、社会效益和环境效益（冯新灵,1997）。进入21世纪以来，随着我国经济水平大幅提高，居民旅游消费需求正处于爆发式增长阶段，在这种社会背景下，人们踏进大自然，享受良好生态资源环境，欣赏大自然美景、康体养心的愿望明显增强，针对气象和旅游的相关服务和研究逐渐被得到重视（张爱英等,2018）。在对气象景观资源的研究方面，截至目前，不仅出现了对特定景区如黄山（杨贤为等,1999;程静静,2010）、庐山（岳旭和张小鹏,2018）、华山（曹慧萍,2016）、井冈山（周玮,2013）等著名景区内气象景观资源的总体分析，也有针对部分省域范围内的气象景观资源分析（杨尚英,1996;黄东林等,2013）；部分研究成果中则专门针对某地某种特定气象景观特征及其景观预报模型进行了分析探讨（吴有训等,2005;张锴,2019;章开美等,2020），周丽贤等（2016）则对全国范围内雾凇景观资源时空分布特征进行了分析。随着气象景观作为旅游资源日益得到重视，2016年4月，中国气象服务协会发布团标《气象旅游资源分类与编码(T/CMSA0001-2016)》（中国气象服务协会,2016），将彩虹中的虹和霓列入到了气象旅游资源中的天气景观资源的分类中。彩虹景观具有极高的观赏价值，在当前国家鼎力发展全域生态旅游的大背景下，一些彩虹资源比较丰富的地区，完全可以将彩虹资源作为吸引游客的气象旅游资源进行推广。各地彩虹出现的可能性和频次看似随机，实则大有规律可循。针对彩虹这一自然现象，历史上，很早开始就有人试图探索它的形成原因，而且也发现了一些科学性的内在规律（方兆佳,1996）。截至目前，学术界对形成彩虹的物理机制以及色彩、亮度分布的研究已经相当完善（Adam,2002），但尚未见有针对全国范围内彩虹资源时空分布属性的系统性分析研究成果。另外，按《地面气象观测规范天气现象(GB/T35224-2017)》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会,2017b）的规定，彩虹不是常规气象观测业务中的观测内容，仅在个别地方依据气象服务的需求进行观测，所以无法直接获得全国范围内彩虹资源的空间分布情况以及各地彩虹可能出现的一些规律特征。为此，本研究基于彩虹形成的光学原理和天气学原理等，构建彩虹资源评估概念模型；并依据此模型，对全国范围内彩虹资源的时空分布情况展开全面分析，以期为广大彩虹观赏爱好者或者一些地方政府及旅游资源开发部门合理开发利用彩虹资源和宣传等提供参考。2研究方法2.1彩虹形成的物理机制彩虹是虹（称主虹）和霓（称副虹）天气现象的总称，是一种发生在大气中的光学现象。以几何光学的观点看，阳光照射到空中的一个水滴时，在进入和离开水滴的过程中会经历两次折射，在水滴内部会经历一次反射，最终入射光线°的夹角；当阳光照射在大量的空中水滴上，会在观察者眼中呈现出在太阳相对的方向、角半径约42°、外红内紫的彩色圆弧，被称作虹（亦称主虹、1阶彩虹）；在虹的外侧，有时能观察到另一条彩色圆弧带，称为霓（亦称副虹、2阶彩虹）。形成霓时，入射阳光在水滴内部比形成虹时多经历一次反射（盛裴轩等,2013）。这使得霓的亮度仅有虹的1/8左右（Können,2017）。另外，光线还可能经过更多次数的反射形成高阶彩虹，但高阶彩虹亮度很暗，在自然界中极不容易被观察到（Haußmann,2016）。彩虹形状实际上是一个完整的圆。由于球形水滴的对称性，大量雨滴的出射光线，在观察者眼中会呈现出一条圆心为对日点、角半径约为42°、宽度约为2°、内侧为紫色、外侧为红色的彩色圆弧带。如果观察者位于孤立山峰或在飞行的空中，阳光可以照射到比观察者所处位置更低的地方，当这些地方有足够数量和大小合适的水滴，而且范围足够大的情况下，就可以看到完整的彩色圆环，也就是“全圆彩虹”。该现象被多次观测摄影拍到（Crockett,2014;赖比星等,2017）。通过对形成彩虹的物理机制的分析与计算，得知彩虹亮度首先是依赖于入射阳光的强度：阳光越强，则彩虹的亮度越高，越显眼。入射阳光的平行度越好，也就是散射光越少，则彩虹的色彩越鲜艳。其次，虹的色彩、亮度分布与雨滴大小之间也有一定的关系，一般而言，雨滴越大，虹的色彩就越鲜艳明亮（Lee,1998）。当雨滴的直径在1～2mm时，紫色和绿色光环特别鲜明，红色光环也很纯净（《大气科学辞典》编委会,1994）。2.2形成可见彩虹的自然因素从形成彩虹的物理机制可以推断出，出现彩虹所需要具备如下4个主要自然条件：2.2.1空中水滴若要形成五彩缤纷的彩虹现象，首先在太阳的相对方向要有降雨，使得空中有足够数量和大小合适的水滴来形成雨幕。雨滴数量越多、直径大，则会有更多的阳光被雨滴拦截，通过雨滴对光的折射、反射等过程而形成彩虹。雨滴直径大也会使得彩虹更为鲜艳。从对不同种类的云所形成的降水的雨滴大小分布，也就是雨滴谱的研究结果看，积雨云和积层混合云降水谱很宽，而且大水滴偏多（陈宝君等,1998）。依照天气学原理，这类云由于在形成时对流旺盛，往往伴随着雷暴活动。同时，在出现彩虹的方向，若形成降雨的云厚度和密度较高，则云底的亮度低，能够更好地反衬出彩虹。而在面对太阳的方向，需要有云的空隙，使得阳光能够透过云隙直射到对面天空的雨幕上。这就要求形成降雨的天气系统尺度不能太大，这种小尺度的天气系统多是容易出现在形成雷阵雨的对流性降水天气系统中（朱乾根等,2000）。所以，发生雷暴天气越多的地方，出现彩虹的几率则可能会越大。2.2.2太阳高度角太阳的高度也是决定能否出现可见彩虹的重要因素之一。从虹的几何光学解释 中，可以推断出，当太阳的高度角为h 时，虹的最高点的仰角θ=42°-h （Cowley and Schroeder, 2018）（图1a）。也就是说，在平坦地形中，太阳 的角度越低、越接近地平线，虹的最高仰角越大，观察者可以见到更高、更大 的彩虹。当太阳地平高度角h＞42°时，可计算得出虹的最高点仰角θ＜0，其 物理意义是虹的最高点位于地平线以下。所以，在平坦地形中，这种情况下观 察者看不到彩虹。（图1b）。 图1 （a）彩虹最高点视角与太阳高度角的关系示意图；（b）当太阳高度角大 于42°时彩虹不可见示意图Fig. 1 (a) Relationship between the rainbow apex and the solar altitude; (b) sketch map of a rainbow that cannot be seen when the solar altitude is over 42° 由此可见，由于地球的形状和运动规律，在一年内的每一天，假设形成彩虹的 其他条件都成立，在平坦地平面上观察者能否看到彩虹还决定于太阳高度角是 否小于42°。因此，对某一地点而言，若其他条件相同，则太阳高度角小于42° 的时间越长，出现可见彩虹的可能性越大。 2.2.3 空气透明度 在形成彩虹的过程中，大气对阳光的吸收和散射会降低照射到雨幕上的光线的 强度，使得彩虹的亮度降低，降低了彩虹的观赏品质。而散射使得入射阳光的 方向变得散乱，平行度变差，光线°的范围内，在其他 角度上也会有光线。这样，在观察者某一视角上，不仅有主要形成彩虹的彩色 光线，同时也可能有其他入射角度的不同色彩的光线。不同色彩的光混叠在一 起，光谱分布变宽，造成色彩饱和度下降（李林, 2010），也会导致彩虹观赏 品质下降。同样，对于从空中水滴中出射的彩色光线而言，空气的吸收会降低 彩色光线的亮度；空气的散射会令不同波长也即是不同颜色的光线混叠在一起， 降低色彩的饱和度。两个因素共同使得彩虹变得黯淡。 可见，空气透明度会在相当程度上影响到彩虹的观赏价值，空气透明度差则彩 虹的观赏品质也差。但是在现有的气象观测资料中，没有空气透明度的数据， 但大气能见度是反应大气透明度的一个重要指标（施悯悯等, 2017）。因此， 可以用雷暴日，也就是有可能出现彩虹的天气中，大气最大能见度数据来衡量 总体的彩虹的观赏品质，即雷暴日平均最大能见度越高，总体的彩虹观赏品质 越高。 2.2.4 地形 地形条件会从两个方面影响到出现彩虹的可能性。一方面，各类天气的出现会 和地形有一定的相关性，地形对强对流和暴雨有明显影响（伍荣生,1999），而 强对流往往导致雷阵雨，雷阵雨越多的地方，越容易出现彩虹。夏季山区对流 性降水远多于平原，这是因为在山区阳坡上容易接受较多太阳光，造成午后阳 坡温度远高于周边空气温度。较大的温差，导致形成热对流中上升气流更为旺 盛，随后迅速发展成为雷阵雨天气，俗称过雨和太阳雨，形成彩虹现象，同时 也容易形成大的雨滴，进而出现高品质的彩虹。另一方面，在视野开阔，没有 高山阻挡视线的地区，意味着在更大范围内出现的彩虹可以被观察到，看到彩 虹的可能性有所增加。当然，若观察点高于周边（如飞机，或者是山峰上）， 则在太阳高度角大于42°时也能够看到彩虹，增加了看到彩虹的可能性。 2.3 可见彩虹评估概念模型构建 2.3.1 评估概念模型构建 从以上各项自然条件综合分析可见，发生雷暴天气越多的地方，出现彩虹的几 率则可能会越大；一天之中太阳高度角小于42°的时间越长，出现彩虹的几率 也会越大；同时，地形决定了能看到多大范围内出现的彩虹，影响彩虹出现的 概率；空气能见度的高低，则决定了总体的彩虹的观赏品质。 由此，可以得出，在同一个地点，在所评估的时段内、所有观测到的雷暴日中、 太阳高度角小于42°的总时长，与所评估的时段内观测数据总时长的比值，能 够反映出此地在时间维度上出现彩虹的可能性大小，可以由此评估出此地彩虹 资源的丰富程度，并可依据该比值对不同地区之间彩虹资源进行比较。将该比 值定义为彩虹资源数量指数RRQI（Rainbow Resource Quantities Index）， 其计算方法如下： 其中，n 为评估时段内观测资料总日数；m为雷暴日数；ti 为当日太阳高度角 小于42°时长（单位：h）。综合考虑雷暴日数、太阳高度角、地形及空气能见 度这4 个因素，构建可见彩虹资源评估概念模型，如图2 所示。此概念模型中， 雷暴日、能见度可以从常规地面气象观测资料中获取；地形资料来自于相关地 理信息数据；某地区太阳高度角小于42°时长则可以由其所在纬度计算得知。 2.3.2 彩虹可见的适宜太阳高度角时长计算方法 一天之中太阳高度角h＜42°的时长随地理位置和日期是不断变化的。从文献调 研的结果看，目前没有直接计算太阳高度角在一定范围内的时长的计算方法。 所以，有必要从已有文献中的太阳高度的计算方法进行推导。 对于太阳天体，在不同的时间和地点，高度角的计算有如下方法（中华人民共 和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会, 2017a）： 其中，h 为太阳的高度角；Φ 为纬度值；DE 为太阳的赤纬值，随日期而变化, 可以用经验公式进行计算；T0 为太阳的时角。
